Badania, opublikowane w czasopiśmie Nature Electronics, stanowią przełom w dziedzinie ekologicznej produkcji komponentów elektronicznych. Zespół prof. Aarona Franklina z Duke University zaprezentował po raz pierwszy możliwość drukowania tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) w skali submikrometrowej przy użyciu tuszy węglowych. W odróżnieniu od klasycznych metod litograficznych, nowa technologia nie wymaga kosztownej obróbki próżniowej ani toksycznych chemikaliów.
Czytaj też: Grafen skręcony pod idealnym kątem tworzy cuda. Elektronika nigdy nie będzie taka sama
Jak tłumaczy Franklin, technologia ta może otworzyć zupełnie nowy rozdział w amerykańskiej produkcji zaawansowanej elektroniki, dotąd zdominowanej przez Azję:
Jeśli chcemy realnie odbudować produkcję w USA w sektorach, gdzie dominują globalni konkurenci, potrzebujemy technologii o charakterze transformacyjnym. Nasz proces umożliwia drukowanie tranzystorów węglowych, które są w pełni recyklingowalne i dorównują wydajnością standardom przemysłowym. To zbyt obiecujący wynik, by go zignorować.
Od drukarki do ekranu – jak działa technologia Hummink
Nowy etap badań był możliwy dzięki współpracy z firmą Hummink Technologies, która opracowała technikę tzw. druku kapilarnego o wysokiej precyzji (ang. high precision capillary printing). W tej metodzie mikroskopijna igła, przymocowana do drgającego widełkowatego rezonatora, nakłada śladowe ilości tuszu z dokładnością poniżej mikrometra. Zjawisko to wykorzystuje naturalne napięcia powierzchniowe, które “wyciągają” atrament z końcówki igły – podobnie jak woda wsiąka w papierowy ręcznik.
Czytaj też: Elektronika, jakiej jeszcze nie było. Nowe odkrycie napędza utlraszybką technologię
Zespół Franklina wykorzystał trzy rodzaje ekologicznych tuszy na bazie nanotub węglowych, grafenu i nanocelulozy. Można je nanosić zarówno na sztywne podłoża, takie jak szkło i krzem, jak i na elastyczne materiały – papier lub biopolimery. Drukowane w ten sposób układy mają mikroskopijne długości rzędu dziesiątek mikrometrów, a odległości między elektrodami sięgają ułamków mikrometra. To właśnie te minimalne “kanały” decydują o jakości przewodnictwa i wydajności tranzystorów cienkowarstwowych.
Prof. Franklin tłumaczy:
Początkowo wysłaliśmy do Hummink nasze tusze i wyniki były obiecujące, ale dopiero po otrzymaniu ich drukarki mogliśmy w pełni wykorzystać jej potencjał.
Każdy ekran – od smartfona po telewizor – składa się z milionów mikroskopijnych tranzystorów, które sterują pojedynczymi pikselami. W wyświetlaczach LCD każdy piksel kontrolowany jest przez jeden tranzystor, natomiast w technologii OLED – bardziej wymagającej energetycznie – potrzebne są co najmniej dwa.
W poprzednich badaniach zespół Duke University zdołał już pokazać, że drukowane tranzystory mogą zasilać kilka pikseli LCD. Nowe układy, dzięki submikrometrowej precyzji, zbliżają się do parametrów wymaganych dla paneli OLED, które stanowią obecnie standard w urządzeniach wysokiej klasy.
Prof. Franklin podsumowuje:
Ta metoda nigdy nie zastąpi krzemowych układów scalonych o najwyższej wydajności, ale w wielu zastosowaniach konsumenckich, jak wyświetlacze czy czujniki, może być konkurencyjna, a nawet przełomowa.
Produkcja wyświetlaczy to jedna z najbardziej energochłonnych gałęzi przemysłu elektronicznego. Wymaga obróbki w próżni, generującej znaczne ilości gazów cieplarnianych. Według ONZ mniej niż 25 proc. z milionów ton elektrośmieci produkowanych co roku poddaje się recyklingowi. Nowa metoda druku eliminuje wiele z tych problemów – pozwala produkować elementy niskotemperaturowo, z wykorzystaniem materiałów przyjaznych środowisku, które można ponownie wykorzystać bez degradacji jakości.
Dla amerykańskiej gospodarki technologia ta może mieć znaczenie strategiczne. Obecnie niemal wszystkie duże fabryki ekranów znajdują się w Korei Południowej, Chinach i na Tajwanie. Zastosowanie ekologicznego druku mogłoby umożliwić produkcję wyświetlaczy na miejscu, przy niższych kosztach energetycznych i mniejszym śladzie węglowym.