Elastische inkt voor ‘rekbare elektronica’ zonder giftige stoffen

Innovation Origins

Onderzoekers van de Universiteit van Leoben hebben een nieuw type zilverinkt voor stretchables ontwikkeld. De inkt is buitengewoon rekbaar en bevat geen giftige chemicaliën.

Het monitoren van patiënten wordt de komende jaren steeds eenvoudiger. Je plakt gewoon een pleister met meetapparatuur op de huid. De elektronica in zo’n zogenoemde strechable, moet dan wel met de huid kunnen meebewegen. En dat is toch nog een probleem. Oostenrijkse wetenschappers werken aan de ontwikkeling van gifvrije ‘rekbare inkten’ waarmee de elektronische circuits en sensoren op zo’n pleister geprint kunnen worden.

Het onderzoek op het gebied van deze zogenaamde rekbare elektronica of stretchables is in volle gang. Zij maken immers een technologische interactie tussen de omgeving en het lichaam mogelijk. Geïntegreerd in textiel of patches, kunnen stretchables ook worden gebruikt voor het registreren of optimaliseren van prestaties en voor het monitoren van fysieke functies. Andere toepassingsgebieden zijn in protheses en robotarmen.

Inktsystemen voor stretchables
Er zijn twee methoden om elektronica, zoals circuits of sensoren, aan te brengen op rekbare oppervlakken: inkjet afdrukken en zeefdrukken. Bij inkjetdruk wordt inkt gebruikt die iets vloeibaarder is. Bij zeefdruk wordt pasta gebruikt met een consistentie die lijkt op die van honing. Als gevolg daarvan heeft deze laatste een hogere viscositeit. Gangbare technologieën voor geleidende inkt- en pastasystemen zijn gebaseerd op nano- of microscopische vulstoffen, zoals zilvermicrovlokken. De vulstofdeeltjes zijn gebonden aan polymeren en geven deze een geleidend vermogen. Het nadeel van deze vullers is dat ze erg duur zijn.

Een veelbelovende benadering voor rekbare elektronica werd gevonden in zogenoemde zelfreducerende inktsystemen. Hier worden de vulstoffen niet toegevoegd, maar ontstaan ze tijdens het drukproces tijdens de uithardingsfase van het complex. Deze zelfreducerende inktsystemen zijn betaalbaarder zijn. Maar ze kunnen nog niet commercieel worden toegepast, omdat bij de productie toxische chemicaliën zijn betrokken.

“De zelfreducerende inktsystemen die tot nu toe in de literatuur zijn beschreven voor de productie van rekbare geleiders bevatten giftige reductiemiddelen. Bijvoorbeeld natriumborohydride. Die stoffen zijn schadelijk voor mens en milieu,” aldus Professor Thomas Grießer van het Institut für Chemie der Kunststoffe an der Montanuniversität Leoben. Samen met partners uit de industrie en de onderzoekswereld heeft hij met zijn team een gelijkwaardig inktsysteem ontwikkeld waarbij deze giftige chemicaliën niet nodig zijn.

Zilverinkt
De onderzoekers slaagden hierin door een nieuw inktsysteem te ontwikkelen op basis van de zelfreducerende zilververbinding zilverformiaat. De geleidende bestanddelen van de inkt bestaan uit zilveren nanodeeltjes. Deze kunnen worden geproduceerd door zelfreductie van een zilververbinding. Het anionformiaat, een zout van mierenzuur, fungeert als reductiemiddel. Bij het reductieproces wordt de inkt verhit, zodat de zilververbinding ontleedt tot elementair zilver.

Daarnaast bevat het inktsysteem ook monomeren die bij verhoogde temperatuur polymeriseren tot een elastomeer. Dit leidt tot de vorming van een nanocomposietmateriaal. Dit zijn zilveren nanodeeltjes die zijn ingebed in een elastomeermatrix en ook een hoog geleidingsvermogen vertonen wanneer zij worden uitgerekt.

De reductie van de zilververbinding en de polymerisatie van de monomeren vinden gelijktijdig plaats. Dit wordt veroorzaakt door verhitting van het complex tot meer dan 100 graden Celsius tijdens het drukproces. Het onderzoeksconsortium testte het proces zowel in de vorm van inkt, als van pasta. Beide zouden op een gestructureerde manier kunnen worden toegepast op rekbare materialen door middel van printen.

Sensoren
De onderzoekers ontwikkelde inktsystemen voor het drukken van sensoren en elektronische circuits. De uitdaging was om het elektronische gedrag voor beide toepassingen te realiseren. Grießer: “Bij elektronische circuits wil je slechts een kleine verandering in elektrische weerstand onder mechanische spanning. De geleidbaarheid van sensoren daarentegen moet sterk veranderen onder belasting.”

Grote rekbaarheid
Een ander nieuw kenmerk van het systeem is de enorme rekbaarheid van de circuits en sensoren, die tot 200 procent kan oplopen, legt de professor uit. Vergeleken met gewone rekbare zeefdrukpasta’s bleek het nieuwe systeem superieur te zijn, zelfs onder cyclische spanning. De nieuwe zelfreducerende inkt maakt het mogelijk stretchables te realiseren op elastische films. Daardoor is de inkt ideaal voor gebruik in de kunsthuid van bijvoorbeeld prothesen of robots, zo schetst Grießer. Het gebruik ervan in intelligente kleding om lichaamsfuncties te controleren, is ook denkbaar.

Sensorenpleister
Samen met Joanneum Research Materials Weiz, AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG en de start-up Human Research er is reeds een sensorpleister ontwikkeld met gebruikmaking van deze technologie. De inkt werd op gestructureerde wijze gezeefdrukt op een dunne elastische film. De sensorpleister is zelfklevend en wordt op de borstkas aangebracht. Zo kunnen hart- en ademhalingsactiviteit gelijktijdig worden gevolgd. Er zijn ook andere toepassingen in de geneeskunde en de sport voor dergelijke sensorpatches. De voordelen van de sensorpleister zijn een hoog draagcomfort en lage fabricagekosten. Het is ook milieuvriendelijk omdat het grotendeels bestaat uit een polyurethaanfilm die biologisch afbreekbaar is. Het zilver in de bedrukte geleiders kan gemakkelijk worden gerecycled.

Mijnbouw
De onderzoekers van de Montanuniversität Leoben hebben samen met hun collega’s van de Leerstoel voor mijnbouwkunde nog een andere toepassing gevonden. In de mijnbouw worden rotsbouten gebruikt om gangen in de berg te beveiligen. Rotsbouten kunnen worden gezien als lange metalen staven die als steun dienen. Onder de hoge rotsbelasting kunnen deze metalen staven vervormen. Om veranderingen te kunnen waarnemen, werken de onderzoekers nu aan sensorfolies die dat kunnen detecteren.

Lees meer nieuws op Innovation Origins.