第一個完全可回收的亞微米印刷電子產品可能會改變顯示器的製造方式

杜克大學的電氣工程師展示了在亞微米級打印功能齊全且可回收電子產品的能力。這項技術有可能影響價值超過 1500 億美元的電子顯示行業及其對環境的影響，同時為美國製造業在這一重要且快速增長的行業中獲得吸引力提供立足點。

該研究發表在期刊上 天然電子學。

杜克大學電氣、計算機和化學工程傑出教授亞倫·富蘭克林 (Aaron Franklin) 表示：“如果我們想在全球競爭對手主導的領域大幅增加美國製造業，我們就需要變革性技術。”

“我們的工藝打印的碳晶體管 100% 可回收，性能可與行業標準相媲美。這個結果太有希望了，值得進一步關注。”

電子顯示器幾乎在每個行業都發揮著關鍵作用：例如電視、計算機屏幕、錶盤和汽車顯示器。幾乎所有產品都是在海外製造的，主要是在韓國、中國和台灣。

由於溫室氣體排放和真空加工所需的巨大能源消耗，生產過程會對環境產生重大影響。最重要的是，聯合國估計，每年被丟棄的電子產品中只有不到 25 萬磅被回收。

幾年前，富蘭克林實驗室開發了世界上第一個完全可回收的印刷電子產品。然而，本次演示使用的是氣溶膠噴墨印刷，它無法形成小於 10 微米的特徵，這極大地限制了它們在消費電子領域的潛在應用。

在這項新研究中，富蘭克林和他的同事與 Hummink Technologies 合作克服了這個尺寸障礙。他們的“高精度毛細管印刷”機器利用自然競爭的表面能從同樣微小的吸管中吸取微量的墨水。這與紙巾具有如此吸水性的現象相同，因為液體被吸收到紙巾纖維之間的狹窄空間中。

“我們給哈明克送去了一些墨水，並取得了有希望的結果，”富蘭克林說。 “但直到我們在杜克大學引進了他們的一台打印機，我的團隊才意識到它的真正潛力。”

研究人員使用了三種由碳納米管、石墨烯和納米纖維素製成的碳基墨水，它們可以輕鬆地打印在玻璃和矽等剛性基材上，或紙張等柔性基材或其他環保表面上。它本質上與富蘭克林之前的研究中最初演示的墨水相同，但經過修改的流體特性使其可以與 Hummink 打印機一起使用。

在演示中，他們展示了這種新型墨水和硬件的組合可以打印數十微米長的零件，零件之間有亞微米級的小間隙。

這些依次形成的小間隙決定了碳基薄膜晶體管 (TFT) 的溝道長度，較小的溝道尺寸可實現卓越的電氣性能。正是這些晶體管構成了所有平板顯示器的背板。

富蘭克林說：“這類製造方法永遠不會取代高性能矽基計算機芯片，但我們認為它們在其他市場上具有競爭力，甚至具有變革性。”

世界上每一個數字顯示器的背後都有一個巨大的微型薄膜晶體管陣列，控制著每個像素。 OLED 顯示器需要更多電流，並且每個像素至少需要兩個晶體管，而 LCD 顯示器只需要一個。

在 之前的研究研究人員能夠展示他們的印刷、可回收晶體管驅動液晶顯示器上的多個像素。 Franklin 相信，新型亞微米印刷 TFT​​​​ 顯示器的性能已接近 OLED 顯示器所需的性能。

雖然這項技術還有其他潛在用途，例如在芯片上放置更多傳感器以提高其準確性，但富蘭克林認為數字顯示器最有希望。除了完全可回收之外，印刷過程比傳統的 TFT 生產方法需要的能源少得多，產生的溫室氣體排放也少得多。

“用這種技術製成的顯示器是我在實驗室見過的最可行的大規模應用，”富蘭克林說。

“對我來說，唯一真正的障礙是獲得足夠的投資和興趣來消除剩餘的障礙，以實現巨大的潛力。”

“不幸的是，我們尋求資金繼續開展這項工作的國家科學基金會項目，即未來製造項目，在今年早些時候被削減。但我們希望在不久的將來找到另一個合適的項目。”