Nyt grafenbaseret blæk til højhastighedsfremstilling af trykt elektronik

En lavpris, højhastighedsmetode til udskrivning af grafenblæk ved hjælp af en konventionel rulle-til-rulle printproces, som det der bruges til at trykke aviser og sprøde pakker, kunne åbne op for en bred vifte af praktiske anvendelser, inklusive billig trykt elektronik, intelligent emballage og engangssensorer.

Udviklet af forskere ved University of Cambridge i samarbejde med Cambridge-baserede teknologivirksomhed Novalia, metoden gør det muligt at tilsætte grafen og andre elektrisk ledende materialer til konventionel vandbaseret blæk og udskrive med typisk kommercielt udstyr, første gang, at grafen er blevet brugt til at trykke på en storstilet kommerciel trykkemaskine ved høj hastighed.

Grafen er et todimensionelt ark af kulstofatomer, kun et atom tykt. Dens fleksibilitet, optisk gennemsigtighed og elektrisk ledningsevne gør den velegnet til en bred vifte af applikationer, herunder trykt elektronik. Selvom adskillige laboratorieprototyper er blevet demonstreret rundt om i verden, udbredt kommerciel brug af grafen er endnu ikke realiseret.

"Vi er glade for at være de første til at bringe grafenblæk tæt på den virkelige verden. Der er masser af virksomheder, der har produceret grafenblæk, men ingen af ​​dem har gjort det i en skala tæt på dette, " sagde Dr. Tawfique Hasan fra Cambridge Graphene Center (CGC), der har udviklet metoden. "At være i stand til at producere ledende blæk, der uden besvær kan bruges til udskrivning i kommerciel skala ved en meget høj hastighed, vil åbne op for alle mulige forskellige applikationer for grafen og andre lignende materialer."

"Denne metode vil give os mulighed for at sætte elektroniske systemer i helt uventede former, " sagde Chris Jones fra Novalia. "Det er en utrolig fleksibel muliggørende teknologi."

Hasans metode, udviklet på Universitetets Nanoscience Center, virker ved at suspendere små partikler af grafen i en 'bærer' opløsningsmiddelblanding, som tilsættes ledende vandbaserede blækformuleringer. Forholdet mellem ingredienserne kan justeres for at kontrollere væskens egenskaber, gør det muligt at blande bæreropløsningsmidlet let i en konventionel ledende vandbaseret blæk for at reducere modstanden betydeligt. Den samme metode fungerer for andre materialer end grafen, herunder metallisk, halvledende og isolerende nanopartikler.

I øjeblikket, trykte ledende mønstre bruger en kombination af dårligt ledende kulstof med andre materialer, oftest sølv, hvilket er dyrt. Sølvbaseret blæk koster £1000 eller mere per kilogram, hvorimod denne nye grafenblækformulering ville være 25 gange billigere. Derudover sølv kan ikke genbruges, mens grafen og andre kulstofmaterialer nemt kan genbruges. Den nye metode bruger billige, ikke-giftige og miljøvenlige opløsningsmidler, der kan tørres hurtigt ved stuetemperatur, reducere energiomkostningerne til blækhærdning. Når det er tørt, det 'elektriske blæk' er også vandtæt og klæber ekstremt godt til underlaget.

De grafen-baserede blæk er blevet trykt med en hastighed på mere end 100 meter i minuttet, som er på linje med kommerciel produktionshastighed for grafisk trykning, og langt hurtigere end tidligere prototyper. To år siden, Hasan og hans kolleger producerede en prototype af et gennemsigtigt og fleksibelt klaver ved hjælp af grafenbaseret blæk, som tog mellem seks og otte timer at lave. Ved at bruge denne nye blæk, mere alsidige enheder på papir eller plast kan fremstilles med en hastighed på 300 pr. minut, til en meget lav pris. Novalia har også produceret et trykt DJ-dæk og en interaktiv plakat, der fungerer som et trommesæt ved hjælp af samme metode.

Hasan og ph.d.-studerende Guohua Hu, Richard Howe og Zongyin Yang fra Hybrid Nanomaterials Engineering-gruppen på CGC, i samarbejde med Novalia, testet metoden på en typisk kommerciel trykpresse, som ikke krævede ændringer for at udskrive med grafenblæk. Ud over de nye applikationer vil metoden åbne op for grafen, det kunne også initiere helt nye forretningsmuligheder for kommercielle grafiske printere, som kunne diversificere til elektroniksektoren.

"England, og Cambridge-området i særdeleshed, har altid været stærk i trykkerisektoren, men mest til grafisk udskrivning og emballering, " sagde Hasan, en Royal Academy of Engineering Research Fellow og en universitetslektor i Ingeniørafdelingen. "Vi håber at bruge denne stærke lokale ekspertise til at udvide vores funktionelle blækplatform. Ud over billigere printbar elektronik, denne teknologi åbner op for potentielle anvendelsesområder såsom smart emballage og engangssensorer, som til dato stort set har været utilgængelige på grund af omkostninger."

På kort til mellemlang sigt, forskerne håber at kunne bruge deres metode til at lave trykte, engangs biosensorer, energihøstere og RFID-tags.