3D-Drucken von Graphen-Tinte: Eigenschaften und Anwendungen

Beschreibung

Graphen-Tinte ist eine Mischung aus Graphen-Flocken, die mit einem flüssigen Lösungsmittel und einem Bindemittel vermischt sind. Die Tinte hat einzigartige Eigenschaften. Sie besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Flexibilität. Forscher haben an der Verbesserung ihrer Zusammensetzung gearbeitet, um sie für verschiedene Drucktechniken geeignet zu machen.

Zusammensetzung und Eigenschaften von Graphen-Tinte

Graphen-Tinte besteht hauptsächlich aus Graphen-Flocken und einer Trägerflüssigkeit. Bei der Flüssigkeit kann es sich um Wasser, Ethanol oder ein anderes organisches Lösungsmittel handeln. Manchmal wird ein polymeres Bindemittel hinzugefügt, damit die Tinte nach dem Druck auf der Oberfläche haftet. Die Größe der Graphenflocken spielt eine große Rolle für die Leistung der Tinte. Typische Graphenflockengrößen reichen von einigen hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern. Dies beeinflusst die Leitfähigkeit und die mechanische Festigkeit der gedruckten Struktur. In einigen Fällen kann die elektrische Leitfähigkeit nach entsprechender Behandlung Werte von 2000 bis 6000 Siemens pro Zentimeter erreichen.

In der Praxis werden Zusatzstoffe wie Tenside verwendet, um eine stabile Dispersion zu erhalten. Dadurch wird verhindert, dass das Graphen verklumpt. Bei einer Konzentration von etwa 0,1 bis 5 Gew.-% bietet die Tinte in der Regel ein gutes Gleichgewicht zwischen Druckbarkeit und Leistung. Die endgültige Formulierung kann variieren, aber der Grundgedanke bleibt gleich. Eine gut vorbereitete Graphen-Tinte weist eine niedrige Viskosität auf, die einen reibungslosen Fluss während des Drucks und eine hohe Haftung auf dem Substrat nach dem Trocknen ermöglicht.

Drucktechniken für Graphen-basierte Tinten

Es gibt verschiedene Methoden, Graphen-Tinte zu drucken. Der Tintenstrahldruck ist eine der gängigsten Techniken. Er ermöglicht eine hohe Auflösung auf Substraten und eignet sich gut für Schaltungen und Sensoren. Der Siebdruck ist eine weitere Option. Er ermöglicht eine schnellere Produktion und eignet sich für größere Flächen. In einigen Fällen wird der Aerosol-Jet-Druck eingesetzt, wenn feine Details erforderlich sind.

Auch der dreidimensionale Druck wurde bereits mit Tinten auf Graphenbasis eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden Schichten übereinander gelegt, um dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Das Verfahren wird häufig angepasst, um die niedrige Viskosität der Tinte zu bewältigen. Jede Drucktechnik hat ihre eigenen Vorteile. So wird beispielsweise der Tintenstrahldruck für detaillierte Arbeiten gewählt, während der Siebdruck für eine kostengünstige Produktion eingesetzt wird.

Mechanische und elektrische Leistung von gedruckten Strukturen

Gedruckte Graphenstrukturen weisen eine bewundernswerte mechanische und elektrische Leistung auf. Die gedruckten Schichten sind oft sehr dünn, was sich positiv auf die Flexibilität auswirkt. In Tests auf biegsamen Substraten wie Kunststofffolien sind die gedruckten Linien auch nach vielen Biegezyklen nicht gerissen. Diese Haltbarkeit ist für tragbare Geräte von entscheidender Bedeutung. Viele Studien haben gezeigt, dass selbst bei Biegeradien von nur wenigen Millimetern die elektrische Leitfähigkeit hoch bleibt.

Elektrisch gesehen sind gedruckte Graphenschichten hervorragende Leiter. Nach entsprechender Verarbeitung kann der Schichtwiderstand deutlich sinken. Einige gedruckte Materialien weisen einen Schichtwiderstand von weniger als 100 Ohm pro Quadrat auf. Derart niedrige Widerstände sind das Ergebnis der Überlappung der Graphenflocken. Durch zusätzliche thermische oder chemische Behandlungen kann die Leistung noch weiter verbessert werden. Diese Eigenschaften machen Graphen-Tinte zu einem Favoriten für Anwendungen, bei denen sowohl Festigkeit als auch Leitfähigkeit gefragt sind.

Anwendungen in der Elektronik und Sensorik

DieElektronik profitiert stark von gedruckten Graphenstrukturen. Gedruckte Schaltungen, Antennen und Verbindungen wurden mit Graphen-Tinte hergestellt. Das Material eignet sich gut für kostengünstige Radiofrequenz-Identifikationsetiketten und flexible Displays. Bei Sensoranwendungen wird Graphen-Tinte zum Drucken von Gassensoren, Temperatursensoren und Drucksensoren verwendet. Kapazitive Berührungssensoren, die auf flexible Substrate gedruckt werden, haben beispielsweise schnelle Reaktionszeiten gezeigt. Mit dem richtigen Design liefern diese Sensoren klare und zuverlässige Signale.

Gedruckte Graphenstrukturen spielen auch bei der Herstellung komplexer Schaltungen eine Rolle. Sie bieten eine Lösung, wo herkömmliche Metalltinten versagen, insbesondere auf flexiblen Oberflächen. Zu den häufigen Anwendungsfällen gehören intelligente Verpackungen und tragbare elektronische Geräte, bei denen Haltbarkeit und hervorragende Leitfähigkeit entscheidend sind.

Anwendungen in der Energiespeicherung und bei tragbaren Geräten

AuchEnergiespeichergerätehaben von Graphen-Tinte profitiert. Gedruckte Elektroden für Batteriesysteme und Superkondensatoren haben sich als sehr leistungsfähig erwiesen. Einige gedruckte Graphenelektroden weisen beeindruckende Lade-/Entladeraten und stabile Zyklen über Hunderte von Zyklen auf. Bei der Energiespeicherung ist die große Oberfläche von Graphen ein Vorteil. Sie bietet Platz für verbesserte elektrochemische Reaktionen.

Für tragbare Geräte sind die Flexibilität und das geringe Gewicht von gedruckten Graphen-Schaltkreisen ein großer Vorteil. Graphen-Tinte wird in Schaltkreisen auf Textilien oder Polymerfolien verwendet. In der Praxis wurden gedruckte tragbare Geräte in Gesundheitsmonitoren und intelligenten Uhren eingesetzt. Es gibt Fälle, in denen solche gedruckten Geräte auch nach vielen Zyklen des Dehnens und Biegens noch gut funktionieren. Das macht sie ideal für künftige Anwendungen im schnell wachsenden Bereich der Wearable Technology.

Fazit

Graphen-Tinte entwickelt sich zu einem Schlüsselmaterial in der modernen Technologie. Dank ihrer einzigartigen Zusammensetzung, ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit und ihrer mechanischen Festigkeit eignet sie sich für den 3D-Druck und verschiedene fortschrittliche Drucktechniken. Zu den vielversprechendsten Anwendungen zählen Elektronik, Sensorik, Energiespeicherung und tragbare Geräte.

Häufig gestellte Fragen

F: Wie stabil ist die Formulierung der Graphen-Tinte?
F: Die richtige Dispersion und Tenside tragen dazu bei, dass die Graphen-Tinte über lange Zeiträume stabil bleibt.

F: Welches Druckverfahren liefert die feinsten Details?
F: Der Tintenstrahldruck bietet im Vergleich zu anderen Verfahren feinere Details.

F: Funktionieren gedruckte Graphenschaltungen auf flexiblen Materialien?
F: Ja, gedruckte Graphenschaltungen funktionieren gut auf flexiblen Substraten.