ROLLA, Mo. — Elektroniset komponentit, joita voidaan pidentää, kiertää tai venyttää—tunnetaan "venyttävänä" elektroniikkana—voisi pian toimia kaikkeen lääkinnällisistä puetettavista vaatteista sisään-ajoneuvojärjestelmät. Ja Missourin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijat ovat edelläkävijöitä valmistusmenetelmässä, joka saattaa vihdoin tuoda tämän teknologian valtavirtaan.

Kirjoittaminen lehden tammikuussa 2017 Mikrokoneet, Missouri S&T-tutkimusryhmä, jota johti mekaniikka- ja ilmailutekniikan apulaisprofessori Dr. Heng Pan, arvioi venyvän elektroniikannykytilan ja ehdotti ratkaisua yhteen alan sitkeimmistä haasteista: joustavien pintojen ja jäykkien elektroniikkajohtimien väliseen perustavanlaatuiseen yhteensopimattomuuteen..

Jäykkä-Flex Challenge

Joustavan elektroniikan ytimessä on alusta—tyypillisesti elastomeeri, korkean elastinen polymeeri, jota voidaan taivuttaa, venyttää, vääntää ja vääntää toistuvasti ilman, että se vaikuttaa sen suorituskykyyn. Kuitenkin elektroniikkajohtimet, jotka on rakennettava tai upotettava tähän joustavaan pintaan, ovat usein hauraita ja jäykkiä.

"Ainutlaatuisia malleja ja venytysmekaniikkaa on ehdotettu harmonisoimaan yhteensopimattomuudet ja yhdistämään materiaalit, joilla on hyvin erilaisia ominaisuuksia yhdeksi ainutlaatuiseksi järjestelmäksi", tutkimusryhmä kirjoitti.

Suora aerosolitulostus: uusi lähestymistapa

Voittaa tämä jäykkä-flex barrier, Pan ja hänen kollegansa siirtyivät lisäainevalmistukseen—prosessi, joka rakentaa kolme-mittaobjektit kerros kerrokselta, kuten 3D-tulostus, mutta käyttämällä metalleja, keramiikkaa tai muita toiminnallisia materiaaleja.

Missourissa S&T, he testaavat erityistä lähestymistapaa, jota Pan kutsuu "suoraksi aerosolitulostukseksi". Prosessi sisältää johtavan materiaalin ruiskutuksen ja sen integroimisen venyvään alustaan.

"Additiivisen valmistuksen kehittymisen myötä suorat kirjoitustekniikat tulevat esiin vaihtoehtona perinteisille subtraktiivisille kuviointimenetelmille", tutkijat selittivät.. Perinteisiä subtraktiivisia lähestymistapoja ovat fotolitografia, jota käytetään yleisesti puolijohteiden valmistuksessa.

Pan ja hänen tiiminsä uskovat, että additiivinen valmistus tarjoaa taloudellisemman tavan luodanäitä uusia laitteita. "Suorapainatus lisättynä valmistusmenetelmänä täyttäisi tällaiset vaatimukset ja tarjoaisi alhaiset kustannukset ja suurennopeuden sekä prototyyppien valmistuksessa että valmistuksessa", he kirjoittivat. "Se voi olla kustannusratkaisu-tehokas ja skaalautuva venyvän elektroniikan valmistus".

Prototyyppi, joka tarttuu

Tiimi on jo luonut toimivan prototyypin venyttävästä elektronisesta laitteesta, joka voi tarttua kasvoihin. "Tämän elektroniikan suurin etu on, ettäne voivat olla täysin puettavia jane voivat muotoutua täysin mihin tahansa liikkeeseen", Pan kertoi. R&D-lehti. "Ne voidaan asentaa esimerkiksi kasvoille jane voivat havaita minkä tahansa pienen liikkeen kasvoiltasi".

Mahdolliset sovellukset ulottuvat paljon kasvoantureita pidemmälle. Nämä venyvät johtimet voisivat jonain päivänä korvata jäykät, hauraat piirilevyt, jotka syöttävätnykypäivän elektroniikkalaitteita. Niitä voitaisiin käyttää ihoon kiinnittyvinä puettavina antureina sykkeen tai aivojen toiminnan seuraamiseen, vaatteisiin upotettuina sensoreina tai jopa ohuina aurinkopaneeleina, jotka voidaan rapata kaareville pinnoille..

"Näemme paljon hyötyä. Uskomme, että tämä voi olla sähköisen kehityksen tulevaisuus", Pan sanoi.

Haasteet edessä

Lupauksesta huolimatta merkittäviä esteitä on jäljellä ennen kuin venyvä elektroniikka tulee laajalti käyttöön. Kaikkien kuhunkin laitteeseen tarvittavien materiaalien on oltava tulostettavia, mikä edellyttää musteiden ja tulostettavien materiaalien kehittämistä, joilla on kaikki tarvittavat ominaisuudet kutakin elektronista toimintoa varten..

"On myös integraatiohaasteita, kuten vaihtelevat lämpötilavaatimukset eri materiaalien välillä", Pan huomautti. Yksi tiimin tämän hetken suurimmista painopisteistä on tehokkaan, pitkän-kestävä venyvä akku. "Energialaite on erittäin kriittinen komponentti, jotta tämä olisi realistista", Pan sanoi. "Työskentelemme intensiivisesti akun parissa".

Tutkijat korostavat myös tarvetta varmistaa, että venyvä elektroniikka ja muokattavat pinnat, joillene on rakennettu, toimivat ja vanhenevat hyvin yhdessä.

Joustava tulevaisuus

Näistä haasteista huolimatta Pan on edelleen optimistinen. "Lisäainevalmistuksessa on se etu, että se voi helposti vaihtaa materiaalista toiseen ja yhdistää kaikki eri materiaalit yhteen painoon", hän sanoi.. "Uskomme, että lisäainetekniikalla on erittäin vahva etu elektroniikan luomisessa".

Kun tekniikka on täydellinen, sitä on laajennettava kaupallista tuotantoa varten—prosessi, jota 3D-tulostus luonnostaan virtaviivaistaa. Viime kädessä tiimi visioi laitteita, jotka eivät ole vain alhaisia-valmistuskustannukset, mutta myös biohajoava.

"Tässä on paljon ihmisiin liittyvää potentiaalia-tietokoneen vuorovaikutus", Pan sanoi.

Tutkimus julkaistiin v Mikrokoneet (2017, 8(1), 7) otsikon alla "Materiaalit, mekaniikka ja kuviointitekniikat elastomeerille-Pohjaiset venytettävät johtimet".