Elektroingenjörer vid Duke University har tagit fram en helt print-in-place-teknik för elektronik som är skonsam nog att arbeta på ömtåliga ytor inklusive papper och mänsklig hud. Framstegen kan möjliggöra teknik som hög vidhäftning, inbäddade elektroniska tatueringar och bandage lurade ut med patientspecifika biosensorer.

Teknikerna beskrivs i en serie artiklar som publicerades online den 9 juli i tidskriften Nanoskala och den 3 oktober i tidningen ACS Nano .

"När människor hör termen "tryckt elektronik, ' förväntningen är att en person laddar ett substrat och designen för en elektronisk krets i en skrivare och, någon rimlig tid senare, tar bort en fullt fungerande elektronisk krets, sa Aaron Franklin, James L. och Elizabeth M. Vincent docent i elektroteknik och datateknik vid Duke.

"Under åren har det funnits en mängd forskningsartiklar som lovar den här typen av "helt tryckt elektronik", ' men verkligheten är att processen faktiskt innebär att man tar ut provet flera gånger för att baka det, tvätta den eller centrifugera material på den, " sa Franklin. "Vår är den första där verkligheten matchar allmänhetens uppfattning."

Konceptet med så kallade elektroniska tatueringar utvecklades först i slutet av 2000-talet vid University of Illinois av John A. Rogers, som nu är Louis Simpson och Kimberly Querrey professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern University. Istället för en äkta tatuering som injiceras permanent i huden, Rogers elektroniska tatueringar är tunna, flexibla fläckar av gummi som innehåller lika flexibla elektriska komponenter.

Den tunna filmen fastnar på huden ungefär som en tillfällig tatuering, och tidiga versioner av den flexibla elektroniken gjordes för att innehålla hjärt- och hjärnaktivitetsmonitorer och muskelstimulatorer. Även om dessa typer av enheter är på väg till kommersialisering och storskalig tillverkning, det finns några arenor där de inte är väl lämpade, som när direkt modifiering av en yta genom att lägga till anpassad elektronik behövs.

"För att direkt eller additiv utskrift någonsin verkligen ska vara användbart, du kommer att behöva kunna skriva ut hela det du skriver ut i ett steg, ", sa Franklin. "Några av de mer exotiska applikationerna inkluderar intimt anslutna elektroniska tatueringar som kan användas för biologisk märkning eller unika detektionsmekanismer, snabb prototypning för on-the-fly anpassad elektronik, och pappersbaserad diagnostik som lätt kan integreras i skräddarsydda bandage."

I julitidningen, Franklins laboratorium och Benjamin Wileys laboratorium, professor i kemi vid Duke, utvecklat ett nytt bläck som innehåller silver nanotrådar som kan skrivas ut på vilket substrat som helst vid låga temperaturer med en aerosolskrivare. Det ger en tunn film som bibehåller sin konduktivitet utan ytterligare behandling. Efter att ha skrivits ut, bläcket är torrt på mindre än två minuter och behåller sin höga elektriska prestanda även efter att ha utstått en 50-procentig böjpåkänning mer än tusen gånger.

I en video som medföljer den första uppsatsen, doktoranden Nick Williams skriver ut två elektroniskt aktiva ledningar längs undersidan av sitt rosa finger. Mot slutet av hans finger, han ansluter ledningarna till ett litet LED -ljus. Han applicerar sedan en spänning på botten av de två tryckta ledningarna, vilket gör att lysdioden förblir tänd även när han böjer sig och flyttar fingret.

I det andra papperet, Franklin och doktorand Shiheng Lu tar det ledande bläcket ett steg längre och kombinerar det med två andra utskrivbara komponenter för att skapa funktionella transistorer. Skrivaren lägger först ner en halvledande remsa av kolnanorör. När det torkat, och utan att ta bort plast- eller papperssubstratet från skrivaren, två silver nanotrådar som sträcker sig flera centimeter från vardera sidan är tryckta. Ett icke-ledande dielektriskt lager av ett tvådimensionellt material, hexagonal bornitrid, skrivs sedan ut ovanpå den ursprungliga halvledarremsan, följt av en slutlig silver nanotrådsportelektrod.

Med dagens teknik, åtminstone ett av dessa steg skulle kräva att substratet tas bort för ytterligare bearbetning, som ett kemiskt bad för att skölja bort oönskat material, en härdningsprocess för att säkerställa att lager inte blandas, eller en förlängd bakning för att ta bort spår av organiskt material som kan störa elektriska fält.

Men Franklins print-in-place kräver inget av dessa steg och, trots att varje lager måste torka helt för att undvika blandning av material, kan slutföras vid den lägsta totala bearbetningstemperatur som hittills rapporterats.

"Ingen trodde att det aerosoliserade bläcket, särskilt för bornitrid, skulle leverera de egenskaper som behövs för att göra funktionell elektronik utan att bakas i minst en och en halv timme, " sa Franklin. "Men inte bara fick vi det att fungera, vi visade att bakning i två timmar efter utskrift inte förbättrar dess prestanda. Det var så bra som det kunde bli bara att använda vår fullständiga print-in-place-process."

Franklin ser inte att hans tryckmetod ersätter storskaliga tillverkningsprocesser för bärbar elektronik. Men han ser ett potentiellt värde för applikationer som snabb prototypering eller situationer där en storlek inte passar alla.

"Tänk på att skapa skräddarsydda bandage som innehåller elektronik som biosensorer, där en sjuksköterska bara kunde gå över till en arbetsstation och slå in vilka funktioner som behövdes för en specifik patient, "sa Franklin." Det här är den typ av utskrift-på-begäran som kan hjälpa till att driva det. "