NC State Forscher entwickeln Technik für 3D-Druck von Schaltkreisen auf gewellten Oberflächen

Forscher der North Carolina State University haben eine neue Technik für den direkten Druck elektronischer Schaltkreise auf gebogene und gewellte Oberflächen demonstriert. Die Arbeit ebnet den Weg für eine Vielzahl neuer weicher elektronischer Technologien. Die Forscher haben die Technik genutzt, um Prototypen “intelligenter” Kontaktlinsen, druckempfindlicher Latexhandschuhe und transparenter Elektroden herzustellen.

“Es gibt viele Techniken zur Herstellung gedruckter Elektronik aus verschiedenen Materialien, aber es gibt auch Einschränkungen”, sagt Yong Zhu, korrespondierender Autor eines Artikels über diese Arbeit.

Eine Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Techniken die Verwendung von polymeren Bindemitteln in der “Tinte” erfordern, die zum Drucken der Schaltkreise verwendet wird. Dies beeinträchtigt die Leitfähigkeit der Schaltkreise, so dass man einen zusätzlichen Schritt einbauen muss, um diese Bindemittel nach dem Druck zu entfernen.

“Eine zweite Herausforderung besteht darin, dass diese Drucktechniken in der Regel auf flachen Oberflächen gedruckt werden müssen, aber viele Anwendungen erfordern Oberflächen, die nicht flach sind”, sagt Zhu, der Andrew A. Adams Distinguished Professor of Mechanical and Aerospace Engineering an der NC State ist.

“Wir haben eine Technik entwickelt, die ohne Bindemittel auskommt und es uns ermöglicht, auf eine Vielzahl von gekrümmten Oberflächen zu drucken”, sagt Yuxuan Liu, Erstautor der Arbeit und Doktorand an der NC State. Außerdem können wir so die Schaltkreise als Gitterstrukturen mit gleichmäßiger Dicke drucken.”

Der erste Schritt bei der neuen Technik besteht darin, eine Schablone für die betreffende Anwendung zu erstellen, die ein bestimmtes Muster von mikroskopisch kleinen Rillen enthält. Die Vorlage wird dann verwendet, um dieses Muster in einem dünnen elastischen Polymerfilm nachzubilden. Anschließend bringen die Forscher den dünnen Polymerfilm auf dem entsprechenden Substrat an, das flach oder gewölbt sein kann. Nun werden die winzigen Rillen im Polymer mit einer flüssigen Lösung gefüllt, die Silbernanodrähte enthält. Die Lösung wird bei Raumtemperatur getrocknet und hinterlässt Silbernanodrähte in einem weichen Material mit der gewünschten Form und dem gewünschten Schaltungsmuster.

Um die Technik zu demonstrieren, haben die Forscher drei Prototypen entwickelt, die das Konzept unter Beweis stellen. Einer davon war eine “intelligente” Kontaktlinse mit eingebauten Schaltkreisen, die zur Messung des Flüssigkeitsdrucks im Auge verwendet werden könnte – was für einige biomedizinische Anwendungen relevant ist. Einer war eine flexible, transparente Elektrode mit gitterförmig aufgedruckten Schaltkreisen, die in Solarzellen oder auf Touchpanels eingesetzt werden könnte. Bei der dritten handelt es sich um einen Latexhandschuh mit aufgedruckten Schaltkreisen, die als Drucksensoren dienen und für Anwendungen in der Robotik und an der Mensch-Maschine-Schnittstelle in Frage kommen.

“Wir sind der Meinung, dass sich diese Entwicklung in Bezug auf die Herstellung recht einfach skalieren lässt”, sagt Zhu. “Wir sind offen für Gespräche mit Unternehmen, die daran interessiert sind, das Potenzial dieser Technik zu erforschen.

Die Arbeit “Curvilinear Soft Electronics by Micromolding of Metal Nanowires in Capillaries” (Gekrümmte weiche Elektronik durch Mikroformung von Metallnanodrähten in Kapillaren) wurde in der Open-Access-Zeitschrift Science Advances veröffentlicht. Die Arbeit wurde von Brendan O’Connor, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State University, Jingyan Dong, Professor am Edward P. Fitts Department of Industrial and Systems Engineering der NC State University, und Michael Zheng, Student an der NC State University, verfasst.

Die Arbeit wurde mit Unterstützung der National Science Foundation unter den Zuschüssen 1728370 und 2134664 durchgeführt.

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