표면에 전자 잉크를 찍는 탄소 나노튜브 숲

약 12년 전, 나는 인쇄와 포장 분야의 나노물질의 미래에 관한 보고서를 썼습니다. 나는 그 사본이 오늘날 내 책장에만 존재할 수 있다고 생각하지만 그 동안 나노 물질이 이러한 영역에 어떻게 적용될 수 있는지에 대한 내 의견을 알려주는 데 도움이 되었습니다. 가장 최근에는 몇 년 전 이 페이지의 일부에 기여했습니다. 기본 질문: 본질적으로 일회용 품목에 적합할 만큼 저렴하게 나노물질을 일부 포장에 어떻게 넣을 수 있습니까?

쉽지 않았습니다. 그러나 MIT 연구원들은 고해상도 디스플레이에서 개별 픽셀을 제어하기 위한 트랜지스터 역할을 할 수 있도록 유연한 표면에 탄소 나노튜브를 배치하는 저비용의 강력한 스탬핑 방법을 개발했다고 믿고 있습니다.

Science Advances 저널에 설명된 연구에서, 표면에 탄소 나노튜브를 얻기 위해 개발된 기술은 이 응용 분야에서 훨씬 더 발전된 것으로 생각되어 온 잉크젯 인쇄 기술의 사용을 피합니다. 대신 그들은 다소 오래된 인쇄 기술인 우표를 사용했습니다.

물론, 스탬핑 기술은 이전에도 시도되었지만 잉크젯 인쇄와 동일한 문제에 자주 직면했습니다. 즉, 트랜지스터를 손상시키는 커피 링 패턴 뒤에 잉크가 남아 있어 세부 사항이 흐릿합니다.

연구를 이끈 MIT 부교수 A. 존 하트(A. John Hart)는 보도 자료에서 “기존 인쇄 프로세스에는 인쇄되는 레이어의 형상 크기와 두께를 제어하는 ​​데 중요한 한계가 있습니다.”라고 말했습니다. "특정 전기적 또는 광학적 특성을 지닌 트랜지스터나 박막과 같은 것의 경우 이러한 특성은 매우 중요합니다."

팀의 솔루션은 나노 다공성 표면을 가진 스탬프를 사용하는 것과 관련이 있었습니다. 즉, 표면이 나노 크기의 구멍으로 덮여 있음을 의미합니다. 기본적인 아이디어는 잉크가 나노기공을 균일하게 통과하여 목표 표면에 도달할 수 있다는 것이었습니다. 그들은 나노물질 카탈로그를 조사한 후 오래되고 좋은 탄소 나노튜브, 즉 그 숲을 선택했습니다.

Hart는 "전자제품의 고해상도 인쇄 솔루션이 수년 동안 탄소 나노튜브를 제조한 우리의 배경을 활용한다는 것은 다소 우연한 일입니다."라고 말합니다. "탄소 나노튜브 숲은 수많은 작은 펜 깃펜처럼 표면에 잉크를 전달할 수 있습니다."

나노다공성 스탬프를 제작하기 위해 연구진은 이전에 개발한 기술을 사용했습니다. 그들은 실리콘 표면에 탄소나노튜브를 패턴으로 성장시켰다. 그런 다음 그들은 잉크가 나노튜브 숲을 통해 고르게 흐르도록 하고 스탬핑 작업으로 인해 튜브가 압축되지 않도록 하는 폴리머로 나노튜브를 코팅했습니다.

나노다공성 표면이 이 접근법의 큰 돌파구였지만, 연구원들은 이 기술의 성공이 스탬프에 얼마나 균일한 압력이 가해지는지에 크게 좌우된다는 사실을 곧 발견했습니다. 압력을 가장 잘 적용하는 방법을 결정하기 위해 연구원들은 대상 표면에 균일한 잉크 층을 남기는 데 필요한 힘의 양을 계산하는 예측 컴퓨터 모델도 개발했습니다.

MIT 연구원들은 이미 전동 롤러를 갖춘 인쇄기를 개발하여 생산 공정 속도를 높이기 위한 조치를 취했습니다. 이 설정에는 연구원들이 가해지는 힘의 양을 제어할 수 있도록 스프링에 부착된 플랫폼에 다양한 스탬프를 놓는 작업이 포함되었습니다.

Hart는 "이것은 플라스틱 필름 스풀이나 전자제품용 특수 용지와 같이 인쇄하려는 기판이 있는 스탬프와 롤러가 있는 지속적인 산업 공정이 될 것"이라고 덧붙였습니다. "우리는 인쇄 시스템에 사용하는 모터의 제한으로 초당 200밀리미터의 속도로 지속적으로 인쇄할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이는 이미 산업용 인쇄 기술의 속도와 경쟁할 수 있는 속도입니다. 우리가 시연한 인쇄 해상도는 매우 고무적입니다."

연구원들에 따르면 최종 제품의 품질도 좋아 보였습니다. 전자 패턴을 어닐링한 후 연구진은 인쇄된 패턴 전반에 걸쳐 우수한 전도성을 측정했는데, 이는 적어도 고성능 투명 전극 역할을 할 만큼 충분했습니다.