Elektrotechnici van Duke University hebben een volledig print-in-place-techniek voor elektronica ontwikkeld die zacht genoeg is om te werken op delicate oppervlakken, waaronder papier en de menselijke huid. De vooruitgang zou technologieën zoals hoge-adhesie, ingebedde elektronische tatoeages en verbanden misleid met patiëntspecifieke biosensoren.

De technieken worden beschreven in een reeks artikelen die op 9 juli online zijn gepubliceerd in het tijdschrift nanoschaal en op 3 oktober in het journaal ACS Nano .

"Als mensen de term 'gedrukte elektronica' horen, ' de verwachting is dat een persoon een substraat en de ontwerpen voor een elektronische schakeling in een printer laadt en, enige redelijke tijd later, verwijdert een volledig functioneel elektronisch circuit, " zei Aaron Franklin, de James L. en Elizabeth M. Vincent Associate Professor of Electrical and Computer Engineering aan Duke.

"In de loop der jaren zijn er een hele reeks onderzoekspapers verschenen waarin dit soort 'volledig gedrukte elektronica, ' maar de realiteit is dat het proces in feite inhoudt dat het monster meerdere keren wordt uitgenomen om het te bakken, was het of spin-coat materialen erop, "zei Franklin. "Onze is de eerste waar de realiteit overeenkomt met de publieke perceptie."

Het concept van zogenaamde elektronische tatoeages werd voor het eerst ontwikkeld in de late jaren 2000 aan de Universiteit van Illinois door John A. Rogers, die nu de Louis Simpson en Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering is aan de Northwestern University. In plaats van een echte tatoeage die permanent in de huid wordt geïnjecteerd, Rogers' elektronische tatoeages zijn dun, flexibele stukjes rubber die even flexibele elektrische componenten bevatten.

De dunne film plakt aan de huid, net als een tijdelijke tatoeage, en vroege versies van de flexibele elektronica werden gemaakt om hart- en hersenactiviteitsmonitoren en spierstimulatoren te bevatten. Hoewel dit soort apparaten op weg zijn naar commercialisering en grootschalige productie, er zijn een aantal arena's waarin ze niet goed geschikt zijn, zoals wanneer directe wijziging van een oppervlak door toevoeging van aangepaste elektronica nodig is.

"Om ervoor te zorgen dat direct of additief afdrukken ooit echt nuttig is, je moet in staat zijn om alles wat je aan het printen bent in één stap af te drukken, " zei Franklin. "Sommige van de meer exotische toepassingen omvatten nauw verbonden elektronische tatoeages die kunnen worden gebruikt voor biologische tagging of unieke detectiemechanismen, snelle prototyping voor on-the-fly aangepaste elektronica, en op papier gebaseerde diagnostiek die gemakkelijk kan worden geïntegreerd in op maat gemaakte verbanden."

In de juli-krant Franklin's lab en het laboratorium van Benjamin Wiley, hoogleraar scheikunde aan Duke, ontwikkelde een nieuwe inkt met zilveren nanodraden die met een spuitbusprinter op elk substraat bij lage temperaturen kan worden afgedrukt. Het levert een dunne film op die zijn geleidbaarheid behoudt zonder verdere verwerking. Na te zijn afgedrukt, de inkt is in minder dan twee minuten droog en behoudt zijn hoge elektrische prestaties, zelfs na meer dan duizend keer een buigbelasting van 50 procent te hebben doorstaan.

In een video bij de eerste paper, afgestudeerde student Nick Williams print twee elektronisch actieve leads langs de onderkant van zijn pink. Tegen het einde van zijn vinger, hij verbindt de snoeren met een klein LED-lampje. Vervolgens legt hij een spanning op de onderkant van de twee gedrukte draden, waardoor de LED blijft branden, zelfs als hij de vinger buigt en beweegt.

In het tweede blad Franklin en afgestudeerde student Shiheng Lu gaan nog een stap verder met geleidende inkt en combineren deze met twee andere afdrukbare componenten om functionele transistors te creëren. De printer legt eerst een halfgeleidende strip van koolstofnanobuisjes neer. Als het eenmaal droog is, en zonder het plastic of papieren substraat van de printer te verwijderen, twee zilveren nanodraaddraden die enkele centimeters aan weerszijden uitsteken, zijn bedrukt. Een niet-geleidende diëlektrische laag van een tweedimensionaal materiaal, hexagonaal boornitride, wordt vervolgens op de originele halfgeleiderstrip afgedrukt, gevolgd door een laatste zilveren nanodraad-poortelektrode.

Met de technologieën van vandaag, voor ten minste één van deze stappen moet het substraat worden verwijderd voor aanvullende verwerking, zoals een chemisch bad om ongewenst materiaal weg te spoelen, een uithardingsproces om ervoor te zorgen dat lagen niet mengen, of een langere baktijd om sporen van organisch materiaal te verwijderen die elektrische velden kunnen verstoren.

Maar Franklin's print-in-place vereist geen van deze stappen en, ondanks de noodzaak voor elke laag om volledig te drogen om vermenging van materialen te voorkomen, kan worden voltooid bij de laagste totale verwerkingstemperatuur die tot nu toe is gerapporteerd.

"Niemand dacht dat de spuitbus inkt, speciaal voor boornitride, de eigenschappen zou leveren die nodig zijn om functionele elektronica te maken zonder minimaal anderhalf uur gebakken te worden, " zei Franklin. "Maar we hebben het niet alleen aan het werk gekregen, we hebben aangetoond dat het twee uur bakken na het afdrukken de prestaties niet verbetert. Het was zo goed als maar mogelijk was door ons volledig print-in-place proces te gebruiken."

Franklin ziet zijn printmethode niet in de plaats komen van grootschalige productieprocessen voor draagbare elektronica. Maar hij ziet wel een potentiële waarde voor toepassingen als rapid prototyping of situaties waarin one size niet voor iedereen geldt.

"Denk aan het maken van op maat gemaakte verbanden die elektronica bevatten zoals biosensoren, waar een verpleegster gewoon naar een werkplek kon lopen en kon intoetsen welke functies nodig waren voor een specifieke patiënt, "zei Franklin. "Dit is het type print-on-demand-capaciteit dat daaraan zou kunnen bijdragen."