低成本印刷电子制造

制造可打印电子和生物传感器芯片的低成本和环保工艺的需求正在迅速增长。美国宇航局已经开发了一种独特的方法,以大气压力等离子体为基础的工艺来制造可打印电子和功能涂层。该系统涉及到气溶胶辅助,室温打印,其中气溶胶携带所需的材料沉积被引入一个冷等离子喷射操作在大气压力。

麻省理工学院研究人员用碳纳米管制成的印章,该碳纳米管将电子油墨印在刚性和柔性的表面上。(Sanha Kim和Dhanushkodi Mariappan)

沉积是气溶胶与含有初级气体的大气压等离子体的气溶胶相互作用的结果。气溶胶辅助等离子体沉积是一种高通量和适合的印刷和图案化工艺,可容易地扩展工业生产。多个喷射可用于沉积不同的材料,并且该方法可以适应各种平台。

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

爱荷华州州立研究人员Suprem Das(左)和Jonathan Claussen正在使用激光来处理印刷石墨烯电子产品,例如印刷在一张纸上的那些。(Christopher Gannon)

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(MIT)的工程师发明了一种快速、精确的印刷工艺,可以让这些电子表面成为可能。该团队开发了一种由碳纳米管制成的印章,可以在刚性和柔性表面上打印电子墨水。该工艺应该能够打印出足够小的晶体管,以控制高分辨率显示器和触摸屏上的单个像素。该工艺还可以提供一种相对廉价、快速的方法来制造其他电子表面。

因为喷墨印刷等技术在非常小的尺度上难以控制,所以它们倾向于产生“咖啡环”图案,其中墨水溢出在边界上,或者可以导致电路不完全的不均匀的印刷品。新技术使用纳米多孔标记,允许纳米颗粒或“墨水”的溶液通过印模均匀地流动并达到要印刷的任何表面上。

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。

印刷精确、高分辨率图案的关键在于印墨时施加的压力。研究人员开发了一个模型来预测将一层均匀的墨水印在基材上所需要的力,以及墨水中纳米颗粒的浓度。在对各种设计的油墨图案进行冲压后,该团队测试了印刷图案的导电性。冲压后的图案经过加热,具有较高的导电性,可以作为高性能的透明电极。展望未来,该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

印在t恤袖子上的自愈电路与LED灯和硬币电池连接。印刷它的电路和织物都被切断了,此时LED关闭。几秒钟之内,LED就重新打开了,因为电路的两边再次会合并自我愈合。

石墨烯碳蜂窝只有一个原子厚,导电和导热,坚固和稳定。最近的一些项目使用喷墨打印机打印多层石墨烯电路和电极,使得石墨烯被用于柔性、可穿戴、低成本的电子产品。但一旦打印出来,石墨烯必须经过处理以提高导电性和器件性能,这通常意味着高温或化学物质会降解柔性或一次性打印表面,如塑料薄膜甚至纸张。

爱荷华州立大学的研究人员开发了一种用激光处理石墨烯的方法。通过使用脉冲激光处理喷墨打印的多层石墨烯电路和电极,在不损害纸张、聚合物或其他脆弱的印刷表面的情况下提高了导电性。

喷墨打印的石墨烯被转化为导电材料,可用于新的应用领域,如生物传感器、能源存储系统、导电元件和基于纸张的电子产品。

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。

该工作为创建低成本和一次性石墨烯的电化学电化学,为包括传感器,生物传感器,燃料电池和医疗装置的应用铺平了道路。

用磁性油墨“印刷”的电子设备

加州大学圣地亚哥(UCSD)工程师开发了一种磁性墨水,可用于制造自愈的电池,电化学传感器和可穿戴的纺织品电路。墨水由磁场以一定结构定向的微粒,该磁场使撕裂的两侧彼此磁共吸引,导致用墨水印刷的装置来愈合。设备修复宽度为3毫米。

现有的自我修复材料需要外部触发器来踢愈合过程。他们还要在几分钟到几天工作之间的任何地方。新系统不需要外部催化剂来工作,并且在约0.05秒内修复损坏。

这种墨水被用来打印电池、电化学传感器和可穿戴的、基于纺织品的电路。然后,这些设备被切断并分开,造成越来越大的间隙,从而受损。尽管失去了最小的导电性,这些设备仍然可以自我愈合并恢复功能。

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。

阅读此问题的更多文章在这里

阅读更多来自档案馆的文章在这里