3D-gedruckte elastische Leiter für dehnbare Elektronik

11. Mai 2023 feature

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korrekturgelesen von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Die dreidimensionale (3D-) Drucktechnologie hat in den letzten Jahren immer fortschrittlichere Entwicklungen erfahren und wurde erfolgreich eingesetzt, um unzählige Gegenstände wie Spielzeug, Möbel und elektronische Bauteile herzustellen. Da die Ausrüstung für den 3D-Druck jedoch erschwinglicher wird, könnte sie auch zur Herstellung weicher elektronischer Komponenten für tragbare Geräte verwendet werden.

Bisher wurde 3D-Druck jedoch selten erfolgreich zur Produktion komplexer und flexibler Elektronik eingesetzt. Ein Grund dafür ist, dass es schwierig ist, Festkörpereigenschaften von elastischen Materialien zu drucken, die Strom leiten können, mit den vorhandenen Tinten.

Wissenschaftler des Korea Institute of Science and Technology zeigten kürzlich in einer Publikation in Nature Electronics, dass 3D-Druck zur Herstellung elastischer Komponenten, die Strom leiten können, erfolgreich eingesetzt werden kann. Ihre vorgeschlagene Druckstrategie könnte potenziell den Weg für den großflächigen Druck von multifunktionalen und dehnbaren Komponenten für tragbare Geräte ebnen.

Die erfolgreiche Umsetzung der Druckmethode für elastische Leiter war großteils ermöglicht durch eine von ihnen entwickelte Emulsions-basierte Composite-Tinte. Diese spezielle Tinte besteht aus flüssigen Komponenten, die in einem leitfähigen Elastomer, einem gummiartigen Material, das Strom leitet, eingebettet sind.

"Das Drucken von Festkörper-elastischen Leitern mit dreidimensionalen Geometrien ist eine Herausforderung, da die rheologischen Eigenschaften der vorhandenen Tinten normalerweise nur die schichtweise Ablagerung ermöglichen", schrieben Byeongmoon Lee, Hyunjoo Cho und ihre Kollegen in ihrer Publikation. "Wir zeigen, dass ein Emulsionssystem, das aus einem leitfähigen Elastomer, einem unvermischbaren Lösungsmittel und einem Emulgiermittel besteht, für den omnidirektionalen Druck von elastischen Leitern verwendet werden kann. Die viskoelastischen Eigenschaften des Composites bieten strukturelle Integrität für die gedruckten Merkmale - die freistehende, fadenförmige und außerplanmäßige dreidimensionale Geometrien direkt aufgeschrieben werden können - und pseudo-plastische und schmierungsverhalten, das Druckstabilität bietet und Düsenverstopfung verhindert."

Die von den Forschern verwendete Composite-Tinte hat zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu anderen Tinten, die üblicherweise beim 3D-Druck verwendet werden. Insbesondere zeigt sie viskoelastische, scher-dünnende und schmierende Eigenschaften, die den Druck komplexer dreidimensionaler Strukturen unterstützen.

"Gedruckte Strukturen des intrinsisch dehnbaren Leiters weisen eine minimale Merkmalsgröße von weniger als 100 Mikrometer auf und sind bis zu mehr als 150% dehnbar", schrieben Lee, Cho und ihre Kollegen in ihrer Veröffentlichung. "Die Verdampfung der dispergierten Lösungsmittelphase in der Emulsion führt zur Bildung von mikrostrukturierten, oberflächen-lokalisierten leitfähigen Netzwerken, die die elektrische Leitfähigkeit verbessern."

Um das Potenzial ihres 3D-Druck-Ansatzes und der von ihnen entworfenen Emulsions-Tinte zu demonstrieren, druckten die Forscher elastische Verbindungen, die sie dann zur Herstellung eines tragbaren Temperatursensors mit einem dehnbaren Display verwendeten. Dieses Gerät funktionierte gut, und dieselbe Methode könnte bald auch zur Herstellung verschiedener anderer dehnbarer und leitender Komponenten eingesetzt werden.

In ihrer Veröffentlichung betonten Lee, Cho und ihre Kollegen die Möglichkeit, ihren Ansatz mit 3D-Scantechnologien zu kombinieren, um weiche Elektronik herzustellen, die perfekt auf die Form des menschlichen Körpers abgestimmt ist und somit für den Benutzer angenehmer zu tragen ist. Darüber hinaus könnte die von ihnen entwickelte Tinte die Schaffung anderer Emulsions-basierter Tinten inspirieren, die ähnlich funktionieren, aber auf unterschiedlichen Zusammensetzungen und Elastomeren basieren.

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