ROLLA, Mo. — Elektronische Komponenten, die verlängert, verdreht oder gedehnt werden können—bekannt als „dehnbare“ Elektronik—könnte bald alles mit Strom versorgen, von tragbaren medizinischen Geräten bis hin zu tragbaren Geräten-Fahrzeugsysteme. Und Forscher der Missouri University of Science and Technology entwickeln einen Fertigungsansatz, der diese Technologie endlich in den Mainstream bringen könnte.

Schreiben in der Januarausgabe 2017 der Zeitschrift Mikromaschinen, der Missouri S&Das T-Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Heng Pan, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, bewertete den aktuellen Stand der dehnbaren Elektronik und schlug eine Lösung für eine der hartnäckigsten Herausforderungen auf diesem Gebiet vor: die grundlegende Diskrepanz zwischen flexiblen Oberflächen und starren elektronischen Leitern.

Das Starre-Flex-Herausforderung

Das Herzstück der dehnbaren Elektronik ist das Substrat—typischerweise ein Elastomer, ein Polymer mit hoher Elastizität, das wiederholt gebogen, gedehnt, geknickt und verdreht werden kann, ohne dass dies seine Leistung beeinträchtigt. Allerdings sind die elektronischen Leiter, die auf dieser flexiblen Oberfläche aufgebaut oder darin eingebettet werden müssen, oft spröde und starr.

„Es wurden einzigartige Designs und Dehnungsmechanismen vorgeschlagen, um die Fehlpaarungen zu harmonisieren und Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften in einem einzigartigen System zu integrieren“, schrieb das Forschungsteam

Direkter Aerosoldruck: Einneuer Ansatz

Um diese Starrheit zu überwinden-Aufgrund der flexiblen Barriere wandten sich Pan und seine Kollegen der additiven Fertigung zu—ein Prozess, der drei aufbaut-dimensionale Objekte Schicht für Schicht, ähnlich wie beim 3D-Druck, jedoch unter Verwendung von Metallen, Keramik oder anderen funktionellen Materialien.

In Missouri S&T, sie testen einen spezifischen Ansatz, den Pan „direkten Aerosoldruck“nennt.. Bei diesem Verfahren wird ein leitfähiges Material aufgesprüht und in ein dehnbares Substrat integriert.

„Mit der Entwicklung der additiven Fertigung tauchen Direktschreibtechniken als Alternative zu den traditionellen subtraktiven Musterungsmethoden auf“, erklärten die Forscher. Zu den traditionellen subtraktiven Ansätzen gehört die Fotolithographie, die häufig zur Herstellung von Halbleitern eingesetzt wird.

Pan und sein Team glauben, dass die additive Fertigung einen wirtschaftlicheren Weg zur Herstellung dieserneuen Geräte bietet. „Direktdruck als additive Fertigungsmethode würde diese Anforderungen erfüllen und sowohl beim Prototyping als auch bei der Fertigungniedrige Kosten und hohe Geschwindigkeit bieten“, schrieben sie. „Es könnte eine kostengünstige Lösung sein-effektive und skalierbare Herstellung dehnbarer Elektronik“.

Ein Prototyp, der hängen bleibt

Das Team hat bereits einen funktionierenden Prototyp eines dehnbaren elektronischen Geräts erstellt, das am Gesicht befestigt werden kann. „Der größte Vorteil dieser Elektronik besteht darin, dass sie vollständig tragbar ist und sich jeder Art von Bewegung anpassen kann“, sagte Pan R&D-Magazin. „Sie können zum Beispiel am Gesicht angebracht werden und könnten jedenoch so kleine Bewegung Ihres Gesichts erkennen.“.

Mögliche Anwendungen gehen weit über Gesichtssensoren hinaus. Diese dehnbaren Leiter könnten eines Tages die starren, spröden Leiterplatten ersetzen, die heutige elektronische Geräte mit Strom versorgen. Sie könnten als tragbare Sensoren verwendet werden, die auf der Haut haften, um die Herzfrequenz oder Gehirnaktivität zu überwachen, als in Kleidung eingebettete Sensoren oder sogar als dünne Solarpaneele, die auf gekrümmte Oberflächen geklebt werden könnten.

„Wir sehen viele Vorteile. Wir glauben, dass dies die Zukunft der elektronischen Entwicklung sein kann“, sagte Pan.

Vor uns liegende Herausforderungen

Trotz des Versprechens bleiben erhebliche Hürden bestehen, bevor dehnbare Elektronik weit verbreitet wird. Alle für jedes Gerät benötigten Materialien müssen druckbar sein, was die Entwicklung von Tinten und druckbaren Materialien mit allennotwendigen Eigenschaften für jede elektronische Funktion erfordert.

„Es gibt auch Integrationsherausforderungen, wie zum Beispiel unterschiedliche Temperaturanforderungen bei verschiedenen Materialien“, bemerkte Pan. Einer der größten aktuellen Schwerpunkte des Teams ist die Entwicklung eines effektiven, langen-langlebiger, dehnbarer Akku. „Das Energiegerät ist eine sehr entscheidende Komponente, damit dies realistisch ist“, sagte Pan. „Wir arbeiten intensiv an der Batterie“.

Die Forscher betonen auch die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass dehnbare Elektronik und die formbaren Oberflächen, auf denen sie aufgebaut sind, zusammen gut funktionieren und altern.

Eine flexible Zukunft

Trotz dieser Herausforderungen bleibt Pan optimistisch. „Die additive Fertigung hat den Vorteil, dass sie problemlos von einem Material zum anderen wechseln und alle verschiedenen Materialien in einem Druck integrieren kann“, sagte er. „Wir glauben, dass die additive Technik einen großen Vorteil bei der Herstellung von Elektronik hat.“.

Sobald die Technologie perfektioniert ist, muss sie für die kommerzielle Produktion skaliert werden—ein Prozess, der durch den 3D-Druck von Natur aus rationalisiert wird. Letztendlich stellt sich das Team Geräte vor, dienichtnurniedrig sind-kostenintensiv herzustellen, aber auch biologisch abbaubar.

„Hier gibt es großes Potenzial in Bezug auf den Menschen-Computerinteraktion", sagte Pan.

Die Forschung wurde veröffentlicht in Mikromaschinen (2017, 8(1), 7) unter dem Titel „Materialien, Mechanik und Strukturierungstechniken für Elastomer“.-Basierend auf dehnbaren Leitern.