基本信息
所属科技项目名称:石墨烯打印电子器件
项目主管部门:北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会
科技成果信息
科技成果名称:石墨烯打印电子器件
关键词:物联网;打印电子器件;功能化石墨烯复合材料;柔性湿度传感器;能源;5G可调谐天线
科技成果类型:原始创新
科技成果所处阶段:实验室研究
科技成果应用领域:科学研究和技术服务业
科技成果简介:本项目已在两年内建立功能化石墨烯墨水的初步数据库,为未来功能化电子打印器件的研制做好了材料和技术储备;同时,已建立和完善全打印电子线路板,开发出一套基于石墨烯墨水的可打印柔性传感系统。在本课题中,中方实验室主要从事功能化墨水的合成和打印工艺的优化。芬兰方实验室主要从事不同打印工艺的结合以及打印传感器件的联合研制,协助打印电路板设计和电子器件整合。中芬双方共同合作,交付丝网印刷的湿度传感器器件以及完成丝网印刷模板1 块。 本项目在2018年成功启动,项目完成进程主要分为三个阶段,第一个阶段实现了功能化石墨烯墨水的调制,并已将石墨烯墨水按照相应传感器需求进行了功能化修饰,完成了印刷工艺的优化。第二个阶段完成了打印电子线路的设计与优化,同时完成了全打印传感器见电子线路的优化。第三个阶段完成了整体器件系统的集成。 通过我们特有的石墨烯制备和加工工艺制造出系列功能化石墨烯墨水,利用芬兰课题组在打印电子器件上的优势,合作研发将解决全打印柔性电子器件的瓶颈问题。稳定性是氧化石墨烯类湿度传感器亟待解决的关键问题之一。依托于北京石墨烯研究院,结合石墨烯制备和加工工艺的优势制备出系列石墨烯墨水,实现功能化石墨烯墨水的调控,并建立初步数据库,有效解决了氧化石墨烯在空气中不稳定的问题。同时,根据石墨烯墨水本征特性,对湿度传感器制作工艺进行了优化,采用印刷或打印工艺实现柔性湿度传感器大规模批量制备,所制备石墨烯湿度传感器成本低、响应超快。联合芬兰课题组在打印电子器件领域的研究基础及科研成果,合作研发全打印电子器件,解决国内柔性电子器件瓶颈问题。 采用石墨烯/氧化石墨烯与聚合物基质材料复合的方式进行碳基材料表面包覆,从而制备出石墨烯/氧化石墨烯复合湿敏材料,实验证明,保护基质的加入不仅未影响材料的湿敏特性,还明显提升了材料的稳定性,有效解决了湿度传感稳定性问题。同时,通过改变石墨烯复合材料颗粒分布、成分配比等参数实现了石墨烯墨水黏度、表面张力等本征特性的有效调控,使得所制备墨水能较好匹配于丝网印刷工艺,从而完成湿度传感器件大规模批量制备工艺的探究,所形成制备工艺成本低廉,成品率高,极大的推动了国内打印电子器件行业产业化进程。本课题组所探究的功能化打印墨水及电子器件制备工艺可有效应用于柔性湿度传感器、柔性超级电容器、石墨烯可调谐天线等器件制备领域,最终将实现基于石墨烯复合材料的全打印电子器件和低成本、产业化的5G物联网传感系统。 开发了一套基于石墨烯墨水的可打印柔性传感及能源、天线系统: (1)采用全打印方法实现了所有电极材料及其他基础电路的制备;采用印刷的方法实现了所有导体电极及绝缘体传感材料的制备,实现了全打印的石墨烯湿度传感器的制备。 (2)完成了4x4湿度传感阵列的制备。柔性的传感阵列由4x4 的传感阵列组成,支撑基质为125μm PET(Melinex)聚合物薄膜。 (3)在湿度传感系统的基础上实现了进一步拓展,通过调整石墨烯复合材料颗粒分布、成分配比等参数实现了石墨烯墨水黏度、表面张力等本征特性的有效调控,建立了初步数据库,所制备墨水较好匹配于丝网印刷工艺,从而完成了湿度传感器件大规模批量制备工艺的探究,所形成制备工艺成本低廉,成品率高。 (4)将活性炭、石墨烯、导电添加剂、高分子粘结剂均匀混合在有机溶剂中,通过丝网印刷的方式,完成了基于石墨烯复合材料的全打印超级电容器的制备,所制备的石墨烯超级电容器厚度小于200μm,具有较好的柔性,其容量为19.5mF/cm2 功率密度为0.22Mw/cm2,1000次循环容量保持率仍大于99.2%,处于目前研究较高水平。 (5)以氧化石墨烯墨水为电极及离子浓差载体,采用喷墨打印的方式实现了全固态超高压仿生浓差电池的制备,该电池在湿度环境中可维持高达1.2V的开路电压。与传统电池不同,该电池绿色环保,适合规模化生产,高度可定制,满足了可穿戴电子产品和物联网应用的需求。通过串联175个单元,喷墨打印的全固态浓差电池实现了高达192V的开路电压;通过采用Peano分形设计的概念作为印刷图案,该浓差电池输出功率密度提高到了2.5 mW/ cm3,可与锂薄膜电池相媲美;通过采用折纸方式实现了可折叠的三维(3D)电池单元制备,展示了一种提供绿色电能的多功能设计。 (6)石墨烯功能化墨水不仅方便涂覆,同时适用于喷墨打印、丝网印刷等工艺,可较为精准的印制在基质材料上。基于此,开展了功能化石墨烯墨水在射频天线领域的应用,实现了基于石墨烯复合材料的宽带可调谐缝隙天线的制备,所制备天线工作带宽为2.83GHz到6GHz,在加载电压小于15V时最大频偏为0.54GHz。基于功能化墨水的石墨烯可调谐天线具有较好的可加工性和重复性,为射频天线行业规模化生产和柔性打印天线的开发奠定了基础。
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