Инженеры разрабатывают более простой и быстрый способ создания сложной и качественной трехмерной электроники

Инженеры UCLA разработали более быструю и простую технику 3D-печати для создания электроники, сокращая время их производства от нескольких часов до нескольких минут. Этот метод может быть использован для печати электроники в сложные формы в объемах, которые могут быть использованы от антенных решеток, протезирования, датчиков и заканчивая роботами. Исследование, детализирующее продвижение, было опубликовано в Nature Electronics.

Большинство современных электронных устройств, включая смартфоны и ноутбуки, используют плоскую двумерную электронику для компонентов, таких как внутренние датчики или антенны. Трехмерная электроника может предлагать кривые и формы, которые помогают экономить пространство внутри устройств. А сложные формы, которые практически могут быть изготовлены только с помощью трехмерной печати, также могут улучшить характеристики продукта, например, за счет усиления сигнала антенны.

Современные методы трехмерной печати для электроники используют многослойные чернила, которые являются электропроводящими. Этот многоэтапный процесс может занять как минимум несколько часов и несколько дней, чтобы выполнить большую сборку. Кроме того, этот процесс может дать только простые формы. Это причины, по которым трехмерная электроника не используется широко.

Чтобы изменить эту парадигму, исследователи из Школы инженерии UCLA Samueli разработали новый двухэтапный метод, который сокращает время процесса до нескольких минут: во-первых, команда использовала один оптический 3D-принтер для печати трехмерной формы с предварительно запрограммированными электростатическими зарядами.

Во-вторых, исследователи окунули напечатанные кусочки в раствор, который содержит растворенный материал, такой как электропроводящая медь. Через несколько секунд материал начал организовываться и прилипать к заданным формам.

Мало того, что новый подход намного быстрее, он также позволяет создавать электронику со сложными формами, детали которых составляют всего несколько десятых миллиметра.

“Наш гораздо более быстрый и простой метод может открыть дверь для интеграции новых классов трехмерной электроники, таких как более легкие и компактные антенны для смартфонов следующего поколения и связи 5G, или новых классов датчиков и интеллектуальных материалов для носимых устройств”, – сказал Сяоюй Чжэн, главный исследователь и доцент кафедры гражданского и экологического машиностроения, а также механического и аэрокосмического машиностроения в Калифорнийском университете.

Новый метод также может быть использован в тактильных датчиках, используемых в ультразвуковых машинах и роботах с мягким телом, сказал Чжэн, который возглавляет исследовательскую лабораторию, которая сочетает в себе технологии аддитивного производства и интеллектуальные материалы.

Ключом к мгновенному программированию подачи материалов в любые предварительно разработанные трехмерные элементы является использование электростатического притяжения – то же самое явление, которое объясняет, почему воздушный шар прилипает к стене после втирания его в волосы.

“Представьте, что у вас есть пустая сетка с квадратами, которые вы можете пометить черным, серым или белым цветом – это та же самая идея, что и здесь, когда мы программируем, куда идут электроды”, – сказал аспирант UCLA инженер Райан Хенсли, ведущий автор исследовательской статьи. – “Мы заполняем узорчатую решетку с материалами, которые положительно или отрицательно заряженные или нейтральные”.

“Затем мы используем эту модель электрического заряда для нанесения электродов, проводящих материалов и полупроводниковых материалов по всей поверхности трехмерного печатного продукта”, – добавил Хенсли.

Чтобы продемонстрировать возможности своей новой техники, исследователи напечатали несколько устройств, включая искусственные кончики пальцев, которые могут чувствовать очертания форм и точек давления. Подобный решетке датчик имеет поверхностные и внутренние электроды, которые обнаруживают формы при сжатии.

Команда также создала детальную модель Эйфелевой башни высотой 2 дюйма с электродами, проходящими по всей ее структуре, чтобы показать, как этот метод можно использовать для производства электроники со сложной структурой.

Новый подход, сказал Чжэн, может также объединить несколько материалов в готовом изделии, чего не удалось достичь предыдущими методами. Это может включать магнитные материалы, полупроводниковые материалы, керамика, пьезоэлектрики, которые представляют собой материалы, которые создают электрические заряды при нажатии, и углеродные нанотрубки, которые представляют собой свернутые листы атомов углерода.

По материалам Techxplore