Zilveren nanodraadelektroden krijgen een geleidbaarheidsstoot met nieuwe coatingtechniek

Onderzoekers van UNIST hebben een eenvoudige maar effectieve methode onthuld om de isolerende coating – bekend als polyvinylpyrrolidon (PVP) – te vervangen die zilveren nanodraden (AgNW’s) bedekt, waardoor een aanzienlijk betere elektrische geleiding en verbeterde duurzaamheid mogelijk wordt. Deze innovatie maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van flexibele, opvouwbare en oprolbare elektronische apparaten die gebruik maken van transparante AgNW-elektroden.

Onder leiding van professor Tae-Hyuk Kwon van de afdeling scheikunde van UNIST, in samenwerking met Dr. Ji Hoon Seo van het Korea Electric Power Research Institute (KEPRI), professor EunAe Cho van KAIST en professor Sang-Won Park van de Suwon Universiteit, heeft het onderzoeksteam met succes het gemakkelijke, op oplossingen gebaseerde spin-coatingproces ontwikkeld om de traditionele isolerende PVP-coating op AgNW’s te vervangen. Deze aanpak verbetert tegelijkertijd zowel de prestaties als de duurzaamheid.

AgNW’s zijn metalen filamenten die duizenden keren dunner zijn dan mensenhaar, gerangschikt in een netwerk dat elektriciteit geleidt en tegelijkertijd licht doorlaat, waardoor ze ideaal zijn voor transparante elektroden in flexibele elektronische apparaten. Tijdens de fabricage wordt PVP echter gebruikt om de groei van nanodraden te bevorderen door hun oppervlakken in te kapselen. Helaas fungeert PVP ook als isolator, waardoor efficiënte elektrische geleiding wordt voorkomen en de algehele weerstand van de elektrode toeneemt.

Het onderzoeksteam bedacht een methode om PVP eenvoudig uit te wisselen met ethyleenglycol (EG) met behulp van een eenvoudig oplossingsproces. Door de AgNW’s onder te dompelen in een EG-oplossing en ze snel rond te draaien, wordt de PVP-coating effectief verwijderd, waardoor er een nieuwe, geleidende laag kan ontstaan. Deze laag verbetert niet alleen de elektrische paden, maar beschermt de nanodraden ook tegen vocht en verbetert de transparantie.

Het papier is gepubliceerd in het journaal Angewandte Chemie Internationale Editie.

Professor Kwon legde uit: “We hebben verschillende fysisch-chemische eigenschappen overwogen, zoals viscositeit, vluchtigheid en waterstofbindingsvermogen van potentiële vervangende liganden. Deze alomvattende aanpak heeft ons in staat gesteld een effectieve liganduitwisselingstechniek te ontwikkelen.”

De PVP-vervanging resulteerde in een vermindering van 43% in de elektrische weerstand, waardoor de geleidbaarheid bijna werd verdubbeld. Bovendien behielden de gemodificeerde elektroden hoge prestaties, zelfs onder zware omstandigheden (bij 85°C en 85% luchtvochtigheid) en vertoonden ze een lichte toename in lichttransmissie, waardoor de productie van helderdere, transparantere elektroden mogelijk werd.

Met behulp van deze verbeterde elektroden vervaardigde het team transparante verwarmingselementen die meer dan 35% hogere verwarmingsprestaties vertoonden in vergelijking met conventionele AgNW-verwarmers. Dankzij de lagere weerstand bereikten deze verwarmingselementen binnen slechts zes minuten na het inschakelen een temperatuur van 140°C–145°C, waarmee het vorige maximum van 102°C werd overtroffen.

Dr. Seo van KEPRI verklaarde: “Terwijl traditionele stroomkabels worden beschermd door externe isolatie om de elektrische stabiliteit te garanderen, vormde de isolerende PVP-coating op AgNW’s een uitdaging door de weerstand te vergroten. De nieuwe liganduitwisselingsmethode biedt een eenvoudige, schaalbare oplossing zonder ingewikkelde verwerking of hoge temperatuurbehandelingen. Deze technologie heeft een groot potentieel voor toepassingen in flexibele displays, draagbare sensoren, elektronisch papier en transparante verwarmingsapparaten in de volgende generatie elektronica.”