Forskere gør vigtige fremskridt for at printe kredsløb på bærbare stoffer

Elektroniske skjorter, der holder brugeren behagelig varm eller kølig, såvel som medicinske stoffer, der leverer lægemidler, overvåge tilstanden af ​​et sår og udføre andre opgaver, kan en dag blive fremstillet mere effektivt takket være et vigtigt fremskridt fra Oregon State University-forskere.

Gennembruddet involverer inkjet-print og materialer med en krystalstruktur, der blev opdaget for næsten to århundreder siden. Resultatet er evnen til at anvende kredsløb, med præcision og ved lave forarbejdningstemperaturer, direkte på klud - en lovende potentiel løsning på den langvarige afvejning mellem ydeevne og fremstillingsomkostninger.

"Der er brugt mange kræfter på at integrere sensorer, skærme, strømkilder og logiske kredsløb i forskellige stoffer til fremstilling af bærbare, elektroniske tekstiler, " sagde Chih-Hung Chang, professor i kemiteknik ved Oregon State. "En forhindring er, at fremstilling af stive enheder på tøj, som har en overflade, der er både porøs og uensartet, er kedeligt og dyrt, kræver meget varme og energi, og er svær at skalere op. Og først sætte enhederne på noget solidt, og derefter lægge det faste underlag på stof, er også problematisk - det begrænser stoffets fleksibilitet og slidbarhed og kan også nødvendiggøre besværlige ændringer i selve stoffremstillingsprocessen."

Chang og samarbejdspartnere i OSU College of Engineering og på Rutgers University tacklede disse udfordringer ved at komme med en stabil, printbar blæk, baseret på binære metaliodidsalte, der termisk omdannes til en tæt forbindelse af cæsium, tin og jod.

Den resulterende film af Cs2SnI6 har en krystalstruktur, der gør den til en perovskit.

Perovskitter sporer deres rødder til en for længe siden opdagelse af en tysk mineralog. I Uralbjergene i 1839, Gustav Rose stødte på et oxid af calcium og titanium med en spændende krystalstruktur og navngav det til ære for den russiske adelsmand Lev Perovski.

Perovskite refererer nu til en række materialer, der deler krystalgitteret af originalen. Interessen for dem begyndte at accelerere i 2009, efter at en japansk videnskabsmand, Tsutomu Miyasaka, opdaget, at nogle perovskitter er effektive lysabsorbere. Materialer med en perovskitstruktur, der er baseret på et metal og et halogen, såsom jod, er halvledere, væsentlige komponenter i de fleste elektriske kredsløb.

Takket være perovskite-filmen, Changs team var i stand til at printe termistorer med negativ temperaturkoefficient direkte på vævet polyester ved temperaturer så lave som 120 grader Celsius - kun 20 grader højere end kogepunktet for vand.

En termistor er en type elektrisk komponent kendt som en modstand, som styrer mængden af ​​strøm, der kommer ind i et kredsløb. Termistorer er modstande, hvis modstand er temperaturafhængig, og denne forskning involverede negativ-temperatur-koefficient, eller NTC, termistorer - deres modstand falder, når temperaturen stiger.

"En ændring i modstand på grund af varme er generelt ikke en god ting i en standardmodstand, men effekten kan være nyttig i mange temperaturregistreringskredsløb, " sagde Chang. "NTC termistorer kan bruges i stort set alle typer udstyr, hvor temperaturen spiller en rolle. Selv små temperaturændringer kan forårsage store ændringer i deres modstand, hvilket gør dem ideelle til nøjagtig temperaturmåling og kontrol."

Forskningen, som omfattede Shujie Li og Alex Kosek fra OSU College of Engineering og Mohammad Naim Jahangir og Rajiv Malhotra fra Rutgers University, demonstrerer direkte fremstilling af højtydende NTC-termistorer på tekstiler ved halvdelen af ​​den temperatur, der bruges af nuværende avancerede producenter, sagde Chang.

"Ud over at det kræver mere energi, de højere temperaturer skaber kompatibilitetsproblemer med mange stoffer, " sagde han. "Simpelheden af ​​vores blæk, processens skalerbarhed og termistorydelsen er alle lovende for fremtiden for bærbare e-tekstiler."

Resultaterne blev offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .