Nanotechnologia

Ultraprecyzyjne drukowanie przewodzących linii w skali nano może zrewolucjonizować wiele sektorów przemysłu

Drukowanie nanomateriałów nie jest nowością. Dostępne i rozwijane na rynku są m.in. metody znane jako INKJET (drukowanie atramentowe z użyciem nanotuszu), a także ESJET (elektrostatyczny druk atramentowy) oraz EHD (drukowanie metodą elektrohydrodynamiczną). W ostatnim czasie nastąpił jednak znaczny przełom w tym sektorze. XTPL opatentowało i komercjalizuje kierowane łączenie nanocząstek, pozwalające na tworzenie (w uproszczeniu można powiedzieć – drukowanie) przewodzących linii o szerokości nawet 100 nm. 

Kompleksowe podejście do drukowania linii przewodzących w skali nano, które cechuje się niezwykłą elastycznością, precyzją i niskimi kosztami to metoda mająca wszelkie cechy technologii przełomowej (disruptive technology). Oparta jest ona o rozwiązanie interdyscyplinarnego problemu naukowo-technologicznego, obejmującego wyzwania z dziedzin takich jak fizyka ciała stałego, chemia nieorganiczna, nanotechnologia, inżynieria materiałowa, programowanie i algorytmy machine learning, mechanika i elektronika. Nowatorskie podejście XTPL opiera się na kierowanym łączeniu nanocząstek z wykorzystaniem przyciągania dielektroforetycznego.

Kierowane łączenie a drukowanie

“W trakcie zaprojektowanego przez nas procesu tworzenia linii przewodzących głowica drukująca nanosi odpowiednio skomponowany tusz – nanocząstki w mieszaninie rozpuszczalników – na nieprzewodzące podłoże, na przykład takie jak szkło lub elastyczna folia” – wyjaśnia dr Filip Granek twórca nowej metody i prezes zarządu XTPL. Pod wpływem zewnętrznego zmiennego pola elektrycznego nanocząstki grupują się w bardzo określony i kontrolowany sposób tworząc linię. Proces odbywa się pomiędzy dwiema elektrodami: stacjonarną oraz ruchomą. Punktem wyjścia jest nieruchoma elektroda, natomiast głowica drukująca pełni funkcję ruchomej elektrody. Kieruje ona formowaniem linii, która staje się przedłużeniem elektrody nieruchomej. Finalnie następuje zwarcie głowicy drukującej z metalową płytką, z którą następnie łączy się linia. Kiedy formowanie linii jest zakończone – głowica drukująca zbiera nadmiar tuszu. “Można powiedzieć, że druk w przypadku naszej technologii polega na układaniu nanocząstek na podłożu. ” – dodaje Filip Granek.

Nowa jakość, nowe możliwości

„Często mylnie określa się opracowane przez nas rozwiązanie jako drukowanie atramentowe z użyciem nanotuszu, czyli tzw. INKJET. Jest to metoda zupełnie inna niż rozwijana przez nas technologia. W procesie INKJET nie mamy do czynienia z elektrodami, a napięcie przyłożone jest jedynie do piezoelektrycznej głowicy dozującej. Wielkość powstałych struktur przewodzących w tej metodzie wynosi 10-100 μm, a możliwość dalszej redukcji tego parametru jest znacznie ograniczona” – wyjaśnia dr Aneta Wiatrowska, dyrektor ds. technologii w XTPL

Rozwiązanie XTPL nie przypomina również znanej na rynku metody elektrostatycznego druku atramentowego (ESJET) czy podejścia elektrohydrodynamicznego (EHD) – lecz obie te koncepcje można uznać za konkurencyjne wobec niego. Chociaż w porównywanych metodach wykorzystuje się napięcie elektryczne – to w każdym procesie parametry i właściwości składowych oraz produktu końcowego znacząco się od siebie różnią, a co za tym idzie różne są także praktyczne możliwości zastosowania powstałych struktur. Metoda kierowanego łączenia nanocząstek XTPL zakłada mniejsze napięcie elektryczne niezbędne do utworzenia linii. Jest to napięcie zmienne wielkości ~1 V do ~10 V. W przypadku ESJET/EHD generowane jest napięcie impulsowe, które wynosi od ~100 V do ~1 kV. Mniejsze napięcie możliwe jest dzięki zastosowaniu ruchomej elektrody i pozwala na większą ilość potencjalnych zastosowań technologii XTPL, ponieważ eliminuje ryzyko uszkodzenia podłoża lub innych komponentów przez bardzo wysokie pole elektryczne.

 

Warto podkreślić, iż w procesie ESJET/EHD elektroda znajduje się pod podłożem (substratem), natomiast w opracowanym przez XTPL rozwiązaniu obie elektrody (stacjonarna i ruchoma) znajdują się nad podłożem. “Takie podejście umożliwia zastosowanie podłoża dowolnej grubości, również takiego, które nie jest płaskie ” – mówi Filip Granek

 

Jednym z kluczowych parametrów zoptymalizowanym przez XTPL jest rozmiar struktur przewodzących. Dla porównania szerokość struktur uzyskiwanych metodą INKJET to ok. 10-100 μm, natomiast zarówno metody ESJET/EHD jak i metoda XTPL pozwalają na utworzenie linii węższych niż 1 μm. To, co odróżnia technologię XTPL od dwóch pozostałych, to możliwość utworzenia w pojedynczym ruchu głowicy drukującej linii o stosunku wysokości do szerokości bliskim jedności. W przypadku metod ESJET/EHD konieczny jest wielokrotny ruch głowicy. Rozmiar powstałych linii to istotna cecha, ponieważ  struktury w skali nano pozwalają m.in. na zwiększoną transparentność warstw przewodzących. Właściwości przewodzących linii w nowej metodzie można regulować poprzez zmianę – po pierwsze amplitudy, kształtu i częstotliwości sygnału elektrycznego, po drugie właściwości fizykochemicznych tuszu, a także rozkładu, wielkości i kształtu nanocząstek. Ten ostatni parametr jest kolejnym, który odróżnia analizowane metody od siebie. Zarówno w przypadku INKJET jak i ESJET/EHD nie ma fundamentalnych ograniczeń odnośnie rodzaju nanocząstek, natomiast jeśli chodzi o metodę XTPL możliwe są nanocząstki półprzewodnikowe i dielektryczne (nanocząstki metaliczne zweryfikowane eksperymentalnie).

Ważną cechą dla każdej z analizowanych metod jest rodzaj podłoża, na którym drukowane są struktury. W przypadku metody XTPL podłożem może być dowolny substrat nieprzewodzący, także niepłaski. Jeśli chodzi o metodę – ESJET/EHD preferowane są cienkie substraty, w celu zminimalizowania ekranowania pola elektrycznego przez substrat. Mniejsze ograniczenia odnośnie podłoża, to po raz kolejny więcej potencjalnych zastosowań. Nowa technologia otwiera tym samym drogę do aplikacji w wielu sektorach przemysłu, w których dotychczas nie było to możliwe.

Potencjalne pola aplikacyjne

Opracowywane przez XTPL rozwiązanie pozwoli na produkowanie nowej generacji warstw TCF (Transparent Conductive Films) – przezroczystych warstw przewodzących – wykorzystywanych przede wszystkim w produkcji wyświetlaczy, monitorów, ekranów dotykowych, a także w sektorze ogniw fotowoltaicznych, elektroniki drukowanej, biosensorów, układów typu lab-on-chip czy technologii zabezpieczeń antypodróbkowych. Niezwykle obiecujące jest rewolucyjne zastosowanie w branży Open-Defect Repair, czyli w naprawie przerwanych połączeń metalicznych w cienkowarstwowych układach elektronicznych. Team badawczo-rozwojowy XTPL nieustannie optymalizuje tą innowacyjną technologię oraz dostosowuje proces do kolejnych wymogów wdrożeniowych.

Podobne artykuły

Nasz Mecenas oraz członek Śląskiego Klastra NANO poszukuje kandydatów do pracy!   Obecnie Firma XTPL prowadzi rekrutację na stanowiska: Specjalista ds. Syntezy Nanomateriałów Starszy Konstruktor – Projektant Starszy Inżynier R&D w Laboratorium Aplikacyjnym Inżynier...
Twoją rolą będzie: Przeprowadzanie symulacji numerycznych zjawisk fizycznych zachodzących w trakcie procesu XTPL, ze szczególnym uwzględnieniem dynamiki płynów oraz modeli mechanicznych, Ścisła współpraca z zespołami eksperymentalnymi, dostarczanie informacji niezbędnych do optymalizacji procesu XTPL, Badanie...