Trykt elektronik åben vej for elektrificerede tatoveringer og personlige biosensorer

Elektriske ingeniører ved Duke University har udtænkt en helt print-in-place-teknik til elektronik, der er skånsom nok til at arbejde på sarte overflader, herunder papir og menneskelig hud. Fremskridtet kunne muliggøre teknologier såsom høj adhæsion, indlejrede elektroniske tatoveringer og bandager snydt med patientspecifikke biosensorer.

Teknikkerne er beskrevet i en række artikler offentliggjort online den 9. juli i tidsskriftet Nanoskala og den 3. oktober i journalen ACS Nano .

"Når folk hører udtrykket 'trykt elektronik, ' forventningen er, at en person indlæser et substrat og design til et elektronisk kredsløb i en printer og, nogen rimelig tid senere, fjerner et fuldt funktionelt elektronisk kredsløb, " sagde Aaron Franklin, James L. og Elizabeth M. Vincent lektor i elektro- og computerteknik ved Duke.

"I årenes løb har der været en række forskningsartikler, der lover denne slags 'fuldt trykt elektronik', ' men virkeligheden er, at processen faktisk involverer at tage prøven ud flere gange for at bage den, vask det eller spin-coat materialer på det, " sagde Franklin. "Vores er den første, hvor virkeligheden matcher offentlighedens opfattelse."

Konceptet med såkaldte elektroniske tatoveringer blev først udviklet i slutningen af ​​2000'erne ved University of Illinois af John A. Rogers, som nu er Louis Simpson og Kimberly Querrey professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern University. I stedet for en ægte tatovering, der sprøjtes permanent ind i huden, Rogers elektroniske tatoveringer er tynde, fleksible gummiplastre, der indeholder lige så fleksible elektriske komponenter.

Den tynde film klæber til huden ligesom en midlertidig tatovering, og tidlige versioner af den fleksible elektronik blev lavet til at indeholde hjerte- og hjerneaktivitetsmålere og muskelstimulatorer. Mens disse typer enheder er på vej til kommercialisering og storskalaproduktion, der er nogle arenaer, hvor de ikke er velegnede, som når direkte modifikation af en overflade ved at tilføje brugerdefineret elektronik er nødvendig.

"For at direkte eller additiv udskrivning nogensinde virkelig kan være nyttig, du bliver nødt til at kunne udskrive hele det, du udskriver i ét trin, " sagde Franklin. "Nogle af de mere eksotiske applikationer inkluderer intimt forbundne elektroniske tatoveringer, der kan bruges til biologisk tagging eller unikke detektionsmekanismer, hurtig prototyping til on-the-fly brugerdefineret elektronik, og papirbaseret diagnostik, der let kunne integreres i tilpassede bandager."

I juliavisen, Franklins laboratorium og Benjamin Wileys laboratorium, professor i kemi ved Duke, udviklet en ny blæk, der indeholder sølv nanotråde, der kan printes på ethvert underlag ved lave temperaturer med en aerosolprinter. Det giver en tynd film, der bevarer sin ledningsevne uden yderligere behandling. Efter at være blevet udskrevet, blækket er tørt på mindre end to minutter og bevarer sin høje elektriske ydeevne selv efter at have udholdt en 50 procents bøjebelastning mere end tusind gange.

I en video, der ledsager det første papir, kandidatstuderende Nick Williams udskriver to elektronisk aktive ledninger langs undersiden af ​​sin lillefinger. Mod enden af ​​hans finger, han forbinder ledningerne til et lille LED-lys. Han tilfører derefter en spænding til bunden af ​​de to trykte ledninger, hvilket får LED'en til at forblive tændt, selvom han bøjer og bevæger fingeren.

I det andet papir, Franklin og kandidatstuderende Shiheng Lu tager det ledende blæk et skridt videre og kombinerer det med to andre printbare komponenter for at skabe funktionelle transistorer. Printeren lægger først en halvledende strimmel af kulstof nanorør. Når det tørrer, og uden at fjerne plastik- eller papirsubstratet fra printeren, to sølv nanotrådsledninger, der strækker sig flere centimeter fra hver side, er trykt. Et ikke-ledende dielektrisk lag af et todimensionelt materiale, sekskantet bornitrid, er derefter trykt oven på den originale halvlederstrimmel, efterfulgt af en sidste sølv nanotrådsgateelektrode.

Med nutidens teknologier, mindst et af disse trin ville kræve, at substratet fjernes til yderligere behandling, såsom et kemisk bad til at skylle uønsket materiale væk, en hærdningsproces for at sikre, at lagene ikke blandes, eller en udvidet bage for at fjerne spor af organisk materiale, der kan forstyrre elektriske felter.

Men Franklins print-in-place kræver ingen af ​​disse trin og, på trods af behovet for at hvert lag skal tørre helt for at undgå at blande materialer, kan udføres ved den laveste samlede behandlingstemperatur, der er rapporteret til dato.

"Ingen troede på det aerosolbehandlede blæk, især for bornitrid, ville levere de egenskaber, der er nødvendige for at lave funktionel elektronik uden at blive bagt i mindst halvanden time, " sagde Franklin. "Men ikke kun fik vi det til at fungere, vi viste, at bagning af den i to timer efter udskrivning ikke forbedrer dens ydeevne. Det var så godt, som det kunne blive, bare ved at bruge vores fuldt print-på-sted-proces."

Franklin kan ikke se, at hans trykmetode erstatter storstilede fremstillingsprocesser for bærbar elektronik. Men han ser en potentiel værdi for applikationer som hurtig prototyping eller situationer, hvor én størrelse ikke passer til alle.

"Tænk på at lave skræddersyede bandager, der indeholder elektronik som biosensorer, hvor en sygeplejerske bare kunne gå hen til en arbejdsstation og slå ind, hvilke funktioner der var nødvendige for en specifik patient, " sagde Franklin. "Dette er den type print-on-demand-kapacitet, der kunne hjælpe med at drive det."