Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven laten zien hoe grafeen te verwerken is tot een gel. Ze demonstreren hoe die vervolgens te gebruiken is voor het zeefdrukken van zeer nauwkeurige geleidende baantjes in flexibele elektronica. Grafeen moet een alternatief bieden voor de milieuonvriendelijke metaalinkten die nu worden gebruikt.

Er is steeds meer vraag naar flexibele elektronica. Daarbij worden de geleidende baantjes nu meestal gedrukt met zilver- of kopergebaseerde inkten, die vervolgens worden gedroogd. Eerste nadeel is dat de geleidbaarheid erg kwetsbaar is voor buigen. Daarnaast komt het metaal na gebruik in de afvalberg terecht.

Grafeen in gel

De belangrijkste stap die de scheikundigen hebben ontwikkeld is het verwerken van grafeen tot een gel. Dat doen ze door de ultradunne lagen koolstof te mengen met een binder en een oplosmiddel. ‘Een goede drukinkt moet stabiel zijn; de opgeloste vaste stoffen mogen niet gaan klonteren. De gel zorgt ervoor dat de vaste stoffen simpelweg niet kunnen bewegen’, legt onderzoeker Heiner Friedrich uit.

Tijdelijk vloeibaarder

Op het eerste gezicht lijkt deze dikke pasta (zie foto) niet geschikt voor verwerking, maar bij zeefdrukken treedt een behulpzaam fysisch verschijnsel op: shear thinning. De drukker smeert de gel op het fijnmazige gaas en hierbij treden in het materiaal afschuifkrachten op die de viscositeit verlagen; de pasta wordt tijdelijk vloeibaarder. Hierdoor gaat hij gemakkelijk door het gaas en komt hij op een substraat terecht. Hier wordt de gel weer vaster. ‘Dat is mooi, want hierdoor vloeit het mengsel niet uit en halen we een hoge precisie’, aldus Friedrich. Smalle baantjes met een breedte van 40 µm werden gedrukt.

Lage temperatuur

Om de geleidende baantjes af te maken, is een droogstap nodig die het oplosmiddel laat vervliegen. De plakjes grafeen komen dan goed overlappend op elkaar te liggen. De Eindhovense onderzoekers droogden hun testsamples 5 minuten bij 100 ºC, een veel lagere temperatuur dan voor bestaande inkten nodig is. Die lagere temperatuur is van belang om het overige meestal plasticmateriaal van de flexibele elektronica niet te beschadigen.

Roll-to-roll

Het uiteindelijke doel is de druktechniek geschikt te maken voor gebruik in continue roll-to-roll-productie bij een doorvoersnelheid van 1 m/s. Samen met het in flexibele elektronica gespecialiseerde Holst Centre bekijken de onderzoekers nu of de gedrukte baantjes snel genoeg te drogen zijn met stralingswarmte.

Demonstratieproducten

De totale kosten van het nieuwe proces hebben de onderzoekers nog niet onder elkaar gezet. Zeker is wel dat de grondstof grafeen veel goedkoper is dan de nu gebruikte koper- of zilvergebaseerde inkten. Het onderzoek valt binnen het grote project The Graphene Flagship van de Europese Commissie. Binnen dit project gaan de onderzoekers de komende maanden demonstratieproducten maken, zoals flexibele elektronica en RFID-labels.