ROLLA, Mo. — Elektronische componenten die langwerpig, gedraaid of uitgerekt kunnen zijn—bekend als "rekbare" elektronica—zou binnenkort alles van stroom kunnen voorzien, van medische wearables tot in-voertuigsystemen. En onderzoekers van de Missouri University of Science and Technology zijn baanbrekend bezig met een productieaanpak die deze technologie eindelijk mainstream kan maken.

Schrijven in de januarieditie van het tijdschrift 2017 Micromachines, de Missouri S&Het T-onderzoeksteam, geleid door Dr. Heng Pan, assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek, beoordeelde de huidige staat van rekbare elektronica en stelde een oplossing voor voor een van de meest hardnekkige uitdagingen in het veld: de fundamentele mismatch tussen flexibele oppervlakken en stijve elektronische geleiders.

De stijve-Flex-uitdaging

De kern van rekbare elektronica is het substraat—meestal een elastomeer, een polymeer met een hoge elasticiteit dat herhaaldelijk kan worden gebogen, uitgerekt, verbogen en gedraaid zonder dat dit invloed heeft op de prestaties. De elektronische geleiders die op dit flexibele oppervlak moeten worden gebouwd of ingebed, zijn echter vaak broos en stijf.

"Er zijn unieke ontwerpen en rekmechanismen voorgesteld om de mismatches te harmoniseren en materialen met zeer verschillende eigenschappen te integreren als één uniek systeem", schreef het onderzoeksteam.

Direct aerosolprinten: eennieuwe aanpak

Om dit rigide te overwinnen-flexbarrière, wendden Pan en zijn collega's zich tot additieve productie—een proces dat er drie bouwt-dimensionale objecten laag voor laag, vergelijkbaar met 3D-printen, maar met metalen, keramiek of andere functionele materialen.

Bij Missouri S&T, ze testen een specifieke aanpak die Pan 'direct aerosolprinten'noemt. Het proces omvat het spuiten van een geleidend materiaal en het integreren ervan met een rekbaar substraat.

"Met de ontwikkeling van additieve productie verschijnen directe schrijftechnieken als alternatief voor de traditionele methoden voor subtractieve patroonvorming", leggen de onderzoekers uit.. Traditionele subtractieve benaderingen omvatten fotolithografie, die gewoonlijk wordt gebruikt om halfgeleiders te vervaardigen.

Pan en zijn team zijn van mening dat additieve productie een goedkopere manier biedt om dezenieuwe apparaten te maken. "Direct printen, als additieve productiemethode, zou aan dergelijke eisen voldoen en lage kosten en hoge snelheid bieden bij zowel prototyping als productie", schreven ze. ‘Het zou een oplossing voor de kosten kunnen zijn-effectieve en schaalbare fabricage van rekbare elektronica".

Een prototype dat blijft hangen

Het team heeft al een werkend prototype gemaakt van een rekbaar elektronisch apparaat dat zich aan het gezicht kan hechten. "Het grootste voordeel van deze elektronica is dat ze volledig draagbaar kunnen zijn en zich volledig kunnen aanpassen aan elke vorm van beweging", vertelde Pan. R&D-tijdschrift. "Ze kunnen bijvoorbeeld op het gezicht worden gemonteerd en kunnen elke kleine beweging van je gezicht detecteren".

Potentiële toepassingen reiken veel verder dan gezichtssensoren. Deze rekbare geleiders zouden op een dag de stijve, broze printplaten kunnen vervangen die de elektronische apparaten van vandaag van stroom voorzien. Ze kunnen worden gebruikt als draagbare sensoren die zich aan de huid hechten om de hartslag of hersenactiviteit te controleren, als sensoren ingebed in kleding, of zelfs als dunne zonnepanelen die op gebogen oppervlakken kunnen worden gepleisterd..

"We zien veel voordelen. We denken dat dit de toekomst van elektronische ontwikkeling kan zijn", zei Pan.

Uitdagingen in het verschiet

Ondanks de belofte blijven ernog aanzienlijke hindernissen voordat rekbare elektronica op grote schaal wordt toegepast. Alle materialen dienodig zijn voor elk apparaat moeten printbaar zijn, wat de ontwikkeling vereist van inkten en printbare materialen met allenoodzakelijke eigenschappen voor elke elektronische functie.

"Er zijn ook integratie-uitdagingen, zoals variërende temperatuurvereisten tussen verschillende materialen", merkte Pan op. Een van de grootste huidige aandachtspunten van het team is het ontwikkelen van een effectieve, lange termijn-duurzame rekbare batterij. "Het energieapparaat is een zeer cruciaal onderdeel om dit realistisch te laten zijn," zei Pan. ‘We werken intensief aan de accu’.

De onderzoekers benadrukken ook denoodzaak om ervoor te zorgen dat rekbare elektronica en de kneedbare oppervlakken waarop ze zijn gebouwd goed samen presteren en verouderen.

Een flexibele toekomst

Ondanks deze uitdagingen blijft Pan optimistisch. "Additive manufacturing heeft het voordeel dat het gemakkelijk van het ene materiaalnaar het andere kan overschakelen en alle verschillende materialen samen in één print kan integreren", zei hij.. "Wij geloven dat de additieve techniek een zeer sterk voordeel heeft bij het creëren van elektronica".

Eenmaal geperfectioneerd, zal de technologie moeten worden opgeschaald voor commerciële productie—een proces dat 3D-printen inherent stroomlijnt. Uiteindelijk heeft het team apparaten voor ogen dieniet alleen laag zijn-kosten om te maken, maar ook biologisch afbreekbaar.

"Er zit veel potentieel in dit verband met de mens-computerinteractie”, zei Pan.

Het onderzoek is gepubliceerd in Micromachines (2017, 8(1), 7) onder de titel "Materialen, mechanica en patroontechnieken voor elastomeer-Gebaseerde rekbare geleiders".