Onderzoekers van ETH Zürich hebben transparante elektroden vervaardigd voor gebruik in touchscreens met behulp van een nieuw nanoprintproces. De nieuwe elektroden behoren tot de meest transparante en geleidende die ooit zijn ontwikkeld.

Van smartphones tot de bedieningsinterfaces van kaartautomaten en geldautomaten, elk touchscreen dat we gebruiken, vereist transparante elektroden:het glazen oppervlak van het apparaat is bedekt met een nauwelijks zichtbaar patroon van geleidend materiaal. Hierdoor herkennen de apparaten of en waar precies een vinger het oppervlak aanraakt.

Onderzoekers onder leiding van Dimos Poulikakos, Hoogleraar Thermodynamica, hebben nu 3D-printtechnologie gebruikt om een ​​nieuw type transparante elektrode te creëren, die de vorm aanneemt van een raster gemaakt van gouden of zilveren "nanowalls" op een glazen oppervlak. De muren zijn zo dun dat ze met het blote oog nauwelijks te zien zijn. Het is de eerste keer dat wetenschappers dergelijke nanowalls hebben gemaakt met behulp van 3D-printen. De nieuwe elektroden hebben een hogere geleidbaarheid en zijn transparanter dan die van indiumtinoxide, het standaardmateriaal dat tegenwoordig in smartphones en tablets wordt gebruikt. Dit is een duidelijk voordeel:hoe transparanter de elektroden, hoe beter de schermkwaliteit. En hoe meer geleidend ze zijn, hoe sneller en nauwkeuriger het touchscreen werkt.

derde dimensie

"Indiumtinoxide wordt gebruikt omdat het materiaal een relatief hoge mate van transparantie heeft en de productie van dunne lagen goed is onderzocht, maar het is slechts matig geleidend, " zegt Patrik Rohner, een promovendus in het team van Poulikakos. Om meer geleidende elektroden te produceren, de ETH-onderzoekers kozen voor goud en zilver, die stroom veel beter geleiden. Maar omdat deze metalen niet transparant zijn, de wetenschappers moesten gebruik maken van de derde dimensie. ETH-professor Poulikakos legt uit:"Als je zowel een hoge geleidbaarheid als transparantie wilt bereiken in draden gemaakt van deze metalen, je hebt een conflict van doelstellingen. Naarmate de dwarsdoorsnede van goud- en zilverdraden groeit, de geleidbaarheid neemt toe, maar de transparantie van het raster neemt af."

De oplossing was om metalen wanden van slechts 80 tot 500 nanometer dik te gebruiken, die van bovenaf bijna onzichtbaar zijn. Omdat ze twee tot vier keer groter zijn dan breed, de dwarsdoorsnede, en dus de geleidbaarheid, voldoende hoog is.

Inkjetprinter met kleine printkop

De onderzoekers produceerden deze kleine metalen wandjes met behulp van een printproces dat bekend staat als Nanodrip, die Poulikakos en zijn collega's drie jaar geleden ontwikkelden. Het basisprincipe is een proces dat elektrohydrodynamisch inkjetprinten wordt genoemd. In dit proces gebruiken wetenschappers inkt gemaakt van metalen nanodeeltjes in een oplosmiddel; een elektrisch veld trekt ultrakleine druppeltjes van de metaalinkt uit een glazen capillair. Het oplosmiddel verdampt snel, waardoor druppelsgewijs een driedimensionale structuur kan worden opgebouwd.

Het bijzondere aan het Nanodrip-proces is dat de druppeltjes die uit het glazen capillair komen ongeveer tien keer kleiner zijn dan de opening zelf. Hierdoor kunnen veel kleinere structuren worden afgedrukt. "Stel je een waterdruppel voor die aan een kraan hangt die dicht is. En stel je nu voor dat er nog een klein druppeltje aan deze druppel hangt - we drukken alleen het kleine druppeltje af, " legt Poulikakos uit. De onderzoekers zijn erin geslaagd om deze speciale vorm van druppel te creëren door de samenstelling van metaalinkt en het gebruikte elektromagnetische veld perfect in evenwicht te brengen.

Kostenefficiënte productie

De volgende grote uitdaging is nu om de methode op te schalen en het printproces verder te ontwikkelen zodat het op industriële schaal kan worden geïmplementeerd. Om dit te behalen, de wetenschappers werken samen met collega's van ETH-spin-offbedrijf Scrona.

Ze twijfelen er niet aan dat als het eenmaal is opgeschaald, de technologie zal tal van voordelen opleveren ten opzichte van bestaande methoden. Vooral, het zal waarschijnlijk kostenefficiënter zijn, zoals Nanodrip-afdrukken, in tegenstelling tot de productie van indiumtinoxide-elektroden, vereist geen cleanroomomgeving. De nieuwe elektroden zouden door hun hogere geleidbaarheid ook beter geschikt moeten zijn voor grote touchscreens. En tot slot is het proces ook het eerste waarmee je de hoogte van de nanowalls direct tijdens het printen kunt variëren, zegt ETH-promovendus Rohner.

Een andere mogelijke toekomstige toepassing zou kunnen zijn in zonnecellen, waar ook transparante elektroden nodig zijn. Hoe transparanter en geleidend ze zijn, hoe meer elektriciteit kan worden benut. En tenslotte, de elektroden zouden ook een rol kunnen spelen in de verdere ontwikkeling van gebogen beeldschermen met behulp van OLED-technologie.