科學也可以如此靠近

採用二維材料油墨,集成電路可直接列印到織物上!


智物創新導讀最近,英國劍橋大學、中國、義大利的研究人員展開合作,利用傳統的噴墨列印技術,以及廉價、安全、環境友好的石墨烯油墨,將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上,為未來智能織物和可穿戴電子設備的製造又帶來了一種新的方案。關鍵字印刷電子、材料、柔性、...

- 2018年1月14日18時24分
- 【智物創新】

智物創新

導讀

最近,英國劍橋大學、中國、義大利的研究人員展開合作,利用傳統的噴墨列印技術,以及廉價、安全、環境友好的石墨烯油墨,將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上,為未來智能織物和可穿戴電子設備的製造又帶來了一種新的方案。

關鍵字

印刷電子、材料、柔性、可穿戴

背景

傳統的矽基集成電路製造技術非常複雜且需要巨額投資,所以其製造工藝完全壟斷在少數大公司手中,例如台積電、三星、英特爾、格羅方德、中芯國際。然而,隨著半導體新材料技術發展,特別是溶液化的有機和無機半導體材料的研發,使得利用傳統印刷技術製造各種電子元器件變得可能。溶液化有機與無機半導體材料的最大特點就是:不依賴於基底材料的導體或半導體性質,可以以薄膜形態,通過蒸發、旋塗或印刷的方式沉積到任何材料上。

印刷電子產品的最大優勢就是:柔性化、低成本、大面積、綠色環保,這些都與矽基微電子產品形成強烈對比。印刷電子可以印刷任何可以油墨化的材料,製作在任何襯底材料上,因此印刷電子與其他如有機電子、塑料電子、紙電子、柔性電子、透明電子以及可穿戴電子都有相通性。雖然,目前印刷製作的電子器件性能比不上矽基微電子器件,但是其成本、大面積、柔性化等優勢,使得這項技術仍然可以應用於傳統矽基微電子器件無法應用的廣闊領域。這一技術有望形成一個新興產業,引導電子技術的變革。

對於印刷電子技術這個前沿科技領域,筆者之前一直就非常關注,也介紹過一些相關的創新成果,例如:

案例一:美國密西根州立大學的科研人員研製出世界上首個完全由噴墨印表機製造的可伸縮的集成電路,例如研發團隊成功製成了柔性材料、電路、有機發光二極體(OLED)。這項技術將有利於未來智能織物的廉價量產。

(圖片來源: Kurt Stepnitz / 密西根州立大學)

案例二:美國杜克大學首次完全通過噴墨列印的方式,通過納米油墨製造出柔性的憶阻器存儲設備,未來這項技術有望應用於柔性電子設備包括RFID、環境傳感器等領域。

(圖片來源:杜克大學)

我們要介紹的創新技術與印刷電子所需要的導電油墨相關。導電油墨應用前景廣闊,例如印刷柔性電子器件:射頻識別(RFID)天線、電晶體、太陽能電池。為了滿足物聯網和柔性電子設備的發展,我們需要使用穩定、導電、無毒的器件,低成本且高效地生產電子設備。

石墨烯,是一種非常典型的二維材料。從結構上來講,石墨烯是由一層碳原子組成,具有蜂巢結構的單層薄片。由於其結構特殊,石墨烯在導電、導熱、強度、穩定性等方面的都具有優秀的特性,也十分適合作為導電油墨使用。

(圖片來源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)

我們先來回顧一下之前介紹過的與石墨烯導電油墨相關的創新進展。

案例三:英國曼徹斯特大學研發出一種固態的柔性超級電容設備,它通過絲網印刷技術,採用石墨烯氧化物導電油墨,直接將該設備列印在紡織品上。因為油墨和紡織品襯底之間具有強大的交互作用,這種印刷的電極具有卓越的機械穩定性。這項研究巧妙地將石墨烯技術應用於印刷電子設備,有效地促進了可穿戴技術的發展。

(圖片來源於:曼徹斯特大學)

案例四:歐盟石墨烯旗艦項目和英國劍橋大學石墨烯中心的科研人員一起開發了一種新工藝,生產出高質量、高濃度、水基的石墨烯導電油墨。該工藝利用微流化法的超高剪切力,從石墨中剝離出石墨烯薄片,將原始的石墨材料100%轉化為有用的導電油墨片,並且無需離心分離處理,節約了生產油墨的時間。

(圖片來源:James Macleod/劍橋大學工程系)

然而,除了石墨烯,其他二維材料也可用於製造導電油墨,我們再來看以下的案例。

案例五:愛爾蘭都柏林大學聖三一學院的科研人員最近利用二維納米材料,例如:石墨烯、氮化硼、二硒化鎢納米片製成的油墨,首次製造出了印刷而成的電晶體。這種低成本、可量產的技術,可列印例如太陽能電池、LED等電子設備,應用於智能食品、藥物標籤、下一代紙幣、電子護照等產品。

(圖片來源:都柏林大學聖三一學院)

案例六:由芬蘭阿爾託大學、英國劍橋大學、英國倫敦帝國理工學院和中國北京航空航天大學的研究人員組成的國際跨學科科研小組,開發出一種由黑磷材料組成的油墨,可用於噴墨印刷光學電子器件。

(圖片來源:劍橋大學)

創新

今天,我們再來了解一項最新的相關創新成果。最近,英國劍橋大學以及來自中國以及義大利的研究人員展開合作,利用傳統的噴墨列印技術和廉價、安全、環境友好的石墨烯和其他二維材料製成的油墨,將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上。這種集成電路穿戴舒適,並經得起普通洗衣機達20次的洗滌。這種低成本、可持續、可擴展的油墨通過標準化的處理技術進行製造。

(圖片來源:Felice Torrisi)

這項研究為未來智能織物和可穿戴電子設備的製造又帶來了一種新的方案。相關研究成果發表於《自然通信》(Nature Communications)雜誌。

這項研究受到了石墨烯旗艦項目、歐盟研究委員會的協同撥款、工程和物理科學研究委員會、The Newton Trust、中國國家自然科學基金委員會國際研究獎學金、中國科技部的贊助。這項技術已經由劍橋企業(該大學的商業化機構)進行商業化。

技術

在對於印刷電子技術採用的石墨烯油墨的早期構想工作基礎上,團隊設計出低沸點油墨,可以直接印刷到聚酯織物上。此外,他們發現改變粗糙的織物,將改善印刷電子設備的性能。這項工藝用途廣泛,使得研究人員不僅可以設計出單個電晶體,還可以設計出全印刷的集成電子電路,它將結合主動和被動組件。

(圖片來源:參考資料2)

(圖片來源:參考資料2)

(圖片來源:參考資料2)

目前,大多數的可穿戴電子設備依賴於安裝在塑料、橡膠或者織物上的剛性電子元件。在許多情況,這些元件與皮膚的兼容性有限,在清洗時容易損壞,而且因為它們不透氣,所以穿戴起來不舒適。

劍橋大學石墨烯中心的博士、論文的高級作者 Felice Torris 表示:

「用於印刷電子的其他油墨通常需要有毒的溶劑,且不適合穿戴,而我們的油墨廉價、安全、環境友好,可以通過在織物上簡單地印刷不同的二維材料,合成製造出電子電路。」

論文的合著者米蘭理工大學的教授 Roman Sordan 表示:

「數字化的織物印刷已有幾十年歷史,它可以將著色劑簡單地印刷到織物上,但是我們成果顯示了該技術首次用於在織物上印刷整個電子集成電路。儘管我們展示的集成電路非常簡單,但是我們的工藝是可擴展的,並且利用我們的技術開發可穿戴電子設備,在複雜度和性能方面並沒有根本性障礙。」

論文的第一作者、博士生 Tian Carey 表示:

「這種印刷的組件具有柔性、可洗、功耗低等特性,可以滿足可穿戴電子器件應用的基本需求。」

價值

這項研究為二維材料油墨帶來了一系列商機,例如:個人健康技術、可穿戴的能量採集和存儲、軍服、可穿戴計算、時裝。

Torrisi 表示:

「將紡織纖維轉化為功能性的電子元器件,將帶來一系列的全新應用,從醫療保健到物聯網。有了納米技術,我們的服裝未來將集成這些基於織物的電子器件,例如顯示器或者傳感器,變得具有互動性。」

使用石墨烯和其他二維材料(GRM)的油墨製造出可以集成到面料和創新織物中的電子元器件和設備,將成為智能織物行業新技術進展的中心 。

參考資料

1http://www.cam.ac.uk/research/news/fully-integrated-circuits-printed-directly-onto-fabric

2Tian Carey, Stefania Cacovich, Giorgio Divitini, Jiesheng Ren, Aida Mansouri, Jong M. Kim, Chaoxia Wang, Caterina Ducati, Roman Sordan, Felice Torrisi.

Fully inkjet-printed two-dimensional material field-effect heterojunctions for wearable and textile electronics. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI:

10.1038/s41467-017-01210-2

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