Ein Team von Forschern der North Carolina State Universität (NC State) hat eine Methode entwickelt, um flexible, dehnbare Elektronik zu schaffen, die durch direktes Drucken von Metallschaltkreisen selbstheilend sein kann.

Die Technik ist anwendbar mit existierenden Herstellungssystemen, die direkte Drucktechnologien erfordern, und kann mit mehreren Metallen und Substraten verwendet werden.

Der Artikel „Elektrohydrodynamischer Druck (EHD) von Metallschmelztinte für flexible und dehnbare Leiter mit Selbstheilungsvermögen“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Materialtechnologien.

Der führende Autor der Studie ist Yiwei Han, ein Ph.D. Student bei NC State.

"Herkömmliche Druckverfahren für flexible Elektronik haben viele Einschränkungen hinsichtlich der Materialkosten, der Leitfähigkeit der gedruckten Merkmale und der Druckauflösung." Jingyan Dong, außerordentlicher Professor am Edward P. Fitts Department of Industrial & Systems Engineering von NC State und entsprechender Autor des Papiers. "In dieser Studie haben wir einen EHD-Druckansatz untersucht, um einen hochauflösenden Druck von Metalllegierungen für die kostengünstige direkte Herstellung von Metallleitern zu erreichen."

Der kostengünstige Ansatz der Forscher sollte eine effiziente Möglichkeit bieten, hochauflösende Schaltungen herzustellen, die in kommerzielle Geräte implementiert werden könnten, sagte Dong in einem Aussage.

Während herkömmliche EHD-Drucktechniken Tinte verwenden, werden beim neuen Ansatz des Teams geschmolzene Metalllegierungen verwendet, die bei Temperaturen von nur 60 Grad Celsius schmelzen können. In ihrer Studie demonstrierten die Forscher ihre Technik, indem sie drei verschiedene Metalllegierungen direkt auf vier Substrate druckten. Ein Substrat bestand aus Glas, eines aus Papier und zwei aus dehnbaren Polymeren.

„Mit den EHD-gedruckten metallischen Leitern im Mikromaßstab lassen sich vielversprechende Leiterbahnen mit metallischer Leitfähigkeit und hervorragender Flexibilität und Dehnbarkeit herstellen“, so Dong.

Nachdem die Widerstandsfähigkeit der Schaltkreise auf einem Polymersubstrat durch 1,000-Mal-Biegung getestet worden war, fanden die Forscher heraus, dass ihre Leitfähigkeit nicht beeinträchtigt war. Sie prüften weiter die Elastizität der Schaltungen, indem sie sie auf 70 prozentuale Zugspannung dehnten, und die Schaltungen erwiesen sich immer noch als elektrisch stabil.

Vor allem, wenn die Schaltungen beschädigt wurden, entdeckten die Forscher, dass die Schaltungen selbstheilend sind.

"Aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts der Metalllegierungstinte können die gedruckten Metallschaltungen nach einem Ausfall einfach durch Erhitzen der Vorrichtung über die eutektische Temperatur der Metalltinte wiederhergestellt werden, damit das Metall wieder zusammenfließt", sagte Dong.

"Mit ihrer hervorragenden Leitfähigkeit, Dehnbarkeit, Selbstheilungsfähigkeit und ihren hochauflösenden Direktschreibfähigkeiten können die metallischen Leiter mit EHD-Druck in zahlreichen Anwendungen in dehnbarer Elektronik, tragbaren Sensoren und Kommunikationsgeräten eingesetzt werden", sagte er.

Mit ihrer Technik entwickelten die Forscher einen hochdichten Berührungssensor, der ein 400-Pixel-Array auf einen Quadratzentimeter aufsetzen kann.

„Berührungssensoren oder Touchscreens werden wichtige Eingabegeräte oder Sensoren für viele hochmoderne Elektronikgeräte“, sagte Dong. "Mit der Fähigkeit zur hochauflösenden direkten Strukturierung beim EHD-Druck kann ein hochauflösendes und dichtes Berührungssensor-Array hergestellt werden, das eine viel bessere Abtastauflösung als herkömmliche Druckverfahren bietet."

Die Forscher planen nun, die Möglichkeiten des Metalldrucks in Anwendungen mit dehnbarer Elektronik, tragbaren Sensoren und Kommunikationsgeräten zu bestimmen.