Ein Verfahren, das siebdruckfähige Verbundwerkstoffe und Metalltinten kombiniert, könnte die Herstellung faltbarer Elektronik in industriellem Maßstab einfacher und billiger machen. Diese an der KAUST entwickelten Geräte können auf verschiedenen Trägern montiert werden, auch auf nicht ebenen Oberflächen, und könnten viele Anwendungen des Internets der Dinge ermöglichen. Die Arbeit "All Screen-Printed, Polymer-Nanowire Based Foldable Electronics for mm-Wave Applications" wurde in Advanced Materials Technologies veröffentlicht.
Technologien der nächsten Generation, wie z. B. Fahrzeugradare für selbstfahrende Autos, intelligente Gebäude und am Körper tragbare Sensoren, werden immer stärker vom Hochfrequenz-Millimeterwellenband abhängen, einschließlich 5G. Bislang konzentrierten sich großtechnische Fertigungsansätze für faltbare Elektronik auf die Entwicklung von Metalltinten und den Druck von leitfähigen Mustern und vernachlässigten dielektrische Substrate.
Der Verwendung von Substraten wie Papier und einigen Polymerfolien in der faltbaren Elektronik steht eine Reihe von Hindernissen entgegen. Diese Substrate erfordern Herstellungsverfahren, die für die Massenproduktion zu einschränkend und komplex sind, und können keine mehrschichtigen oder ultradünnen flexiblen Geräte herstellen. Außerdem haben sie einen dielektrischen Verlust, der die Anforderungen für Millimeterwellengeräte übersteigt.
Atif Shamim und seine Mitarbeiter haben nun eine Komposit-Tinte entwickelt, die aus keramischen Partikeln besteht, die in dem Polymer Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) verteilt sind. Sie verwendeten diese neue Tinte, um extrem flexible, großflächige dielektrische Substrate mit einstellbaren lateralen Abmessungen, Dicken und Permittivitäten herzustellen. Sie druckten die Tinte im Siebdruckverfahren auf Glas und zogen die Substrate nach dem Trocknen einfach von der Unterlage ab. Die Substrate wiesen eine Mindestdicke von einigen Mikrometern auf, die durch aufeinanderfolgende Druckvorgänge erhöht werden konnte. Außerdem wiesen sie einen geringen dielektrischen Verlust bei 28 Gigahertz auf, was für 5G-Antennen geeignet ist.
Die Forscher druckten eine Tinte auf Basis von Silbernanodrähten im Siebdruckverfahren auf die dielektrischen Substrate, um leitfähige Muster zu erzeugen. Die gemusterten Filme behielten ihre hohe und stabile elektrische Leistung bei, wenn sie gerollt oder in der Hälfte gefaltet wurden - ein Ergebnis des in der Tinte enthaltenen Polymerbindemittels. Darüber hinaus behielten sie ihre Leistung bei, wenn sie in eine vierschichtige Schaltung eingebaut wurden, die aus abwechselnd mit Metallmustern versehenen und dielektrischen Schichten bestand. Dies deutet darauf hin, dass die siebdruckfähigen Tinten in mehrschichtigen Strukturen verwendet werden können, z. B. in mehrschichtigen Leiterplatten und Autoradaren.
Zum Nachweis des Konzepts druckten die Forscher eine flexible Quasi-Yagi-Antenne auf ein dielektrisches Substrat, um zu zeigen, dass das Gerät im Millimeterwellenbereich gut funktioniert, wenn es gebogen oder gefaltet wird. "Unser Ansatz wird für neuartige 5G-Antennen von Nutzen sein und die Implementierung von 5G beschleunigen", sagt Weiwei Li, Postdoc. Das Team erforscht nun mögliche Anwendungen ihres Ansatzes für andere elektronische Geräte. Li sagt, dass beide Tinten mit der Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung kompatibel sind, was dazu beitragen kann, die hohe Nachfrage nach tragbaren Sensoren zu niedrigen Kosten zu decken. "Wir gehen davon aus, dass die Herstellungskosten so niedrig sein werden, dass die Geräte zu Wegwerfprodukten werden", sagt Shamim.
Weitere Informationen finden Sie unter: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100525
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