Hvordan skjermtrykk og fleksografisk trykk anvendes i produksjonen av papirbaserte sensorer og enheter

Skjermtrykk er en allsidig og mye brukt metode innen vitenskap og industri, særlig for produksjon av papirbaserte sensorer og enheter. Denne trykkmetoden innebærer at en skjerm, som er laget av et finmasket nett, plasseres på et substrat. Deretter presses blekk gjennom skjermen ved hjelp av en squeegee. Denne prosessen gjør det mulig å påføre en tynn, jevn belegg på overflaten av papiret eller et annet substrat. En fordel med skjermtrykk er dens enkelhet og lave krav til blekk, samt muligheten for automatisering. Den kan også oppnå oppløsninger på 100–200 μm, noe som gjør den egnet til applikasjoner som krever detaljert mønster, som for eksempel elektriske ledninger eller mikroflytiske chips.

Imidlertid finnes det også ulemper ved skjermtrykk, spesielt knyttet til oppløsningens nøyaktighet. Viskøst blekk har en tendens til å tette de små åpningene i stensilen, noe som kan føre til at blekket smøres utover områder der det ikke skal påføres. Dette kan føre til lavere presisjon på deler av mønsteret, særlig på ujevn overflate som vanlig papir. For å oppnå bedre detaljer, har forskere brukt belagte papirer, hvor blekket er mer kontrollert på grunn av den jevnere overflaten.

Fleksografisk trykk er en annen metode som er relevant for papirbaserte sensorer og enheter. Fleksografi er en kontaktbasert trykkmetode der flere valser brukes til å påføre blekk på et substrat. Den første valsen (anilox-vals) overfører blekk til den andre valsen (plategir), som deretter påfører blekket på substratet. Denne metoden er kjent for sin høye hastighet og produktivitet, noe som gjør den attraktiv for produksjon av store mengder produkter. Fleksografisk trykk er særlig nyttig i industrielle applikasjoner der rask produksjon er nødvendig, men den krever produksjon av en egen plate for hver enhet som skal trykkes, noe som gjør den best egnet for store produksjonsserier.

En av fordelene med fleksografisk trykk er muligheten til å bruke blekk med relativt høy viskositet, noe som kan være viktig for visse typer applikasjoner, som når det påføres elektroder på papir for sensorproduksjon. I en studie av Jansson et al. (2022), ble fleksografisk trykk brukt til å påføre sølvledere på papir, og det ble funnet at den beste kvaliteten ble oppnådd på belagt papir. Denne studien antyder at substratets overflatestruktur spiller en viktig rolle for blekkoverføringen, og at en balansert ruhet gir best resultat.

Wax printing, en annen trykkmetode som også kan være aktuell, er brukt til å lage mønstre med voks på et substrat. Denne metoden kan være kontaktbasert eller ikke-kontakt, avhengig av den spesifikke tekniske utformingen. Wax printing kan være spesielt nyttig for applikasjoner som krever tette barrierer eller spesifikke mønstre for å kontrollere væskebevegelse på substratet.

Det er viktig å merke seg at de ulike trykkmetodene, inkludert skjermtrykk og fleksografisk trykk, hver har sine fordeler og ulemper, og valget av metode avhenger sterkt av applikasjonens krav, som nøyaktighet, hastighet og materiale. Det er også nødvendig å ta hensyn til materialets egenskaper, som tykkelse, overflatestruktur og absorpsjonsevne, da disse faktorene kan påvirke resultatet betydelig. For eksempel, mens skjermtrykk kan være mer nøyaktig på tynne papirer eller belagte substrater, kan fleksografisk trykk være mer egnet for produksjon av store mengder produkter med mindre krav til detaljert oppløsning.

For forskere og ingeniører som utvikler papirbaserte enheter, er det derfor essensielt å forstå de tekniske kravene til hver trykkmetode og hvordan disse kan tilpasses for å oppnå ønsket ytelse i ulike typer sensorer og enheter.

Hvordan kan to-dimensjonale overgangsmetall-dikalcogenider forbedre superkondensatorer og sekundærbatterier?

To-dimensjonale overgangsmetall-dikalcogenider (TMD-er) har i de siste årene fått økt oppmerksomhet innen energilagringsteknologi, spesielt i superkondensatorer og sekundærbatterier. Disse materialene, som inkluderer forbindelser som MoS₂, WS₂ og TiS₂, utmerker seg på grunn av deres unike strukturelle og elektrokjemiske egenskaper. Den to-dimensjonale strukturen gir et stort overflateareal, som gjør TMD-er ideelle for elektroder i energilagringssystemer, der høy energitetthet og god konduktivitet er avgjørende.

I sekundærbatterier, som litium-ion-batterier, er de to-dimensjonale TMD-ene brukt som elektrode materialer på grunn av deres høye elektriske ledningsevne og evne til å reversibelt lagre og frigjøre ioner under batteriets lading og utlading. Dette gjør dem attraktive som alternativer til tradisjonelle grafitt-elektroder, som ofte har begrenset ytelse når det gjelder energilagring og syklisk stabilitet.

I tillegg til deres anvendelse i energilagring, har TMD-er også blitt undersøkt for deres potensiale i biosensorer og andre elektroniske applikasjoner. For eksempel er det mulig å bruke TMD-materialer til å utvikle høyfølsomme sensorer som kan detektere spesifikke biologiske markører, noe som kan være nyttig innen helsevesenet. TMD-ene tilbyr også et lovende fundament for utvikling av elektroniske systemer som kombinerer energilagring med biosensing-teknologi, hvilket muliggjør en mer integrert og multifunksjonell elektronikk.

I forbindelse med utviklingen av TMD-baserte superkondensatorer og batterier er det viktig å merke seg at det fortsatt er utfordringer som må overvinnes. For eksempel kan TMD-materialer i deres rene form være relativt skjøre, og derfor er det ofte nødvendig å bruke kompositter eller hybridmaterialer for å forbedre deres mekaniske og elektrokjemiske stabilitet. Videre må produksjonsprosessen for TMD-er være kostnadseffektiv og skalerbar for å møte behovene til kommersiell produksjon.

Materialeutvikling har også en nøkkelrolle i å fremme TMD-er som hovedmateriale i energilagringsteknologi. For eksempel har det blitt gjort betydelige fremskritt i modifikasjoner av TMD-ene for å forbedre deres elektrolytkompatibilitet og for å redusere tapene ved syklisk lading og utlading. Disse fremskrittene har bidratt til å forbedre både effektiviteten og levetiden til TMD-baserte enheter, og de fortsetter å være et aktivt forskningsområde.

I tillegg til deres rolle i energilagring, har TMD-materialene også potensialet til å revolusjonere fleksible og transparente elektroniske enheter. Når TMD-er kombineres med andre fleksible materialer, kan de produsere transparente og konduktive elektroder som kan brukes i alt fra trykkfølsomme skjermer til bøybare solcellepaneler. Dette kan ha stor betydning for utviklingen av nye typer elektronikk som er både funksjonelle og estetisk tiltalende.

Viktige aspekter å vurdere når man jobber med TMD-baserte systemer inkluderer forståelsen av deres elektrokjemiske egenskaper og hvordan man kan modifisere disse materialene for å optimere ytelsen i spesifikke applikasjoner. Det er også viktig å være oppmerksom på de miljømessige og økonomiske faktorene som er knyttet til produksjon og resirkulering av TMD-materialer.

Hvordan papirbaserte energilagringsenheter kan forme fremtidens fleksible teknologi

Papiret som substrat gir et lett, billig og lett tilgjengelig materiale som kan brukes til å lage elektroder for superkondensatorer og batterier. I tillegg til lav kostnad, gjør papirets struktur det mulig å utvikle fleksible og lett tilpassbare enheter. Forskning har vist at materialer som polypyrrol, et konduktivt polymer, kan brukes på papirbaserte elektroder, og gir en stabil ytelse og lang levetid for enhetene. Slike materialer kan kombineres med nanopartikler for å forbedre ledningsevnen og energilagringskapasiteten.

Forskning på papirbaserte elektroder har også sett på hvordan materialer som grafen og karbon-nanotuber kan brukes til å forbedre ytelsen. Grafenbaserte materialer, for eksempel, kan gi høy ledningsevne og mekanisk styrke, mens karbon-nanotuber har vist seg å være ideelle for å lage fleksible elektroder. Disse nanomaterialene gir en betydelig forbedring i både kapasitet og stabilitet for papirbaserte superkondensatorer. Forskning har også vist at man kan bruke trykkteknikker som blekkskriving for å fremstille fleksible og transparente elektroder på papir, noe som åpner for nye muligheter innen elektronikk og sensorutvikling.

Et annet viktig aspekt ved papirbaserte enheter er muligheten for selvbeskyttelse. I noen studier har forskere utviklet polypyrrolbaserte energilagringsenheter som er selvbeskyttende, det vil si at de kan beskytte seg mot skader fra ekstern påvirkning, noe som øker deres levetid og pålitelighet. Dette gjør at papirbaserte enheter kan være både funksjonelle og motstandsdyktige mot slitasje.

Papirbaserte energilagringsenheter kan også være viktige i konteksten av økt bærekraft. Når vi ser på fremtidens energilagringsteknologi, vil resirkulering og gjenbruk være avgjørende for å redusere miljøpåvirkningen. Papiret, som et naturlig og fornybart materiale, kan bidra til å gjøre disse enhetene mer miljøvennlige sammenlignet med tradisjonelle batterier som er laget av tungmetaller og andre giftige materialer. Ved å bruke papir som substrat, kan vi redusere avfallet som produseres under produksjonen av energilagringsenheter, samt skape en mer bærekraftig livssyklus for elektroniske enheter.

Papirbaserte energilagringssystemer kan ikke bare revolusjonere måten vi lager batterier og superkondensatorer på, men de kan også endre hvordan vi ser på fleksible enheter generelt. Potensialet til å utvikle bærbare sensorer, elektroder og energilagringsenheter på papir er enormt, og dette kan gjøre det mulig å produsere billige, effektive og miljøvennlige løsninger i stor skala.