18/05/2016
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van het Leibniz-Institut für neue Materialien hebben organische en anorganische materialen gecombineerd in nieuwe hybride inkten. Hiermee kunnen elektrische circuits direct uit de pen op papier worden gebracht.
De elektronica van de toekomst wordt gedrukt. Met behulp van lagedruk processen kunnen flexibele circuits op papier of folie worden gemaakt en zijn futuristische ontwerpen met gebogen licht of invoerelementen. Hiervoor zijn bedrukbare elektronische materialen nodig die bij het productieproces niet beschadigd worden en ondanks gebogen oppervlakken tijdens gebruik een hoge geleiding blijven houden. Beproefde materialen zijn geleidende polymeren, nanodeeltjes van geleidende oxides of metalen deeltjes.
Onderzoekers van INM hebben de voordelen van organische en anorganische elektronische materialen gecombineerd in nieuwe hybride-inkten. Hiermee kunnen schakelingen bijvoorbeeld direct van de pen op papier worden aangebracht.
Hybride inkten
Voor de hybride-inkten hebben de onderzoekers nanodeeltjes uit metalen omhuld met organische geleidende polymeren en gesuspendeerd in een mengsel van water en alcohol. Deze suspensies kunnen direct met een pen op papier of folie worden aangebracht en drogen zonder dat de elektrische circuits verdere verwerking vereisen.
De ontwikkelaars combineren de organische polymeren met gouden of zilveren nanodeeltjes. De organische verbindingen vervullen daarin drie functies: Op de eerste plaats zorgen de verbindingen als liganden dat de nanodeeltjes in het vloeistofmengsel blijven zweven (een ligand is een molecuul of een ion dat een vrij elektronenpaar heeft). Samenklonteren van de deeltjes zou leiden tot storingen tijdens het afdrukken. Op de tweede plaats zorgen de organische liganden er voor dat de nanodeeltjes zich tijdens het drogen goed oriënteren.
Ten slotte werken de organische verbindingen als "scharnieren": als het materiaal wordt gedraaid, blijft de elektrische geleidbaarheid gehandhaafd. Als de metaaldeeltjes het zonder het polymeer zouden stellen, zou de elektrische geleidbaarheid tijdens het buigen snel verloren gaan. Door de combinatie van materialen is de elektrische geleidbaarheid tijdens het buigen daarom in het algemeen hoger dan bij een laag zuivere geleidend polymeer of een laag zuivere metaalnanodeeltjes.
In elektronica
Elektrisch geleidende polymeren worden al gebruikt in bijvoorbeeld OLED's, die ook op flexibele substraten kunnen worden aangebracht. Door de metalen nanodeeltjes te combineren met geleidende polymeren bieden de onderzoekers mechanische flexibiliteit met de robuustheid van een metaal en verhogen ze tegelijkertijd de elektrische geleidbaarheid.
Metaalnanodeeltjes met liganden worden nu ook al afgedrukt tot elektronische schakelingen. De omhulsels moeten echter meestal worden verwijderd door sinteren, omdat de polymeren de nanodeeltjes weliswaar sturen, maar niet geleidend zijn. Dat zou voor temperatuurgevoelige substraten zoals papier of polymeerfilms lastig worden, aangezien deze materialen tijdens sinteren schade zouden oplopen. De nieuwe hybride inkten zijn geleidend, mechanisch flexibel onmiddellijk na het drogen, zonder sinteren. (foto: INM)