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#Neues aus der Industrie
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Neue graphenbasierte Tinten für die Hochgeschwindigkeitsfertigung von gedruckter Elektronik
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Ein kostengünstiges, schnelles Verfahren zum Drucken von Graphentinten mit einem konventionellen Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren, wie es zum Drucken von Zeitungen und knackigen Paketen verwendet wird, könnte ein breites Spektrum an praktischen Anwendungen eröffnen, darunter kostengünstige gedruckte Elektronik, intelligente Verpackungen und Einwegsensoren.
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Das von Forschern der University of Cambridge in Zusammenarbeit mit dem Technologieunternehmen Novalia aus Cambridge entwickelte Verfahren ermöglicht es, Graphen und andere elektrisch leitfähige Materialien zu konventionellen wasserbasierten Farben hinzuzufügen und mit typischen kommerziellen Geräten zu drucken, und zwar zum ersten Mal, wenn Graphen für den Druck auf einer großen kommerziellen Druckmaschine mit hoher Geschwindigkeit verwendet wird.
Graphen ist ein zweidimensionales Blatt aus Kohlenstoffatomen, das nur ein Atom dick ist. Seine Flexibilität, optische Transparenz und elektrische Leitfähigkeit machen ihn für ein breites Anwendungsspektrum einschließlich gedruckter Elektronik geeignet. Obwohl weltweit zahlreiche Laborprototypen demonstriert wurden, ist eine breite kommerzielle Nutzung von Graphen noch nicht realisiert.
"Wir freuen uns, die ersten zu sein, die Graphen-Tinten in die Nähe der realen Produktion bringen. Es gibt viele Unternehmen, die Graphentinten produziert haben, aber keines von ihnen hat es in einem ähnlichen Umfang getan", sagt Dr. Tawfique Hasan vom Cambridge Graphene Centre (CGC), der die Methode entwickelt hat. "Die Möglichkeit, leitfähige Druckfarben herzustellen, die mühelos mit sehr hoher Geschwindigkeit im kommerziellen Maßstab gedruckt werden können, wird eine Vielzahl von Anwendungen für Graphen und andere ähnliche Materialien eröffnen."
"Diese Methode wird es uns ermöglichen, elektronische Systeme in völlig unerwartete Formen zu bringen", sagte Chris Jones von Novalia. "Es ist eine unglaublich flexible Basistechnologie."
Hasans Methode, die am Nanowissenschaftszentrum der Universität entwickelt wurde, arbeitet durch Suspendieren winziger Graphenpartikel in einem "Träger"-Lösungsmittelgemisch, das leitfähigen wasserbasierten Tintenformulierungen zugesetzt wird. Das Verhältnis der Inhaltsstoffe kann eingestellt werden, um die Eigenschaften der Flüssigkeit zu steuern, so dass das Trägerlösungsmittel leicht in eine herkömmliche leitfähige wasserbasierte Tinte gemischt werden kann, um den Widerstand deutlich zu reduzieren. Das gleiche Verfahren funktioniert auch bei anderen Materialien als Graphen, einschließlich metallischer, halbleitender und isolierender Nanopartikel.
Derzeit verwenden gedruckte leitfähige Muster eine Kombination aus schlecht leitfähigem Kohlenstoff mit anderen Materialien, meist Silber, was teuer ist. Silberbasierte Tinten kosten £1000 oder mehr pro Kilogramm, während diese neue Graphen-Farbrezeptur 25-mal billiger wäre. Außerdem ist Silber nicht recycelbar, während Graphen und andere Kohlenstoffmaterialien leicht recycelt werden können. Das neue Verfahren verwendet kostengünstige, ungiftige und umweltfreundliche Lösungsmittel, die bei Raumtemperatur schnell getrocknet werden können, was die Energiekosten für die Farbhärtung reduziert. Nach dem Trocknen ist die "elektrische Tinte" ebenfalls wasserdicht und haftet sehr gut auf dem Substrat.
Die graphenbasierten Farben wurden mit einer Geschwindigkeit von mehr als 100 Metern pro Minute gedruckt, was der kommerziellen Produktionsrate für den Grafikdruck entspricht und weitaus schneller ist als bei früheren Prototypen. Vor zwei Jahren fertigten Hasan und seine Kollegen einen Prototyp eines transparenten und flexiblen Klaviers mit graphenbasierten Tinten, dessen Herstellung zwischen sechs und acht Stunden dauerte. Durch den Einsatz dieser neuen Tinte können vielseitigere Geräte auf Papier oder Kunststoff mit einer Geschwindigkeit von 300 pro Minute zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Novalia hat auch ein gedrucktes DJ-Deck und ein interaktives Poster produziert, das nach dem gleichen Verfahren als Drumkit funktioniert.
Die Hasan- und Doktoranden Guohua Hu, Richard Howe und Zongyin Yang von der Gruppe Hybrid Nanomaterials Engineering am CGC testeten das Verfahren in Zusammenarbeit mit Novalia auf einer typischen kommerziellen Druckmaschine, die keine Modifikationen benötigte, um mit der Graphentinte zu drucken. Neben den neuen Anwendungen, die sich das Verfahren für Graphen eröffnen wird, könnte es auch völlig neue Geschäftsmöglichkeiten für kommerzielle Grafikdrucker eröffnen, die sich in den Elektroniksektor ausbreiten könnten.
"Großbritannien und insbesondere der Raum Cambridge waren schon immer stark im Drucksektor, vor allem aber im Grafikdruck und in der Verpackung", sagte Hasan, Forschungsmitarbeiter der Royal Academy of Engineering und Universitätsdozent im Engineering Department. "Wir hoffen, diese starke lokale Expertise nutzen zu können, um unsere funktionale Tintenplattform zu erweitern. Diese Technologie eröffnet neben der kostengünstigeren druckbaren Elektronik auch potenzielle Anwendungsgebiete wie Smart Packaging und Einwegsensoren, die bisher aus Kostengründen weitgehend unzugänglich waren"
Kurz- bis mittelfristig wollen die Forscher mit ihrer Methode gedruckte Einweg-Biosensoren, Energy Harvesters und RFID-Tags herstellen.