Nytt ledande bläck öppnar för nästa generations tryckta elektronik

21 april 2021

Anders Ryttarson Törneholm

Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat ett stabilt polymert bläck med hög ledningsförmåga. Framsteget banar väg för nyskapande och mer energieffektiv tryckt elektronik. Resultaten publiceras nu i Nature Communications.

Bläck som sprejas mot kameran. — Bläcket kan enkelt appliceras genom att lösningen sprejas på en yta vilket gör komponenter med organisk elektronik enkla och billiga att tillverka. Thor Balkhed

Polymerer som kan leda elektricitet har möjliggjort utvecklingen av flexibla och lätta elektroniska komponenter som bland annat organiska biosensorer, solceller, lysdioder, transistorer och batterier.

Förmågan att leda elektricitet hos polymerer kan justeras genom en metod som kallad dopning. Det går ut på att tillföra olika molekyler, eller störämnen, till polymeren för att ändra dess egenskaper. Beroende på vilka störämnen som används kan den dopade polymeren leda elektrisk laddning antingen med elektroner (n-typ ledare) eller med positiva hål (p-typ ledare). Positiva hål uppstår när ett ämne som saknar en elektron i yttersta elektronskalet används som dopande molekyl.

Stort framsteg

Den mest använda polymeren idag kallas PEDOT:PSS och är en p-typ med många eftertraktade egenskaper – hög ledningsförmåga, god stabilitet och kommersiellt tillgängligt i flytande form. Forskare häller bläck i en bägare. Det nya n-typ materialet är en form av bläck med etanol som lösningsmedel. Foto Thor Balkhed Men många elektroniska komponenter kräver en kombination av n-typer och p-typer för att fungera. Fram till nu har det saknats en n-typ motsvarighet till PEDOT:PSS.

Nu har forskare vid Linköpings universitet tillsammans med kollegor i USA och Sydkorea utvecklat ett ledande n-typ polymert bläck som kallas BBL:PEI.

– Det här är ett stort framsteg som möjliggör nästa generations tryckta elektronik. Utan en passande n-typ polymer har det varit som att försöka gå på ett ben när vi utformar funktionella elektroniska komponenter. Vår upptäckt är det andra benet, säger Simone Fabiano, universitetslektor vid Institutionen för teknik och naturvetenskap vid Linköpings universitet.

Chi-Yuan Yang är postdoktor vid Linköpings universitet och en av huvudförfattarna till artikeln som nu är publicerad i Nature Communications. Han lägger till:

– Allt som kan göras med PEDOT:PSS kan också göras med vår nya polymer. Kombinationen av PEDOT:PSS och BBL:PEI öppnar nya möjligheter för att utveckla stabila och effektiva elektroniska kretsar, säger Chi-Yuan Yang.

Billig tillverkning

Det nya n-typ materialet är en form av bläck med etanol som lösningsmedel. Bläcket kan enkelt appliceras genom att lösningen sprejas på en yta vilket gör komponenter med organisk elektronik enkla och billiga att tillverka. Ledande bläck sprejas på en yta. Det nya bläcket banar väg för nyskapande och mer energieffektiv tryckt elektronik. Foto Thor BalkhedDessutom är bläcket mer miljövänligt jämfört med andra n-typ ledare som ofta innehåller i miljöfarliga lösningar. Det nya bläcket är kemiskt stabilt i luft samt tåligt mot höga temperaturer. Enligt Simone Fabiano är tekniken redo att användas.

– Storskalig produktion är möjlig redan nu och vi är väldigt glada att ha kommit så här långt på relativt kort tid. Vi förväntar oss att BBL:PEI kommer få samma genomslag som PEDOT:PSS. Samtidigt finns det mycket att göra för att anpassa bläcket till olika teknologier och vi behöver lära oss mer om materialet, säger Simone Fabiano.

Forskningen finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Vetenskapsrådet, Stiftelsen Åforsk, Olle Engkvists Stiftelse, Vinnova och via den strategiska satsningen på avancerade funktionella material vid Linköpings universitet.

Artikeln: A high-conductivity n-type polymeric ink for printed electronics Chi-Yuan Yang, Marc-Antoine Stoeckel, Tero-Petri Ruoko, Han-Yan Wu, Xianjie Liu, Nagesh B. Kolhe, Ziang Wu, Yuttapoom Puttisong, Chiara Musumeci, Matteo Massetti, Hengda Sun, Kai Xu, Deyu Tu, Weimin M. Chen, Han Young Woo, Mats Fahlman, Samson A. Jenekhe, Magnus Berggren, Simone Fabiano Nature Communications 2021 doi: 10.1038/s41467-021-22528-y

Fotnot: PEDOT:PSS är en förkortning för poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate. BBL:PEI är en förkortning för poly(benzimidazobenzophenanthroline): poly(ethyleneimine).

Forskare i ett laboratorium. Delar av forskargruppen på Laboratoriet för organisk elektronik. Från vänster Marc-Antoine Stoeckel, Tero-Petri Ruoko, Chi-Yuan Yang och Han-Yan Wu. Foto Thor Balkhed

Relaterade nyheter

Närbild på två pipetter, den ena droppar blått bläck och den andra rött. Bläcket bildar en tvåfärgad pöl.

Här är framtidens bläck för tryckt elektronik

Genom att blanda två polymerer med olika egenskaper har en grupp forskare, under ledning av Simone Fabiano, forskningsledare vid Laboratoriet för organisk elektronik, fått fram ett organiskt material med superb ledningsförmåga, utan att det är dopat.

Ny polymerblandning ger superkänslig värmesensor

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har fått fram en superkänslig värmesensor, böjbar, transparent och tryckbar. Resultatet öppnar för applikationer inom alltifrån sårläkning och elektronisk hud till smarta byggnader.

Jättekliv inom den organiska elektroniken

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har tagit fram världens första elektrokemiska logiska krets som är komplementär och som fungerar stabilt i vatten under lång tid. Genombrottet är av stor betydelse, bland annat inom bioelektroniken.

Forskning på högsta nivå

Avancerade funktionella material - AFM

Avancerade funktionella material, AFM, är en interdisciplinär forskningsmiljö som bedriver forskning inom avancerade funktionella material. Initiativet baseras på en satsning från regeringen med strategiska forskningsområden som grund.

Organisation

Apparat för extremt noggrann bearbetning

Organisk nanoelektronik

Forskningen i den organiska nanoelektronik-gruppen på LiU fokuserar på optoelektroniska och transportegenskaper hos organiska halvledare på nanoskalan.

Laboratoriet för Organisk Elektronik

Vid Laboratoriet för organisk elektronik, LOE, forskar och utvecklar vi komponenter och system som utnyttjar elektroniska och optiska funktioner i organiska molekyler och plaster.

Institutionen för teknik och naturvetenskap (ITN)

Vi forskar och undervisar inom flera tekniska och naturvetenskapliga discipliner. Våra största områden är organisk elektronik, medieteknik, kommunikationssystem och logistik.

Senaste nytt från LiU

Närbild på små bitar av lever i en petriskål.

Levern kan förutspå spridning av cancer i bukspottskörteln

Mikroskopiska förändringar i levern kan användas till att förutse hur bukspottkörtelcancer kommer att sprida sig. Upptäckten kan bidra till nya sätt att förutsäga sjukdomsförloppet och förebygga spridning till andra organ.

Den otekniska flickan är en myt

Flickor i årskurs 3 är fulla av självförtroende och intresse för teknik. Ett par år senare har de tappat allt. I sin doktorsavhandling vid Linköpings universitet undersöker Ulrika Sultan orsakerna.

Hon vill få robotar att uppföra sig bättre

Forskaren Hannah Pelikan tror att vi kommer att få se ökade konflikter mellan människor och robotar i framtiden. I sin forskning filmar hon vardagliga möten mellan människa och maskin för att se vad som händer.