Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej opracowano technologię wytwarzania polimerowych past używanych do drukowania elastycznych i rozciągliwych warstw elektronicznych bezpośrednio na podłożach tekstylnych. Obecnie trwają prace nad wykonaniem pierwszej serii tekstronicznych koszulek. Kolejnym krokiem będą aplikacje sensoryczne monitorujące czynności życiowe użytkownika. Istnieje możliwość drukowania różnego rodzaju elektrod oraz czujników, które będą tę funkcję spełniać w czasie rzeczywistym.
Autorem nowatorskiej technologii jest dr inż. Daniel Janczak w Zakładzie Mikrotechnologii i Nanotechnologii, który wcześniej zajmował się opracowywaniem past polimerowych na podłoża elastyczne, głównie folie na bazie nanopłatków grafenowych. W ramach prowadzonych prac przebadał szereg czynników materiałowych oraz parametrów technologicznych mających wpływ na właściwości elektryczne drukowanych warstw. Za poprzednie badania został wyróżniony w konkursie Innowator Mazowsza
Elektronika drukowana
Pod pojęciem elektroniki drukowanej kryją się technologie pozwalające wytwarzać elementy elektroniczne czynne i bierne oraz całe układy funkcjonalne na podłożach elastycznych (takich jak różnego rodzaju folie, elastyczne szkło czy papier) przy wykorzystaniu różnego rodzaju technik drukarskich powszechnie używanych np. w poligrafii.
– Aby możliwe było drukowanie elektroniki konwencjonalnymi metodami, potrzebne są do tego celu specjalne farby, tusze i pasty – wyjaśnia dr inż. Daniel Janczak. – Podobnie jak w przypadku klasycznych farb, których zadaniem jest wytworzenie warstwy o danym kolorze używa się różnych pigmentów, tak w przypadku farb do druku elektroniki używa się wypełniaczy. Ich podstawowym zadaniem jest zapewnienie nadrukowanej warstwie odpowiednich właściwości elektrycznych. Stosując różnego rodzaju materiały fazy funkcjonalnej, najczęściej w postaci drobnego proszku cząsteczek przewodzących, rezystywnych lub dielektrycznych o wielkości od kilku nanometrów do setek mikrometrów, możliwe jest sterowanie właściwościami elektrycznymi drukowanej warstwy.
Nadrukowana warstwa to kompozyt. Rdzeniem kompozytu jest materiał fazy funkcjonalnej, a jego osnową polimer, który zapewnia nadrukowanej warstwie odpowiednią adhezję do podłoża wytrzymałość mechaniczną i odporność na czynniki zewnętrzne.
Technologia sitodruku
W swoich badaniach dr inż. Daniel Janczak zajmuje się opracowywaniem nowych past do technologii sitodruku. Jest to technika grubowarstwowa pozwalająca na wytwarzanie warstw o grubości kilku mikrometrów. Korzystając ze zdobytego doświadczenia uczony, zajmuje się badaniami w nowej, dynamicznie rozwijającej się dziedzinie elektroniki rozciągliwej. Tego typu układy pożądane są między innymi w aplikacjach elektroniki osobistej, elektroniki noszonej.
Spośród dostępnych materiałów największy potencjał dają podłoża tekstylne. Tego rodzaju aplikacje nazywane są w Polsce tekstroniką. Wytwarzanie elektroniki na podłożach tekstylnych wiąże się z koniecznością rozwiązania wielu problemów: od drukowania na niejednorodnej chłonnej powierzchni poprzez wygórowane wymagania mechaniczne. Od układów na tkaninach oczekuje się aby były lekkie, cienkie, elastyczne, nie krepowały ruchów, a najlepiej, aby były niezauważalne dla użytkownika. Ponadto muszą wytrzymywać wszelkiego rodzaju odkształcenia mechaniczne, a przede wszystkim wytrzymywać pranie.
Potencjalne zastosowania
Spełnienie tych wymogów otwiera bardzo szeroką gamę potencjalnych zastosowań. Istnieje możliwość drukowania różnego rodzaju elektrod oraz czujników monitorujących funkcje życiowe użytkownika w czasie rzeczywistym. Jest to niezwykle ważne dla sportowców czy osób chorych. Dzięki tego typu aplikacjom np. pomiary EKG w trakcie testów wysiłkowych stają się dużo prostsze.
Do wielu z tych aplikacji wystarczy wytworzenie struktury składającej się z 3-4 warstw nadrukowanych w odpowiedniej kolejności z past o pożądanych właściwościach elektrycznych. Wykorzystując sitodruk, technikę powszechnie stosowaną do druku wzorów na koszulkach, autor opracowuje nowe aplikacje. Jak podkreśla – istotą sukcesu jest nowy nośnik zastosowany w wytwarzanych pastach: opracowana kompozycja osnowy polimerowej zapewnia pastom o różnej fazie funkcjonalnej odpowiednią reologię, a wydrukowanym warstwom po wysuszeniu odpowiednie właściwości mechaniczne (odporność na zginanie i rozciąganie) i stabilne właściwości elektryczne.
Sporządzone pasty pozwalają na wytwarzanie wielowarstwowych struktur bezpośrednio na tkaninie. Jak pokazuje pierwszy z wykonanych demonstratorów, możliwe jest wytworzenie ośmiowarstwowej struktury wyświetlacza elektroluminescencyjnego, odpornego na zginanie, bezpośrednio na koszulce. Testy wykazały, że drukowane struktury można prać, a nawet prasować bez szkody dla ich właściwości.
Źródło Politechnika Warszawska
