Forskare har lyckats integrera tvättbara, töjbara och andningsbara elektroniska kretsar i tyg, vilket öppnar upp för nya möjligheter för smarta textilier och bärbar elektronik.
Kretsarna tillverkades med billiga, säkra och miljövänliga bläck och trycktes med konventionell bläckstråletryckteknik.
Forskarna, från University of Cambridge, har tillsammans med kollegor i Italien och Kina visat hur grafen – en tvådimensionell form av kol – kan tryckas direkt på tyg för att producera integrerade elektroniska kretsar som är bekväma att bära och som kan överleva upp till 20 cykler i en vanlig tvättmaskin.
De nya textila elektroniska enheterna baseras på billig, hållbar och skalbar bläckstråleskrivning av bläck baserat på grafen och andra tvådimensionella material, och produceras med standardprocesstekniker. Resultaten publiceras i tidskriften Nature Communications.
Baserat på tidigare arbete med att formulera grafenbläck för tryckt elektronik, utformade teamet bläck med låg kokpunkt som trycktes direkt på polyestertyg. Dessutom fann de att modifiering av tygets grovhet förbättrade prestandan hos de tryckta enheterna.
Processens mångsidighet gjorde det möjligt för forskarna att inte bara designa enstaka transistorer utan även helt tryckta integrerade elektroniska kretsar som kombinerar aktiva och passiva komponenter.
De flesta bärbara elektroniska enheter som för närvarande finns tillgängliga bygger på styva elektroniska komponenter monterade på plast, gummi eller textil. Dessa har under många omständigheter begränsad kompatibilitet med huden, skadas när de tvättas och är obekväma att bära eftersom de inte andas.
”Andra bläck för tryckt elektronik kräver normalt giftiga lösningsmedel och är inte lämpliga att bära, medan våra bläck är både billiga, säkra och miljövänliga och kan kombineras för att skapa elektroniska kretsar genom att helt enkelt trycka olika tvådimensionella material på tyget”, säger Dr Felice Torrisi vid Cambridge Graphene Centre, som är huvudförfattare till artikeln.
”Digital textiltryckning har funnits i årtionden för att trycka enkla färgämnen på textilier, men vårt resultat visar för första gången att sådan teknik också kan användas för att trycka hela elektroniska integrerade kretsar på textilier”, säger professor Roman Sordan vid Politecnico di Milano, som är en av medförfattarna.
”Även om vi demonstrerade mycket enkla integrerade kretsar är vår process skalbar och det finns inga grundläggande hinder för den tekniska utvecklingen av bärbara elektroniska enheter, varken när det gäller komplexitet eller prestanda.”
”De tryckta komponenterna är flexibla, tvättbara och kräver låg effekt, vilket är viktiga krav för tillämpningar inom bärbar elektronik”, säger Tian Carey, doktorand och försteförfattare till artikeln.
Arbetet öppnar upp för ett antal kommersiella möjligheter för tvådimensionella materialbläck, allt från personlig hälso- och välbefinnandeteknik, till bärbar energiskörd och lagring, militära plagg, bärbar databehandling och mode.
”Att omvandla textilfibrer till funktionella elektroniska komponenter kan öppna upp för helt nya användningsområden, från hälsovård och välbefinnande till sakernas internet”, säger Torrisi. ”Tack vare nanotekniken kan våra kläder i framtiden innehålla denna textilbaserade elektronik, t.ex. displayer eller sensorer, och bli interaktiva.”
Användningen av grafen och andra relaterade 2D-material (GRM) för att skapa elektroniska komponenter och enheter integrerade i tyger och innovativa textilier står i centrum för de nya tekniska framstegen inom smarta textilier.
Teamen vid Cambridge Graphene Centre och Politecnico di Milano är också involverade i Graphene Flagship, ett EU-finansierat, paneuropeiskt projekt som syftar till att föra grafen- och GRM-teknik till kommersiella tillämpningar.
Forskningen stöddes av anslag från Graphene Flagship, European Research Council’s Synergy Grant, The Engineering and Physical Science Research Council, The Newton Trust, International Research Fellowship of the National Natural Science Foundation of China och Ministry of Science and Technology of China. Tekniken kommersialiseras av Cambridge Enterprise, universitetets kommersialiseringsavdelning.
Källa till berättelsen: Material tillhandahålls av Universitetet i Cambridge. Den ursprungliga berättelsen är licensierad under en Creative Commons-licens .