Impresión de circuitos electrónicos en placas base que son a la vez flexible y elástico promete revolucionar una serie de industrias y hacer "dispositivos inteligentes" casi en todas partes. Entre las aplicaciones que se han previsto son placas electrónicas que pueden ser plegados como el papel, los revestimientos que pueden monitorear las superficies en busca de grietas y otros defectos estructurales, vendajes médicos que puedan tratar las infecciones y el envasado de alimentos que podrían detectar su deterioro. De las células solares a los marcapasos para ropa, la lista de aplicaciones inteligentes para el llamado "electrónica de plástico" es flexible y elástico. En primer lugar, sin embargo, placas base adecuada debe ser producido en masa de una manera costo-efectiva.
Óptica de la imagen de la flexibilidad y elástico serie fina de transistores de película que cubre una pelota de béisbol se muestra la robustez mecánica de este material posterior para futuros dispositivos electrónicos de plástico.
Los investigadores del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) 's Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha desarrollado una prometedora nueva técnica de bajo costo para la fabricación a gran escala backplanes flexibles y elásticos con semiconductores enriquecido con las soluciones de nanotubos de carbono que las redes de producción de transistores de película delgada con excelentes propiedades eléctricas, incluyendo la movilidad de portadores de carga que es mucho mayor que el de contrapartes orgánicas. Para demostrar la utilidad de sus placas base de nanotubos de carbono, los investigadores construyeron una piel artificial electrónica (e-piel) capaz de detectar y responder al tacto.
"Con nuestra tecnología de procesamiento basados en la solución, hemos producido mecánicamente flexibles y elásticos planos posteriores de matriz activa, basada en arreglos completamente apaciguado y uniforme muy de transistores de película delgada a partir de nanotubos de carbono de pared uniforme que cubren áreas de aproximadamente 56 centímetros cuadrados", , dice Ali Javey, un científico de la facultad de Materiales del Laboratorio de Berkeley División de Ciencias y profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en la Universidad de California (UC) en Berkeley. "Esta tecnología, en combinación con la impresión de inyección de tinta de los contactos de metal, debe proporcionar la litografía sin la fabricación de bajo costo de la electrónica flexible y extensible en el futuro."
(De izquierda a derecha) Kuniharu Takei, Toshitake Takahashi y Ali Javey en la estación de microscopio de sonda eléctrica utilizada para caracterizar placas base flexible y extensible para la e-piel y otros dispositivos electrónicos. (Foto de Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab)
Javey es el autor correspondiente de un artículo en la revista Nanoletters que describe este trabajo titulado "nanotubos de carbono de matriz activa Backplanes de Electrónica de conformación y sensores". Co-autoría de este documento se Toshitake Takahashi, Takei Kuniharu, Andrew Gillies y el temor a Ronald.
Con la demanda de productos electrónicos de plástico tan elevado, investigación y desarrollo en este campo ha sido intensa durante la última década. Nanotubos de carbono de pared (SWNT) se han convertido en uno de los materiales semiconductores para la electrónica de plástico contendientes, sobre todo porque tienen una alta movilidad de electrones - una medida de la rapidez de un semiconductor conduce la electricidad.Sin embargo, los nanotubos pueden tomar la forma de un semiconductor o un metal y una solución de nanotubos típica consta de dos tercios de semiconductores y un tercio de los tubos metálicos. Esta mezcla produce redes de nanotubos que exhiben baja de encendido / apagado proporciones actuales, lo que plantea un problema importante para las aplicaciones electrónicas como el autor principal del Nanoletters documento explica Takahashi.
"El encendido / apagado de corriente lo más alto posible es esencial para reducir la interrupción de los píxeles en un fuera de estado", dice. "Por ejemplo, con nuestra dirección de la piel del dispositivo, cuando estamos mapeo de presión, queremos que la única señal del píxel en el estado en que se aplica presión. En otras palabras, se desea minimizar la corriente de lo más pequeño posible de los píxeles de otro tipo que se supone que deben estar apagados. Para ello necesitamos un alto encendido / apagado de corriente. "
Para hacer sus placas madre, Javey, Takahashi y sus co-autores utilizan una solución de nanotubos enriquecido a un 99 por ciento de los tubos semiconductores. Esta solución altamente purificada proporcionan a los investigadores con una alta proporción de / off (aproximadamente 100) para sus placas base. Trabajar con un sustrato delgado de poliamida, un polímero de alta resistencia con una flexibilidad superior, que cortadas con láser un patrón de panal de agujeros hexagonales que hizo que el sustrato elástico también. Los agujeros fueron cortadas con un tono fijo de 3,3 milímetros y una variada agujero del lado de longitud que van desde 1,0 hasta 1,85 milímetros.
(Izquierda) e imagen óptica de la piel con un objeto en forma de L situado en la parte superior. (Derecha) en dos dimensiones mapeo de presión obtenidos a partir del objeto en forma de L.
"El grado en que el sustrato puede ser estirada aumentó de 0 a 60% de la longitud del lado de los orificios hexagonales aumentó a 1,85 mm", dice Takahashi. "En el futuro, los grados de elasticidad y la direccionalidad debe ser ajustable, ya sea cambiando el tamaño del agujero o la optimización del diseño de la malla."
Placas madre se completaron con la deposición en los sustratos de capas de silicio y óxidos de aluminio seguido de la nanotubos semiconductores enriquecido. El resultado de SWNT delgadas placas base de transistor de película fueron utilizados para crear e-piel para el mapeo de presión espacial. La e-piel consiste en una variedad de 96 píxeles del sensor, que mide 24 centímetros cuadrados de superficie, con cada píxel de forma activa controlada por un transistor de película fina única. Para demostrar mapeo de presión, un peso en forma de L se coloca en la parte superior de la matriz de sensores e-piel con la presión normal de aproximadamente 15 kilo Pascales (313 libras por pie cuadrado).
"En el régimen de funcionamiento lineal, la sensibilidad del sensor de medida refleja una mejora de tres veces en comparación con el anterior basado en nanocables de la piel e-sensores informó el año pasado por nuestro grupo", dice Takahashi. "Esta mayor sensibilidad es el resultado del rendimiento de los dispositivos mejorados de los paneles posteriores SWNT. En el futuro tenemos que ser capaces de ampliar nuestra tecnología de placa madre mediante la adición de diversos sensores y / o demás componentes de dispositivos activos para permitir multifuncional pieles artificiales. Además, la placa base se podría utilizar nanotubos para pantallas flexibles. "
Esta investigación fue financiada en parte por la Oficina de Ciencia del DOE y en parte por la National Science Foundation.
Acerca de Lawrence Berkeley National Laboratory
Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley se dirige al mundo de los retos científicos más urgente por el avance de la energía sostenible, la protección de la salud humana, la creación de nuevos materiales, y que revela el origen y el destino del universo. Fundada en 1931, científico del Laboratorio de Berkeley ha sido reconocida con 12 premios Nobel. La Universidad de California Berkeley Lab gestiona para los EE.UU. Departamento de Energía de la Oficina de la Ciencia. Para más información, visite www.lbl.gov.
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