ROLLA, Mo. — Elektronikus alkatrészek, amelyek megnyújthatók, csavarhatók vagynyújthatók—"nyújtható" elektronikaként ismert—hamarosan mindent elláthat az orvosi viselettől a beltéri eszközökig-járműrendszerek. A Missouri Tudományos és Technológiai Egyetem kutatói pedig úttörő szerepet töltenek be egy olyan gyártási megközelítésben, amely végre elvezetheti ezt a technológiát a fősodorba..

Írás a folyóirat 2017. januári számában Mikrogépek, a Missouri S&A T kutatócsoport Dr. Heng Pan gépész- és repülőgépmérnöki adjunktus vezetésével felmérte anyújtható elektronika jelenlegi állapotát, és megoldást javasolt a terület egyik legmaradandóbb kihívására: a rugalmas felületek és a merev elektronikus vezetők közötti alapvető eltérésre..

A merev-Flex Challenge

Anyújtható elektronika középpontjában a hordozó áll—jellemzően elasztomer,nagy rugalmasságú polimer, amely többszörösen hajlítható,nyújtható, behajtható és csavarható, anélkül, hogy a teljesítményét befolyásolná.. Azonban az elektronikus vezetők, amelyeket erre a rugalmas felületre kell építeni vagy beágyazni, gyakran törékenyek és merevek.

"Egyedi kialakításokat ésnyújtási mechanikát javasoltak az eltérések harmonizálására és anagyon eltérő tulajdonságokkal rendelkező anyagok egyetlen rendszerként történő integrálására" - írta a kutatócsoport.

Közvetlen aeroszolosnyomtatás: új megközelítés

Leküzdeni ezt a merevséget-flex barrier, Pan és munkatársai az additív gyártás felé fordultak—egy folyamat, amely hármat épít fel-dimenziós objektumok rétegről rétegre, hasonlóan a 3Dnyomtatáshoz, de fémeket, kerámiákat vagy más funkcionális anyagokat használnak.

Missouri S&T, egy sajátos megközelítést tesztelnek, amelyet Pan "közvetlen aeroszolosnyomtatásnak"nevez.. Az eljárás magában foglalja egy vezető anyag permetezését és egynyújtható hordozóval való integrálását.

"Az additív gyártás fejlődésével a direkt írási technikák a hagyományos szubtraktív mintázati módszerek alternatívájaként jelennek meg" - magyarázták a kutatók.. A hagyományos szubtraktív megközelítések közé tartozik a fotolitográfia, amelyet általában félvezetők gyártására használnak.

Pan és csapata úgy véli, hogy az additív gyártás gazdaságosabb utat kínál ezen új eszközök létrehozásához. "A közvetlennyomtatás, mint additív gyártási módszer kielégítené ezeket a követelményeket, és alacsony költséget ésnagy sebességet kínálna mind a prototípus-, mind a gyártás során" - írták. "Ez megoldás lehet a költségekre-nyújtható elektronika hatékony és méretezhető gyártása".

Egy ragadós prototípus

A csapat már elkészítette egy olyannyújtható elektronikus eszköz működő prototípusát, amely képes az arcra tapadni. "A legnagyobb előnye ennek az elektronikának az, hogy teljesen hordhatóak, és bármilyen mozgásra teljesen képesek" - mondta Pan. R&D Magazin. "Például felszerelhetők az arcra, és bármilyen kis mozgást észlelhetnek az arcodról.".

A lehetséges alkalmazások messze túlmutatnak az arcérzékelőkön. Ezek anyújtható vezetők egynapon felválthatják a merev, rideg áramköri lapokat, amelyek a mai elektronikai eszközöket táplálják. Használhatók hordható szenzorokként, amelyek a bőrön tapadnak a pulzusszám vagy az agyi aktivitás figyelésére, ruházatba ágyazott szenzorokként, vagy akár vékonynapelemekként, amelyeket ívelt felületekre lehet vakolni..

"Sok előnyt látunk. Úgy gondoljuk, hogy ez lehet az elektronikus fejlesztés jövője" - mondta Pan.

Kihívások Ahead

Az ígéret ellenére jelentős akadályok maradnak még anyújtható elektronika széles körben történő elterjedése előtt. Az egyes eszközökhöz szükséges összes anyagnaknyomtathatónak kell lennie, ami az egyes elektronikus funkciókhoz szükséges összes tulajdonsággal rendelkező tinták ésnyomtatható anyagok kifejlesztését igényli..

"Vannak integrációs kihívások is, mint például a különböző anyagok hőmérsékleti követelményei" - jegyezte meg Pan. A csapat egyik legnagyobb jelenlegi célja egy hatékony, hosszú-tartós,nyújtható akkumulátor. "Az energiaeszköznagyon kritikus komponens ahhoz, hogy ez reális legyen" - mondta Pan. "Intenzíven dolgozunk az akkumulátoron".

A kutatók azt is hangsúlyozzák, hogy biztosítani kell, hogy anyújtható elektronika és a képlékeny felületek, amelyekre épülnek, jól működjenek és együtt öregedjenek..

Rugalmas jövő

E kihívások ellenére Pan továbbra is optimista. "Az additív gyártás azzal az előnnyel jár, hogy könnyedén válthat egyik anyagról a másikra, és az összes különböző anyagot egynyomatba integrálhatja" - mondta.. "Úgy gondoljuk, hogy az additív technikánaknagyonnagy előnye van az elektronika létrehozásában".

A tökéletesítés után a technológiát bővíteni kell a kereskedelmi termeléshez—olyan folyamat, amelyet a 3Dnyomtatás eleve egyszerűsít. Végső soron a csapat olyan eszközöket képzel el, amelyeknem csak alacsonyak-létrehozásának költsége, de biológiailag lebomló is.

„Sok lehetőség rejlik ebben az emberrel kapcsolatban-számítógépes interakció” – mondta Pan.

A kutatás ben jelent meg Mikrogépek (2017, 8(1), 7) az „Anyagok, mechanika és mintázási technikák elasztomerhez” címmel-Alapú,nyújtható vezetők".