โรลล่า, โม. — ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถยืด บิด หรือยืดได้—เรียกว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบ "ยืดได้"—เร็วๆ นี้จะสามารถขับเคลื่อนทุกสิ่งตั้งแต่อุปกรณ์สวมใส่ทางการแพทย์ไปจนถึงภายใน-ระบบยานพาหนะ. และนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมิสซูรีกำลังบุกเบิกแนวทางการผลิตที่อาจนำเทคโนโลยีนี้ไปสู่กระแสหลักในที่สุด.

เขียนในวารสารฉบับเดือนมกราคม 2560 ไมโครแมชชีน, มิสซูรี เอส&ทีมวิจัย T นำโดย Dr. Heng Pan ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ ประเมินสถานะปัจจุบันของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดได้ และเสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับหนึ่งในความท้าทายที่คงอยู่นานที่สุดในสาขานี้ นั่นคือ ความไม่ตรงกันขั้นพื้นฐานระหว่างพื้นผิวที่ยืดหยุ่นกับตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ที่แข็ง.

แข็ง-ความท้าทายแบบยืดหยุ่น

หัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดได้คือวัสดุพิมพ์—โดยทั่วไปจะเป็นอีลาสโตเมอร์ ซึ่งเป็นโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงซึ่งสามารถงอ ยืด งอ และบิดซ้ำๆ ได้ โดยมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อย. อย่างไรก็ตาม ตัวนำอิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องต่อหรือฝังลงในพื้นผิวที่ยืดหยุ่นนี้มักจะเปราะและแข็ง.

"การออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์และกลไกการยืดได้รับการเสนอเพื่อประสานความไม่ตรงกันและรวมวัสดุที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันอย่างกว้างขวางให้เป็นระบบเดียวที่มีเอกลักษณ์" ทีมวิจัยเขียน

การพิมพ์สเปรย์โดยตรง: แนวทางใหม่

เพื่อเอาชนะความเข้มงวดนี้-แผงกั้นแบบยืดหยุ่น Pan และเพื่อนร่วมงานของเขาหันมาใช้การผลิตแบบเติมเนื้อ—กระบวนการที่สร้างสาม-วัตถุมิติทีละชั้น คล้ายกับการพิมพ์ 3 มิติ แต่ใช้โลหะ เซรามิก หรือวัสดุที่ใช้งานได้อื่นๆ.

ที่มิสซูรีเอส&T พวกเขากำลังทดสอบวิธีการเฉพาะที่ Pan เรียกว่า "การพิมพ์สเปรย์โดยตรง". กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการพ่นวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและบูรณาการเข้ากับวัสดุพิมพ์ที่ยืดได้.

“ด้วยการพัฒนาของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ เทคนิคการเขียนโดยตรงกำลังปรากฏเป็นทางเลือกแทนวิธีการลบรูปแบบแบบดั้งเดิม” นักวิจัยอธิบาย. วิธีการลบแบบดั้งเดิม ได้แก่ การพิมพ์หินด้วยแสง ซึ่งมักใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์.

Pan และทีมงานของเขาเชื่อว่าการผลิตแบบเติมเนื้อเป็นแนวทางที่ประหยัดกว่าในการสร้างอุปกรณ์ใหม่เหล่านี้. “การพิมพ์โดยตรงซึ่งเป็นวิธีการผลิตแบบเติมเนื้อจะตอบสนองความต้องการดังกล่าว และมีต้นทุนที่ต่ำและมีความเร็วสูงทั้งในการสร้างต้นแบบและการผลิต” พวกเขาเขียน “มันอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาเรื่องต้นทุน-การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้".

ต้นแบบที่เกาะติด

ทีมงานได้สร้างต้นแบบการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้ซึ่งสามารถยึดติดกับใบหน้าได้. “ประโยชน์ที่ใหญ่ที่สุดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้ก็คือสามารถสวมใส่ได้อย่างสมบูรณ์ และสามารถสร้างรูปแบบการเคลื่อนไหวได้ทุกประเภท” แพนกล่าว ร&นิตยสารดี. "สามารถติดตั้งบนใบหน้าได้ และสามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวเล็กๆ น้อยๆ จากใบหน้าของคุณได้".

การใช้งานที่เป็นไปได้มีมากกว่าเซ็นเซอร์ใบหน้า วันหนึ่งตัวนำที่ยืดได้เหล่านี้อาจเข้ามาแทนที่แผงวงจรที่แข็งและเปราะซึ่งจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน. สามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์สวมใส่ได้ซึ่งยึดติดกับผิวหนังเพื่อตรวจสอบอัตราการเต้นของหัวใจหรือการทำงานของสมอง เป็นเซ็นเซอร์ที่ฝังอยู่ในเสื้อผ้า หรือแม้แต่เป็นแผงโซลาร์เซลล์บาง ๆ ที่สามารถฉาบบนพื้นผิวโค้งได้.

“เราเห็นประโยชน์มากมาย เราคิดว่านี่อาจเป็นอนาคตของการพัฒนาทางอิเล็กทรอนิกส์” แพนกล่าว.

ความท้าทายข้างหน้า

แม้จะมีคำสัญญาไว้ แต่อุปสรรคสำคัญยังคงมีอยู่ก่อนที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้จะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย. วัสดุทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับแต่ละอุปกรณ์จะต้องพิมพ์ได้ โดยต้องมีการพัฒนาหมึกและวัสดุพิมพ์ที่มีคุณสมบัติที่จำเป็นทั้งหมดสำหรับฟังก์ชันอิเล็กทรอนิกส์แต่ละอย่าง.

“ยังมีความท้าทายในการบูรณาการ เช่น ความต้องการอุณหภูมิที่แตกต่างกันไปตามวัสดุที่แตกต่างกัน” แพนกล่าว. หนึ่งในจุดสนใจที่ใหญ่ที่สุดของทีมในปัจจุบันคือการพัฒนาประสิทธิภาพในระยะยาว-แบตเตอรี่ยืดได้ยาวนาน. “อุปกรณ์พลังงานเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากเพื่อให้สิ่งนี้เป็นจริง” แพนกล่าว "เรากำลังทำงานอย่างเข้มข้นกับแบตเตอรี่".

นักวิจัยยังเน้นย้ำถึงความจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดได้และพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งสร้างขึ้นจากประสิทธิภาพและอายุที่ดีร่วมกัน.

อนาคตที่ยืดหยุ่น

แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ Pan ก็ยังคงมองโลกในแง่ดี “การผลิตแบบเติมเนื้อมีประโยชน์ตรงที่สามารถเปลี่ยนจากวัสดุหนึ่งไปอีกวัสดุหนึ่งได้อย่างง่ายดาย และรวมวัสดุที่แตกต่างกันทั้งหมดเข้าด้วยกันในการพิมพ์เดียว” เขากล่าว. "เราเชื่อว่าเทคนิคการเติมแต่งมีข้อได้เปรียบอย่างมากในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์".

เมื่อสมบูรณ์แล้ว เทคโนโลยีจะต้องได้รับการขยายขนาดเพื่อการผลิตเชิงพาณิชย์—กระบวนการที่การพิมพ์ 3 มิติมีความคล่องตัวอย่างแท้จริง. ท้ายที่สุดแล้ว ทีมงานจินตนาการถึงอุปกรณ์ที่ไม่เพียงแต่มีระดับต่ำเท่านั้น-ต้นทุนในการสร้างแต่ยังสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ.

“มีศักยภาพมากมายในเรื่องนี้ที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์-การโต้ตอบกับคอมพิวเตอร์” ปานกล่าว.

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ใน ไมโครแมชชีน (2017, 8(1), 7) ภายใต้ชื่อ “วัสดุ กลศาสตร์ และเทคนิคการสร้างลวดลายสำหรับอีลาสโตเมอร์”-ตัวนำที่ยืดได้ตาม ".