Forskare vid ETH Zürich har tillverkat genomskinliga elektroder för användning i pekskärmar med hjälp av en ny nanoprintprocess. De nya elektroderna är några av de mest transparenta och ledande som någonsin har utvecklats.

Från smartphones till operativa gränssnitt för biljettautomater och uttagsautomater, varje pekskärm vi använder kräver genomskinliga elektroder:Enhetens glasyta är belagd med ett knappt synligt mönster av ledande material. Det är på grund av detta som enheterna känner av om och var exakt ett finger rör vid ytan.

Forskare under ledning av Dimos Poulikakos, Professor i termodynamik, har nu använt 3D-utskriftsteknik för att skapa en ny typ av transparent elektrod, som har formen av ett rutnät av guld eller silver "nanoväggar" på en glasyta. Väggarna är så tunna att de knappt kan ses med blotta ögat. Det är första gången som forskare har skapat nanoväggar som dessa med hjälp av 3D-utskrift. De nya elektroderna har högre ledningsförmåga och är mer transparenta än de som är gjorda av indiumtennoxid, standardmaterialet som används i smartphones och surfplattor idag. Detta är en klar fördel:Ju mer genomskinliga elektroderna, desto bättre skärmkvalitet. Och ju mer ledande de är, desto snabbare och mer exakt fungerar pekskärmen.

Tredje dimensionen

"Indiumtennoxid används eftersom materialet har en relativt hög grad av transparens och tillverkningen av tunna lager har undersökts väl, men den är bara måttligt ledande, säger Patrik Rohner, en doktorand i Poulikakos team. För att producera fler ledande elektroder, ETH-forskarna valde guld och silver, som leder ström mycket bättre. Men eftersom dessa metaller inte är genomskinliga, forskarna var tvungna att använda sig av den tredje dimensionen. ETH-professor Poulikakos förklarar:"Om du vill uppnå både hög ledningsförmåga och transparens i ledningar gjorda av dessa metaller, du har en målkonflikt. När tvärsnittsarean av guld- och silvertrådar växer, konduktiviteten ökar, men nätets transparens minskar."

Lösningen var att använda metallväggar endast 80 till 500 nanometer tjocka, som är nästan osynliga när de ses uppifrån. Eftersom de är två till fyra gånger högre än de är breda, tvärsnittsarean, och därmed konduktiviteten, är tillräckligt hög.

Bläckstråleskrivare med litet skrivhuvud

Forskarna producerade dessa små metallväggar med en tryckprocess som kallas Nanodrip, som Poulikakos och hans kollegor utvecklade för tre år sedan. Dess grundläggande princip är en process som kallas elektrohydrodynamisk bläckstråleutskrift. I denna process använder forskare bläck gjorda av metallnanopartiklar i ett lösningsmedel; ett elektriskt fält drar ut ultrasmå droppar av det metalliska bläcket ur en glaskapillär. Lösningsmedlet avdunstar snabbt, gör att en tredimensionell struktur kan byggas upp droppe för droppe.

Det speciella med Nanodrip-processen är att de droppar som kommer ut ur glaskapillären är ungefär tio gånger mindre än själva öppningen. Detta gör att mycket mindre strukturer kan skrivas ut. "Föreställ dig en vattendroppe som hänger från en kran som är avstängd. Och föreställ dig nu att ytterligare en liten droppe hänger från denna droppe - vi skriver bara ut den lilla droppen, " förklarar Poulikakos. Forskarna lyckades skapa denna speciella form av droppe genom att perfekt balansera sammansättningen av metalliskt bläck och det använda elektromagnetiska fältet.

Kostnadseffektiv produktion

Nästa stora utmaning blir nu att uppskala metoden och utveckla tryckprocessen ytterligare så att den kan implementeras i industriell skala. För att uppnå detta, forskarna arbetar med kollegor från ETHs spin-off-företag Scrona.

De tvivlar inte på att när det väl har uppskalats, Tekniken kommer att ge en mängd fördelar jämfört med befintliga metoder. Särskilt, det kommer sannolikt att bli mer kostnadseffektivt, som Nanodrip-utskrift, till skillnad från produktionen av indiumtennoxidelektroder, kräver inte en renrumsmiljö. De nya elektroderna borde också vara mer lämpade för stora pekskärmar på grund av deras högre ledningsförmåga. Och slutligen är processen också den första som låter dig variera höjden på nanoväggarna direkt medan du skriver ut, säger ETH-doktoranden Rohner.

En annan möjlig framtida tillämpning kan vara i solceller, där det också krävs genomskinliga elektroder. Ju mer transparenta och ledande de är, ju mer el som kan utnyttjas. Och till sist, elektroderna skulle också kunna spela en roll i vidareutvecklingen av böjd display med OLED-teknik.