Barang Elektronik Cetak:Inovasi Fleksibel dan Berbiaya Rendah untuk Masa Depan
Fabrikasi Elektronik Berbiaya Rendah yang Dapat Dicetak
Kebutuhan akan proses berbiaya rendah dan ramah lingkungan untuk pembuatan barang elektronik dan chip biosensor yang dapat dicetak semakin berkembang pesat. NASA telah mengembangkan pendekatan unik untuk proses berbasis plasma bertekanan atmosfer untuk membuat perangkat elektronik yang dapat dicetak dan pelapis fungsional. Sistem ini melibatkan pencetakan suhu ruangan dengan bantuan aerosol, di mana aerosol yang membawa bahan yang diinginkan untuk pengendapan dimasukkan ke dalam jet plasma dingin yang dioperasikan pada tekanan atmosfer.
Peneliti MIT membuat stempel yang terbuat dari tabung nano karbon yang mencetak tinta elektronik pada permukaan yang kaku dan fleksibel. (Sanha Kim dan Dhanushkodi Mariappan)
Endapan tersebut merupakan hasil interaksi aerosol yang mengandung bahan prekursor dengan plasma bertekanan atmosfer yang mengandung gas primer. Deposisi plasma berbantuan aerosol adalah proses pencetakan dan pembuatan pola dengan hasil tinggi dan mudah serta mudah diskalakan untuk produksi industri. Beberapa jet dapat digunakan untuk menyimpan material yang berbeda, dan pendekatannya dapat disesuaikan dengan berbagai platform.
Aplikasi komersial untuk sistem ini mencakup teknologi biomedis, elektronik konsumen, e-paper, keamanan, dan komunikasi.
“Mencap” Barang Elektronik Menggunakan Nanotube
Peneliti Iowa State Suprem Das (kiri) dan Jonathan Claussen menggunakan laser untuk mengolah elektronik graphene yang dicetak seperti yang dicetak pada selembar kertas. (Christopher Gannon)
Bayangkan kemasan makanan yang menampilkan peringatan digital bahwa makanan akan rusak, atau jendela di rumah Anda yang menampilkan ramalan cuaca berdasarkan pengukuran suhu dan tingkat kelembapan di luar.
Insinyur di MIT menemukan proses pencetakan yang cepat dan tepat yang memungkinkan permukaan elektronik ini. Tim mengembangkan stempel yang terbuat dari tabung nano karbon yang dapat mencetak tinta elektronik pada permukaan yang kaku dan fleksibel. Proses tersebut harus mampu mencetak transistor yang cukup kecil untuk mengontrol piksel individual dalam tampilan resolusi tinggi dan layar sentuh. Proses ini juga dapat memberikan cara yang relatif murah dan cepat untuk memproduksi permukaan elektronik lainnya.
Karena teknik seperti pencetakan inkjet sulit dikendalikan pada skala yang sangat kecil, teknik ini cenderung menghasilkan pola “cincin kopi” di mana tinta tumpah melewati tepinya, atau cetakan tidak rata yang dapat menyebabkan sirkuit tidak lengkap. Teknik baru ini menggunakan stempel berpori nano yang memungkinkan larutan nanopartikel, atau “tinta”, mengalir secara merata melalui stempel dan ke permukaan apa pun yang akan dicetak.
Tabung nano karbon ditanam pada permukaan silikon dalam berbagai pola, termasuk segi enam seperti sarang lebah dan desain berbentuk bunga. Tabung nano dilapisi dengan lapisan polimer tipis untuk memastikan tinta menembus seluruh tabung nano, dan tabung nano tidak akan menyusut setelah tinta dicap. Stempel tersebut kemudian diisi dengan sejumlah kecil tinta elektronik yang mengandung nanopartikel seperti perak, seng oksida, atau titik kuantum semikonduktor.
Kunci untuk mencetak pola resolusi tinggi yang presisi adalah pada besarnya tekanan yang diberikan untuk mencap tinta. Sebuah model dikembangkan untuk memprediksi jumlah gaya yang diperlukan untuk mencap lapisan tinta secara merata pada substrat, dan konsentrasi nanopartikel dalam tinta. Setelah mencap pola tinta dari berbagai desain, tim menguji konduktivitas listrik pola cetakan tersebut. Setelah desain dipanaskan setelah dicap, pola cetakan menjadi sangat konduktif, dan dapat berfungsi sebagai elektroda transparan berkinerja tinggi. Kedepannya, tim berencana untuk mengejar kemungkinan elektronik yang dicetak sepenuhnya.
Grafena Cetak yang Diolah dengan Laser Memungkinkan Elektronika Kertas
Sirkuit penyembuhan diri yang tercetak di lengan kaos dihubungkan dengan lampu LED dan baterai koin. Sirkuit dan kain yang digunakan untuk mencetak keduanya terpotong, dan pada saat itu LED mati. Dalam beberapa detik, LED menyala kembali saat kedua sisi sirkuit bersatu kembali dan menyembuhkan dirinya sendiri.
Sarang lebah karbon graphene hanya setebal satu atom, menghantarkan listrik dan panas, serta kuat dan stabil. Proyek terbaru yang menggunakan printer inkjet untuk mencetak sirkuit dan elektroda graphene multi-lapisan telah menyebabkan penggunaan graphene untuk perangkat elektronik yang fleksibel, dapat dipakai, dan berbiaya rendah. Namun setelah dicetak, graphene harus diolah untuk meningkatkan konduktivitas listrik dan kinerja perangkat, yang biasanya berarti suhu tinggi atau bahan kimia yang dapat merusak permukaan pencetakan fleksibel atau sekali pakai seperti film plastik atau bahkan kertas.
Peneliti Iowa State University mengembangkan metode yang menggunakan laser untuk mengolah graphene. Dengan mengolah sirkuit listrik dan elektroda graphene multilapis yang dicetak secara inkjet dengan proses laser berdenyut, konduktivitas listrik ditingkatkan tanpa merusak kertas, polimer, atau permukaan pencetakan rapuh lainnya.
Graphene yang dicetak dengan inkjet diubah menjadi bahan konduktif yang mampu digunakan dalam aplikasi baru seperti sensor dengan kegunaan biologis, sistem penyimpanan energi, komponen penghantar listrik, dan elektronik berbasis kertas.
Para insinyur mengembangkan teknologi laser yang dikendalikan komputer yang secara selektif menyinari graphene oksida yang dicetak dengan inkjet. Perawatan ini menghilangkan pengikat tinta dan mereduksi graphene oksida menjadi graphene, secara fisik menyatukan jutaan serpihan graphene kecil. Proses ini membuat konduktivitas listrik seribu kali lebih baik. Pemrosesan laser yang terlokalisasi juga mengubah bentuk dan struktur graphene yang dicetak dari permukaan datar menjadi struktur nano 3D terangkat yang menyerupai kelopak kecil yang muncul dari permukaan. Struktur kasar dan bergerigi meningkatkan reaktivitas elektrokimia graphene, sehingga berguna untuk sensor kimia dan biologi.
Pekerjaan ini membuka jalan bagi pembuatan elektroda elektrokimia berbasis graphene yang murah dan sekali pakai untuk aplikasi termasuk sensor, biosensor, sel bahan bakar, dan perangkat medis.
Perangkat Elektronik “Dicetak” dengan Tinta Magnetik
Insinyur Universitas California San Diego (UCSD) mengembangkan tinta magnetik yang dapat digunakan untuk membuat baterai yang dapat pulih sendiri, sensor elektrokimia, dan sirkuit listrik berbasis tekstil yang dapat dikenakan. Tinta terbuat dari mikropartikel yang diorientasikan dalam konfigurasi tertentu oleh medan magnet yang memungkinkan partikel di kedua sisi sobekan tertarik secara magnetis satu sama lain, menyebabkan perangkat yang dicetak dengan tinta tersebut menyembuhkan dirinya sendiri. Perangkat memperbaiki robekan selebar 3 milimeter.
Bahan penyembuhan diri yang ada memerlukan pemicu eksternal untuk memulai proses penyembuhan. Mereka juga membutuhkan waktu antara beberapa menit hingga beberapa hari untuk bekerja. Sistem baru ini tidak memerlukan katalis luar untuk bekerja, dan kerusakan diperbaiki dalam waktu sekitar 0,05 detik.
Tinta tersebut digunakan untuk mencetak baterai, sensor elektrokimia, dan sirkuit listrik berbasis tekstil yang dapat dikenakan. Kemudian alat-alat tersebut dirusak dengan cara dipotong dan dipisahkan hingga menimbulkan celah yang semakin lebar. Perangkat masih memulihkan dirinya sendiri dan memulihkan fungsinya sambil kehilangan sejumlah konduktivitas minimum.
Sirkuit penyembuhan diri dicetak di lengan T-shirt dan dihubungkan dengan lampu LED dan baterai koin. Sirkuit dan kain yang digunakan untuk mencetak keduanya dipotong. Pada saat itu, LED mati. Dalam beberapa detik, LED mulai menyala kembali saat kedua sisi sirkuit bersatu kembali dan menyembuhkan dirinya sendiri, memulihkan konduktivitas. Di masa depan, para insinyur membayangkan membuat tinta berbeda dengan bahan berbeda untuk berbagai aplikasi.
Sumber Daya
www.nasa.gov/centers/ames
www.techbriefs.com/tv/magnetic_ink
http://news.mit.edu
http://www.news.iastate.edu/news
