Sensoren rechtstreeks uit de printer
De kans is groot dat je dit artikel leest op een laptop, gsm of tablet. Het stukje technologie in je handen, zit vol met sensoren. Momenteel worden zulke sensoren grotendeels gemaakt via silicon micromachining, een techniek die ook wordt gebruikt om computerchips te maken. Als je de prijs van zo’n chip kent, weet je dat deze niet goedkoop is. Bijgevolg zijn de sensoren dus ook relatief duur. Het doel van deze scriptie was om andere technologieën te verkennen die het productieproces van sensoren goedkoper en toegankelijker maken.
Het onderzoekscentrum IMO-IMOMEC in Diepenbeek, heeft alle benodigdheden voor proces- en materiaalonderzoek. Ze voeren onder andere onderzoek uit naar productieprocessen van printable electronics. Binnen deze masterproef werd onderzocht welke materialen en technieken toepasbaar zijn voor het printen van sensoren. Het uiteindelijke doel, sensoren printen, was in deze beginfase nog te complex. Daarom werd gezocht naar een product met gelijkaardige afmetingen maar minder complexiteit. Hierdoor werd er gekozen om een thermische actuator te printen. Dit is een klein apparaatje dat zal opwarmen wanneer er er stroom door loopt. Volgens het principe van thermische expansie zal dit apparaat uitzetten en zo voor een beweging zorgen.
De eerste stap was het in kaart brengen van de mogelijke procestechnieken en materialen. Uit eerder wetenschappelijk onderzoek was af te leiden dat print- en coat-technieken zoals blade-coating, zeefdrukken en inkjet printen een mogelijke vervanger zijn voor silicon micromachining. Bladecoating is een techniek waarbij inkt verspreid wordt over een oppervlak door middel van een mesje dat instelbaar is in hoogte, een beetje vergelijkbaar met hoe je deeg uitrolt met een deegrol. Bij zeefdrukken, de tweede techniek, wordt de inkt verspreid over een canvas, in dit canvas zijn bepaalde delen afgedekt. Er wordt dan met een rubbertje over het canvas gestreken waardoor de inkt wordt afgezet op de onbedekte plaatsen. De laatste techniek, inkjet printen, werkt volgens hetzelfde principe als de printer die je thuis hebt staan.
De voorgenoemde technieken hebben allemaal inkt nodig als grondstof. Om de thermische actuator te maken werd er voor zilver gekozen, het is zowel stevig en zet genoeg uit wanneer het warm wordt om de beweging te veroorzaken. Om iets te printen met zilver gebruik je natuurlijk geen gewone inkt maar een speciale oplossing van een draagvloeistof waarin superkleine deeltjes zilver opgelost zijn. Wij testten twee soorten zilverinkt, eentje met microvlokken en eentje met nanopartikels.
Elke inkt moet drogen, zo ook de zilverinkt. Dit gebeurt in een oven op 150°C, de zilverinkt, die wordt afgezet op een glazen plaatje, gaat zich hierdoor vasthechten op het glas waardoor hij niet meer los te krijgen is. Met een actuator die vastzit op een glasplaat kunnen we helaas niets doen. Er moest dus een manier gevonden worden om de zilverinkt los te krijgen. De oplossing hiervoor was om eerst een laagje inkt af te zetten dat na het hele proces kon worden opgelost, hierdoor komt de actuator vrij van de glasplaat. Wij bekeken hiervoor drie polymeren die konden dienen als eerste afzetlaag: PEO, PMMA en PVA.
Nu de technieken en materialen gekozen waren, kon het echte werk beginnen. Als eerste werd er gekeken naar welke techniek het best gebruikt werd om de zilverlaag af te zetten. De kleinste afmetingen in het ontwerp van de gewenste actuator waren 100 micrometer dik en 100 micrometer breed, ongeveer de dikte van een menselijk haar. Omdat er bij bladecoating geen controle is over de afmetingen van de afgezette laag, werd deze techniek al aan de kant geschoven. Inkjetprinten kan laagdiktes printen tot maximaal 4 micrometer, om zo 100 micrometer te behalen moet er 25 keer geprint worden wat niet haalbaar was. Dit brengt ons tot zeefdrukken waarbij laagdiktes tot 20 micrometer mogelijk zijn. Voor de polymeerlaag zorgt zeefdrukken voor een afdruk van het relief van de zeef op de eerste laag, daarom werd gekozen voor bladecoating. De vorm en dikte van de laag is niet van groot belang en als pluspunt kan er een heel erg vlakke laag bekomen worden.
Nu de technieken zwaren bepaald moesten de materialen nog gekozen worden. Voor de polymeerlaag bleek PVA de beste optie. PEO smelt op 60°C terwijl de oven waarin de inkt gedroogd wordt 150°C is, het was dus onvermijdelijk dat de PEO laag smolt. Voor PMMA is het probleem dat de laag niet oplost in water, er werd een inkt gemaakt met PMMA opgelost in aceton maar deze vloeistof was veel te vluchtig waardoor de PMMA zich afzette op het mesje van de bladecoater. Dit zorgde echte voor een onregelmatige laag. PVA bleek de beste oplossing, het was makkelijk af te zetten via bladecoating en was nog oplosbaar in warm water op het einde van het proces.
Als laatste moest er nog een keuze gemaakt worden tussen de twee inkten. De criteria waarop ze getest werden, zijn: elektrische en thermische geleidbaarheid onder invloed van toenemende droogtemperatuur, sterkte van de afgezette structuur, uitvloeiing van de inkt en opgewekte hitte. Rekening houdend met voorgaande factoren werd er voorgesteld om een inkt met zilveren micropartikels te gebruiken, deze inkt heeft eigenschappen tussen de nanopartikel inkt die te bros is en de microvlokken inkt die te elastisch is.
De actuator die geprint werd als een proof of concept vertoonde een groot probleem: door interne stress die zich opbouwde tijdens het droogprocess, vervormde de structuur van de actuator wanneer de polymeerlaag opgelost werd en de stroom door de actuator liep. Ondanks dit defect werkt de actuator. Met verder onderzoek kan het proces verfijnd worden zodat de problemen weggewerkt worden. Uit deze studie zijn interessante opties naar voren gekomen die de weg vrijmaken naar verder onderzoek omtrent printable electronics.
