Fremstilling af fleksibel elektronik med nanowire-netværk

En smartphone touchskærm er et imponerende stykke teknologi. Den viser information og reagerer på en brugers berøring. Men som mange ved, det er nemt at bryde nøgleelementer i det gennemsigtige, elektrisk ledende lag, der udgør selv den mest robuste stive berøringsskærm. Hvis fleksible smartphones, e-papir og en ny generation af smarte ure skal lykkes, de kan ikke bruge eksisterende touchscreen-teknologi.

Vi bliver nødt til at opfinde noget nyt – noget fleksibelt og holdbart, ud over at være klar, letvægts, elektrisk responsiv og billig. Mange forskere forfølger potentielle muligheder. Som kandidatforsker ved University of California, Riverside, Jeg er en del af en forskergruppe, der arbejder på at løse denne udfordring ved at væve mesh-lag ud af mikroskopiske metaltråde – opbygning af det, vi kalder metal-nanowire-netværk.

Disse kunne udgøre nøglekomponenter i nye displaysystemer; de kunne også gøre eksisterende smartphones touchskærme endnu hurtigere og nemmere at bruge.

Problemet med indiumtinoxid

En standard smartphone touchskærm har glas på ydersiden, oven på to lag ledende materiale kaldet indiumtinoxid. Disse lag er meget tynde, gennemsigtig for lys og leder små mængder elektrisk strøm. Displayet ligger nedenunder.

Når en person rører skærmen, trykket fra deres finger bøjer glasset meget let, skubbe de to lag af indiumtinoxid tættere sammen. I resistive berøringsskærme, der ændrer lagenes elektriske modstand; i kapacitive berøringsskærme, trykket skaber et elektrisk kredsløb.

Indiumtinoxid er meget ledende, få touchskærme til at reagere på en brugers berøring med lynhurtige hastigheder. Men det er også meget skørt, gør den uegnet til mere fleksible skærme. Ud over, der er ikke nok indium, hovedsagelig fremstillet ved raffinering af zink og blymalm, for at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel.

Potentielle udskiftninger

Enhver erstatning for indiumtinoxid skal være gennemsigtig – ellers det ville ikke være nogen mening at bruge det til en skærm. Det skal også lede elektricitet godt. Nogle potentielle erstatninger for dette indiumtinoxidlag omfatter kulstofnanorør, grafen og ledende polymerer

Men hver af dem har sine problemer. Carbon nanorør har normalt høj elektrisk modstand, når de kommer i kontakt med hinanden, så de fungerer ikke godt som masker.

Grafen ville være fremragende - det er meget ledende, fleksibel og gennemsigtig. Imidlertid, der er endnu ikke en proces i industriel skala til at producere nok grafen til at imødekomme efterspørgslen. Ledende polymerer er let støbt til forskellige former og ledende nok til at blive brugt i nogle solcelleanlæg og LED-baserede enheder, men deres tendens til at absorbere lys betyder, at de endnu ikke er gode nok til at blive brugt som en fuldt ud konkurrencedygtig erstatning for indiumtinoxid.

Udforskning af metal nanowire-netværk

En lovende erstatning for indiumtinoxid kunne være metal nanotrådsnetværk. De er lavet af individuelle sølv- eller kobbertråde, ti til hundredvis af nanometer i diameter, vævet sammen i et indbyrdes forbundet mesh. Det er gennemsigtigt på samme måde, som en skærmdør er – de enkelte tråde af nettet er så små, at de ikke skjuler det overordnede udsyn.

Sølv nanotråde kan fremstilles i opløsning ved en kemisk reaktion mellem sølvnitrat og ethylenglycol ved høj temperatur. Når opløsningen er spredt over bagsiden af ​​en berøringsskærm (lavet af et isolerende materiale som glas eller fleksibel plast), væsken tørrer, og nanotrådene danner forbindelser med hinanden, skabe masken.

At producere enheder med sølv nanotråde har flere fordele i forhold til den nuværende standard, indiumtinoxid. Sølv er 50 gange mere ledende og kan bruges i et bredere udvalg af enheder. Det forventes også at være billigere at lave sølv nanotrådenheder.

Andre fordele er indlysende, når man sammenligner fremstillingsmetoder. Indiumtinoxid påføres en berøringsskærms overflade i en industriel proces kaldet "sputtering, "som involverer effektiv fordampning af indiumtinoxidet, hvoraf nogle lander på touchskærmen. Men op mod 70 procent af materialet ender på sputterkammerets vægge og skal fjernes, før det kan genbruges. Og indiumtinoxid kan ikke påføres direkte på fleksible plastoverflader, fordi sputtering involverer meget varme, hvilket vil vride plastikken.

Derimod metal nanotråde er lavet i en opløsning i det fri og kan derefter sprøjtes på plader af fleksibelt materiale med en proces kaldet roll to roll coating. Denne proces har været brugt siden 1980'erne til at lave komponenter til solpaneler.

Resterende udfordringer

Ingen er helt klar til at bringe metal nanowire-netværk ind på smartphonemarkedet. Sølv og kobber korroderer, når de udsættes for luft; forskere, inklusive min laboratoriegruppe og mange andre, forsøger at finde måder at belægge dem med ledende polymerer eller endda andre metaller, at beskytte dem mod luften uden at ofre gennemsigtighed eller ledningsevne.

Og en anden udfordring, der er tilbage, er, hvordan man indlejrer metal nanotråde mellem fleksible plastikplader. Men en dag, måske ikke længe fra nu, vi vil være i stand til at samle al denne forskning i at skabe fuldt fungerende enheder ved hjælp af metal nanowire-netværk.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.