Onderzoekers stellen een eenvoudige, goedkope benadering voor voor het fabriceren van koolstofnanobuisbedrading op plastic films

Koolstofnanobuisjes (CNT’s) zijn cilindrische buisachtige structuren gemaakt van koolstofatomen die zeer wenselijke fysieke eigenschappen vertonen, zoals hoge sterkte, laag gewicht en uitstekende thermische en elektrische geleidbaarheid. Dit maakt ze tot ideale materialen voor verschillende toepassingen, waaronder versterkingsmaterialen, apparaten voor energieopslag en -conversie, en elektronica.

Ondanks zo’n enorm potentieel zijn er echter uitdagingen geweest bij het commercialiseren van CNT’s, zoals hun integratie op plastic substraten voor het fabriceren van flexibele CNT-gebaseerde apparaten. Traditionele fabricagemethoden vereisen zorgvuldig gecontroleerde omgevingen zoals hoge temperaturen en een cleanroom. Verder vereisen ze herhaalde overdrachten om CNT’s met verschillende weerstandswaarden te produceren.

Als alternatieven zijn meer directe methoden ontwikkeld, zoals laser-geïnduceerde voorwaartse overdracht (LIFT) en thermische fusie (TF). Bij de LIFT-methode wordt een laser gebruikt om CNT’s rechtstreeks op substraten over te brengen, terwijl bij TF CNT’s worden gemengd met polymeren die vervolgens selectief door een laser worden verwijderd om CNT-draden met variërende weerstandswaarden te vormen.

Beide methoden zijn echter duur en hebben hun unieke problemen. LIFT vereist dure gepulseerde lasers en voorbereiding van CNT’s met specifieke weerstandswaarden, terwijl TF grote hoeveelheden CNT’s gebruikt die niet worden gebruikt en verloren gaan.

Om een ​​eenvoudigere en goedkopere aanpak te ontwikkelen, stelde universitair hoofddocent dr. Takashi Ikuno samen met zijn medewerkers, dhr. Hiroaki Komatsu, dhr. Yosuke Sugita en dhr. Takahiro Matsunami van de Tokyo University of Science, Japan, onlangs een nieuwe methode voor die fabricage van meerwandige CNT (MWNT) bedrading op een plastic film onder omgevingsomstandigheden (kamertemperatuur en atmosferische druk) met behulp van een goedkope laser.

De doorbraak, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten, omvat het coaten van een polypropyleen (PP) -film met een MWNT-film van ongeveer 10 μm dik en vervolgens blootstellen aan een mW UV-laser. Het resultaat is een geleidende bedrading gemaakt van een combinatie van MWNT en PP.

“Dit proces maakt het eenvoudig ’tekenen’ van bedrading en flexibele apparaten voor draagbare sensoren mogelijk zonder de noodzaak van complexe processen”, zegt Dr. Ikuno.

De onderzoekers schreven de vorming van deze draden toe aan het verschil in thermische geleidbaarheid tussen de MWNT- en de PP-film. Terwijl de MWNT/PP-film wordt blootgesteld aan de laser, zorgt de hoge thermische geleidbaarheid van de MWNT-laag ervoor dat de warmte zich over de lengte van de draad verspreidt, wat resulteert in hoge temperaturen op de MWNT-PP-interface en lagere temperaturen elders in de PP-film .

Direct onder de laser, waar de temperaturen het hoogst zijn, diffundeert het PP in de MWNT-film om een ​​dik PP/MWNT-composiet te vormen, terwijl een dunne PP/MWNT-laag wordt gevormd aan de randen van de laser waar de temperaturen relatief laag zijn.

De voorgestelde methode maakt het ook mogelijk koolstofdraden met verschillende weerstandswaarden binnen hetzelfde proces te vervaardigen (zonder herhaalde overdracht) door simpelweg de bestralingsomstandigheden te wijzigen, waardoor er geen extra stappen nodig zijn. Door de PP/MWNT-film bloot te stellen aan hoge laserenergieën, bereikt door lage scansnelheden, een groot aantal laserbelichtingen of het gebruik van een krachtige laser, ontstaan ​​dikkere draden met een hogere concentratie MWNT’s.

Bijgevolg verlaagt de lagere soortelijke weerstand van MWNT en de dikkere draad de weerstand per lengte-eenheid van de draad (weerstand is recht evenredig met de verhouding tussen de soortelijke weerstand en de dikte van de draad).

Door de blootstelling van de MWNT/PP-film aan laserlicht nauwkeurig te regelen, hebben de onderzoekers met succes MWNT-draden gefabriceerd met een breed scala aan weerstandswaarden, van 0,789 kΩ/cm tot 114 kΩ/cm. Bovendien waren deze draden zeer flexibel en behielden ze hun weerstand, zelfs als ze herhaaldelijk werden gebogen.

Bovendien loste de methode een van de dringende problemen met de huidige technieken op, namelijk het onvermogen van LIFT- en TF-technieken om CNT’s te hergebruiken die niet in het fabricageproces werden gebruikt. In de voorgestelde methode kunnen MWNT’s die tijdens laserbestraling niet in de PP-film zijn verwerkt, worden teruggewonnen en hergebruikt, waardoor nieuwe MWNT-draden kunnen worden gemaakt met weinig tot geen verandering in weerstandswaarden.

Met zijn eenvoud, efficiënt gebruik van CNT’s en de mogelijkheid om draden van hoge kwaliteit te maken, heeft de nieuwe methode het potentieel om grootschalige productie van flexibele koolstofbedrading voor flexibele sensoren en energieconversie- en opslagapparaten te realiseren.

“We verwachten dat de proceskosten aanzienlijk zullen worden verlaagd in vergelijking met die voor conventionele methoden. Dit zal op zijn beurt bijdragen aan de realisatie van goedkope flexibele sensoren die naar verwachting brede toepassingen in grote hoeveelheden zullen hebben”, concludeert Dr. Ikuno.