低成本可印刷电子产品制造

需要用于制造可印刷电子和生物传感器芯片的低成本和环保工艺迅速增长。美国宇航局已经开发了一种独特的方法,可实现大气压等离子体的制造可打印电子产品和功能涂层的方法。该系统涉及气溶胶辅助辅助室温印刷,其中将承载所需材料的气溶胶引入在大气压下操作的冷等离子体射流中。

麻省理工学院的研究人员用碳纳米管制造了一种印章,可以将电子墨水打印在刚性和柔性表面上。(Sanha Kim和Dhanushkodi Mariappan)

沉积是含有前驱体材料的气溶胶与含有原生气体的大气压等离子体相互作用的结果。气溶胶辅助等离子体沉积是一种高通量和方便的印刷和图案工艺,易于扩展为工业生产。多种射流可用于沉积不同的材料,该方法可适用于各种平台。

该系统的商业应用包括生物医学技术,消费电子,电子纸,安全和通信。

使用纳米管的“冲压”电子产品

爱荷华州研究人员Suprem Das(左)和Jonathan Claussen正在使用激光处理打印的石墨烯电子产品,比如那些打印在纸上的电子产品。(克里斯托弗•甘农)

想象一下,食物包装显示数字警告,即食物即将破坏,或者您房屋中的窗户,基于外部温度和湿度水平的测量显示天气预报。

麻省理工学院的工程师发明了一种快速,精确的印刷过程,可以实现这些电子表面。该团队开发出由碳纳米管制成的印章,可以将电子油墨印刷到刚性和柔性的表面上。该过程应该能够打印足够小的晶体管,以控制高分辨率显示器和触摸屏中的各个像素。该过程还可提供制造其他电子表面的相对便宜,快速的方式。

因为像喷墨打印这样的技术很难在非常小的尺度上控制,它们往往会产生“咖啡环”图案,墨水会溢出边界,或者不均匀的打印会导致电路不完整。这项新技术使用了一个纳米多孔印章,允许纳米颗粒溶液,或“墨水”,均匀地流过印章,并在任何要打印的表面上流动。

碳纳米管在硅表面以各种形式生长,包括蜂窝状六边形和花形设计。纳米管被涂上一层薄的聚合物层,以确保墨水能穿透纳米管,并且墨水盖章后纳米管不会收缩。然后在邮票上注入少量电子墨水,其中含有纳米颗粒,如银、氧化锌或半导体量子点。

打印精确的关键,高符选择图案的压力量施加到墨水上的压力。开发了一种模型,以预测将墨水层的均匀层印在基板上,以及油墨中纳米颗粒的浓度。在冲压墨水模式之后各种设计,团队测试了印刷图案的电导率。在冲压后加热设计后,印刷图案是高导电的,并且可以用作高性能透明电极。展望未来,团队计划追求完全印刷电子产品的可能性。

用激光器处理的印刷石墨烯使纸质电子产品能够

打印在T恤的套筒上的自愈电路与LED灯和硬币电池连接。它在印刷电路和织物上都均切割,此时LED关闭。在几秒钟内,随着电路的两侧再次聚集并愈合自己,LED恢复。

石墨烯碳蜂窝状刚刚厚,电力和热量,具有强且稳定。最近使用喷墨打印机打印多层石墨烯电路和电极的项目导致了石墨烯,适用于灵活,可穿戴,低成本的电子产品。但是一旦印刷,必须处理石墨烯以改善电导率和装置性能,这通常意味着可以降解柔性或一次性印刷表面,例如塑料薄膜甚至纸张的高温或化学物质。

爱荷华州立大学研究人员开发了一种使用激光来治疗石墨烯的方法。通过用脉冲激光工艺处理喷墨印刷的多层石墨烯电路和电极,改善了导电性而不会损坏纸,聚合物或其他易碎的印刷表面。

喷墨印刷的石墨烯被转化成能够用于新应用的导电材料,例如具有生物用途的传感器,能量存储系统,电导元件和纸质电子器件。

工程师开发了计算机控制的激光技术,可选择地照射喷墨印刷的石墨烯氧化物。处理除去油墨粘合剂并将石墨烯氧化物减少到石墨烯,在数百万微小的石墨烯薄片上物理地缝合在一起。该过程更好地使电导率达到一千倍。局部激光处理还将印刷石墨烯的形状和结构从平坦的表面改变为一个凸起的3D纳米结构,其类似于从表面上升的微小花瓣。粗糙和脊结构增加了石墨烯的电化学反应性,使其可用于化学和生物传感器。

这项工作为创造低成本和一次性石墨烯基电化学电极铺平了道路,应用于传感器、生物传感器、燃料电池和医疗设备。

用磁性墨水“印刷”电子设备

加州大学圣地亚哥分校(UCSD)的工程师开发了一种磁性墨水,可用于制造自修复电池、电化学传感器和可穿戴的纺织品电路。这种墨水是由微粒组成的,在磁场的作用下,微粒可以通过磁性相互吸引,使用这种墨水打印的设备能够自我修复。这种设备可以修复宽达3毫米的裂缝。

现有的自愈材料需要一个外部触发器来启动愈合过程。他们也需要几分钟到几天的时间去工作。新系统不需要外部催化剂工作,损坏在0.05秒内修复。

墨水用于打印电池,电化学传感器和可穿戴的纺织品电路。然后通过切割它们并将其拉开,使设备损坏,以产生越来越宽的间隙。该装置仍然愈合并恢复其功能,同时失去最小的电导率。

在T恤的套筒上印刷自愈电路,并与LED灯和硬币电池连接。它印刷的电路和织物均均切割。此时,LED关闭了。在几秒钟内,随着电路的两侧再次聚集在一起并愈合,恢复电导率,LED开始回转。在未来,工程师设想用不同成分制作不同的墨水,适用于各种应用。

资源

www.nasa.gov/centers/ames.

www.nwazel.com/tv/magnetic_ink.

http://news.mit.edu

http://www.news.iaState.edu/news.


美国宇航局科技简报杂志

本文首先出现在2017年2月的问题美国宇航局技术简报杂志。

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