Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 23 – vyšlo 26. června, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

23/2015

Vodivé inkousty a chytré textilie

Petr Kulhánek

Elektronická revoluce, kterou odstartovali dne 23. prosince 1947 Bardeen, Shockley a Brattain objevem tranzistoru, pokračuje i v dnešní době. Objevují se aplikace, o nichž se našim předchůdcům ani nesnilo. Objev grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektro­tech­nice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. v roce 2004 umožnil vznik levných elektronických zařízení nové generace. Elektronické součástky je možné tisknout na pružné podklady, lze je ohýbat a do jisté míry i deformovat. O ohebných displejích jsme informovali například v AB 18/2014. V roce 2015 byl představen grafenový inkoust, kterým lze tisknout vodivé obrazce a elektronické součástky na různé podklady. Jednou z prvních aplikací bylo natištění radioantény. O měsíc později se v červnu 2015 objevila další novinka. Vodivý inkoust na bázi stříbraStříbro – Argentum, ušlechtilý kov bílé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se nejlepší elektrickou a tepelnou vodivostí ze všech známých kovů. Slouží jako součást různých slitin pro použití v elektronickém průmyslu, výrobě CD i DVD nosičů a šperkařství, jeho sloučeniny jsou nezbytné pro fotografický průmysl., který lze po zaschnutí roztáhnout, aniž by se nějak dramaticky snížila vodivost. Tisknout elektroniku už nemusíme jen na ohebné plasty, ale je to možné i na roztažitelné tkaniny. Inteligentní textilie, které měly dosud jen omezenou funkčnost, získávají netušené možnosti.

Inteligentní textilie staré generace. Do textilie je vpleteno vodivé vlákno. Jeho zvlnění umožňuje textilii stlačit i natáhnout bez přerušení vlákna. Zdroj: [8].

Bunda pro hudební šílence. Textilní klávesnice je na jedné straně, MIDI syntetizátor na druhé straně, reproduktory v kapsách a sběrnice jsou patrné na vnitřní straně bundy. Napravo je detail vyšívané klávesnice. Nová technologie by použila už jen obyčejný potisk. Zdroj: [6].

Grafenový inkoust

Vodivý grafenový inkoust byl jednou z prvních aplikací nově objeveného grafenu. Nicméně inkoust vhodný do upravené inkoustové tiskárny vyvinuli až na Cambridžské univerzitě v roce 2011. V rozpouštědle NMP (N-metylpyrolidon) byly přítomny vločky grafenu. Roztok byl pečlivě filtrován, aby se odstranily vločky větší než 1 μm, které by neprošly tryskami tiskové hlavy tiskárny. Tisk prováděli na podkladu Si/SiO₂ nebo na průhledném borokřemíkovém sklu. Posledním krokem procesu bylo žíhání při vysoké teplotě, které odstranilo rozpouštědlo. Už při prvních experimentech se touto novou technologií podařilo nanést nejenom různé vodivé obrazce, ale i plošné tranzistory. První vrstva byla z grafenového inkoustu, následovaly kontakty ze slitiny chrómu a zlata a jako vrchní vrstva byl natištěn organický polymer. Už při těchto průkopnických pokusech dosáhli v Cambridži srovnatelných výsledků jako s klasickými vodivými inkousty na bázi polymerů. Natištěné vrstvy byly průhledné a šlo je tisknout i na ohebné materiály. Elektrické vlastnosti lze vylepšit přidáním pojiva, například etylcelulózy. Samotné pojivo je nevodivé, ale vločky grafenu lépe přilnou k sobě. Pojivo je nakonec třeba odstranit, což se opět provádí žíháním.

Základní fáze výroby tranzistoru za pomoci grafenového inkoustu. S a D jsou
dvě z elektrod. Třetí tvoří grafenový potisk. Zdroj: Cambridge University.

Největším problémem nové technologie bylo žíhání, které neumožnilo nanášet vodivé obrazce na hořlavé materiály a na podklady, které nesnesou vysokou teplotu. V roce 2015 byla tato technologie zdokonalena vědci na Univerzitě v Manchesteru ve spolupráci se společností BGT Materials Limited. Po nanesení inkoust vysušili a nakonec natištěný obrazec uválcovali. Je to podobné jako válcování asfaltu na vozovce. Stlačený grafen zvýšil vodivost až padesátkrát oproti původnímu stavu. Postup je tedy následovný: grafen se nanese inkoustovou tiskárnou, poté suší za maximální teploty do 100 °C a nakonec válcuje. To umožňuje nanášet grafen na různé plasty a tkaniny. Při experimentech publikovaných v dubnu 2015 dosáhli v Manchesteru vodivosti 430 S/cm. Stlačený grafenový laminát testovali při výrobě dipólové radioantény, kterou natiskli na obyčejný kus papíru. Anténa byla 14 cm dlouhá, 3,5 mm široká a byla schopna účinně vyzařovat radiový signál. Pořizovací cena takové antény je mimořádně nízká.

Snímek grafenové vrstvy ze skenovacího elektronového mikroskopuSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů.. Nalevo je vysušený inkoust, napravo je inkoust po válcování. Vodivost se zvýší padesátkrát. Zdroj: Manchester University.

Dipólová radioanténa natištěná na obyčejný papír. Zdroj: Manchester University.

Chytré textilie a inkoust z Japonska

Textilie, které v sobě obsahují elektroniku, ať už vetkanou, vyšitou nebo natištěnou, se nazývají chytré textilie. Zpravidla obsahují různá čidla, která monitorují vnější prostředí (teplotu, vlhkost, přítomnost různých chemikálií atd.) nebo vnitřní podmínky (teplotu těla, pohyb, srdeční a mozkovou činnost atd.). Pasivní tkaniny monitorované hodnoty pouze předávají dál, například do počítače. Tak funguje například rukavice snímající detailně pohyby lidské ruky. Nahrávky pohybu se pak používají pro počítačové animace nebo v robotice při napodobení člověka. Pasivní tkanina může také upozornit na zdravotní problémy osob oblečených do chytré textilie. Mnohem sofistikovanější jsou ale aktivní tkaniny, které upravují své vlastnosti podle naměřených hodnot. Při nebezpečí mohou svítit, vydávat radiový či akustický signál, nebo vibrace. Chytrá textilie ale může reagovat i na změnu teploty, vlhkosti či jiného parametru změnou tvaru, velikosti průduchů apod. Chytrá textilie samozřejmě potřebuje zdroj energie. Mohou jím být například fotovoltaické prvky, energii ale mohou poskytnout i piezoelektrická čidla, která přemění pohyb člověka na potřebnou energii.

Elektronika obsažená v tkanině by v žádném případě neměla ovlivnit funkčnost výrobku, například trička. Mělo by zůstat příjemné pro nošení, snadno tvarovatelné, včetně natažení. V tomto ohledu je nejšetrnější vodivý potisk, který umožní na tkanině vytvořit i složité elektronické obvody. Veškeré dosud používané vodivé potisky měly ale problémy při natažení tkaniny. Zdá se, že i tento poslední nedostatek byl překonán. Na Tokijské univerzitě oznámili, že se jim podařilo vytvořit speciální vodivý inkoust, který je i po nanesení na tkaninu nejen deformovatelný, ale tkaninu lze i natáhnout, aniž by příliš utrpěla vodivost natištěných obrazců (tranzistorů, LED diod, fotovoltaických prvků atd.).

Nově vyvinutý inkoust obsahuje tři složky: stříbrné vločky, fluorizovaný kaučuk a fluorové smáčedlo. Smáčedlo snižuje povrchové napětí a řídí tvorbu povrchově lokalizovaných vodivých sítí stříbrných vloček v tištěném vodiči, který má vysokou vodivost a roztažitelnost. Při experimentech bylo dosaženo vodivosti 768 S/cm. Při roztažení obrazce na 215 % poklesla vodivost na dostačující hodnotu 182 S/cm. Pomocí tohoto inkoustu na Tokijské univerzitě nanesli na roztažitelný substrát síť tranzistorů, jejíž funkčnost se nezměnila ani při roztažení na 110 %. Na kus oděvu také natiskli EMG senzor (sleduje funkci kosterního svalstva na základě jím vydávaných elektrických biosignálů, jde o tzv. elektromyografii).

Zdá se, že není příliš daleko doba, kdy si na běžné inkoustové tiskárně na tričko natiskneme rozhlasový přijímač, biosenzory nebo mikrovlnnou anténu, abychom se stali vysílačem. Scifi se před našima očima stává nepřehlédnutelnou realitou.

Natištěný vodivý nápis lze snadno roztáhnout. Zdroj: Tokijská univerzita.

Pole roztažitelných tranzistorů. Snadno deformovatelné jsou zejména přívody.
Zdroj: Tokijská univerzita.

Odkazy