ROLLA, Mo. — Komponen elektronik yang dapat dipanjangkan, dipelintir, atau diregangkan—dikenal sebagai elektronik yang "dapat diregangkan".—dapat segera memberi daya pada segala hal mulai dari perangkat medis hingga peralatan medis-sistem kendaraan. Dan para peneliti di Universitas Sains dan Teknologi Missouri sedang memelopori pendekatan manufaktur yang pada akhirnya dapat membawa teknologi ini ke arus utama.

Menulis di jurnal edisi Januari 2017 mesin mikro, Missouri S&Tim peneliti T, yang dipimpin oleh Dr. Heng Pan, asisten profesor teknik mesin dan dirgantara, menilai kondisi elektronik yang dapat diregangkan saat ini dan mengusulkan solusi untuk salah satu tantangan paling mendesak di bidang ini: ketidaksesuaian mendasar antara permukaan fleksibel dan konduktor elektronik yang kaku..

Yang Kaku-Tantangan Fleksibel

Inti dari perangkat elektronik yang dapat diregangkan adalah substratnya—biasanya merupakan elastomer, polimer dengan elastisitas tinggi yang dapat ditekuk, diregangkan, ditekuk, dan dipelintir berulang kali dengan sedikit dampak pada kinerjanya. Namun, konduktor elektronik yang harus dipasang atau tertanam pada permukaan fleksibel ini seringkali rapuh dan kaku.

“Desain unik dan mekanika peregangan telah diusulkan untuk menyelaraskan ketidaksesuaian dan mengintegrasikan material dengan sifat yang sangat berbeda sebagai satu sistem yang unik,” tulis tim peneliti.

Pencetakan Aerosol Langsung: Pendekatan Baru

Untuk mengatasinya kaku-penghalang fleksibel, Pan dan rekan-rekannya beralih ke manufaktur aditif—sebuah proses yang membangun tiga-objek berdimensi lapis demi lapis, mirip dengan pencetakan 3D tetapi menggunakan logam, keramik, atau bahan fungsional lainnya.

Di Missouri S&T, mereka sedang menguji pendekatan khusus yang disebut Pan sebagai "pencetakan aerosol langsung". Prosesnya melibatkan penyemprotan bahan konduktif dan mengintegrasikannya dengan substrat yang dapat diregangkan.

“Dengan berkembangnya manufaktur aditif, teknik penulisan langsung muncul sebagai alternatif terhadap metode pola subtraktif tradisional,” jelas para peneliti.. Pendekatan subtraktif tradisional mencakup fotolitografi, yang biasanya digunakan untuk memproduksi semikonduktor.

Pan dan timnya yakin manufaktur aditif menawarkan jalur yang lebih ekonomis untuk menciptakan perangkat baru ini. “Pencetakan langsung, sebagai metode manufaktur aditif, akan memenuhi persyaratan tersebut dan menawarkan biaya rendah dan kecepatan tinggi baik dalam pembuatan prototipe maupun manufaktur,” tulis mereka. “Ini mungkin bisa menjadi solusi untuk masalah biaya-fabrikasi elektronik yang dapat diregangkan secara efektif dan terukur".

Sebuah Prototipe yang Menempel

Tim telah menciptakan prototipe perangkat elektronik yang dapat diregangkan dan dapat menempel pada wajah. “Manfaat terbesar dari perangkat elektronik ini adalah dapat dipakai sepenuhnya, dan dapat disesuaikan dengan jenis gerakan apa pun,” kata Pan. R&Majalah D. “Mereka bisa dipasang di wajah, misalnya, dan bisa mendeteksi gerakan kecil apa pun dari wajah Anda”.

Aplikasi potensial melampaui sensor wajah. Konduktor yang dapat diregangkan ini suatu harinanti dapat menggantikan papan sirkuit yang kaku dan rapuh yang menjadi sumber daya perangkat elektronik saat ini. Mereka dapat digunakan sebagai sensor yang dapat dipakai dan menempel pada kulit untuk memantau detak jantung atau aktivitas otak, sebagai sensor yang tertanam dalam pakaian, atau bahkan sebagai panel surya tipis yang dapat ditempel pada permukaan melengkung..

“Kami melihat banyak manfaatnya. Kami pikir ini bisa menjadi masa depan perkembangan elektronik,” kata Pan.

Tantangan ke Depan

Meski menjanjikan, masih ada banyak kendala sebelum perangkat elektronik yang dapat diregangkan dapat diadopsi secara luas. Semua bahan yang dibutuhkan untuk setiap perangkat harus dapat dicetak, sehingga memerlukan pengembangan tinta dan bahan yang dapat dicetak dengan semua properti yang diperlukan untuk setiap fungsi elektronik..

“Ada juga tantangan integrasi, seperti persyaratan suhu yang berbeda-beda di antara material yang berbeda,” kata Pan. Salah satu fokus terbesar tim saat ini adalah mengembangkan jangka panjang yang efektif-baterai elastis yang tahan lama. “Perangkat energi merupakan komponen yang sangat penting agar hal ini menjadi realistis,” kata Pan. "Kami sedang mengerjakan baterai secara intens".

Para peneliti juga menekankan perlunya memastikan bahwa perangkat elektronik yang dapat diregangkan dan permukaan yang dapat ditempa berfungsi dan menua dengan baik.

Masa Depan yang Fleksibel

Meskipun terdapat tantangan-tantangan ini, Pan tetap optimis. “Manufaktur aditif memiliki keunggulan karena dapat dengan mudah mengubah satu bahan ke bahan lainnya dan mengintegrasikan semua bahan yang berbeda menjadi satu dalam satu cetakan,” katanya.. "Kami yakin teknik aditif memiliki keunggulan yang sangat kuat dalam penciptaan elektronik".

Setelah disempurnakan, teknologi tersebut perlu ditingkatkan untuk produksi komersial—sebuah proses yang secara inheren disederhanakan oleh pencetakan 3D. Pada akhirnya, tim membayangkan perangkat yang tidak hanya murah-biaya pembuatannya tetapi juga dapat terurai secara hayati.

“Ada banyak potensi dalam hal ini terkait dengan manusia-interaksi komputer," kata Pan.

Penelitian ini dipublikasikan di mesin mikro (2017, 8(1), 7) dengan judul “Bahan, Mekanika, dan Teknik Pola Elastomer-Konduktor Merenggang Berbasis".