Fremtiden for elektronik er elastisk

Strækbare elektroniske kredsløb er afgørende for blød robotteknologi, bærbare teknologier, og biomedicinske applikationer. De nuværende måder at lave dem på, selvom, har begrænset deres potentiale.

Et team af forskere i Yale-laboratoriet af Rebecca Kramer-Bottiglio, John J. Lee assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab, har udviklet en materiale- og fremstillingsproces, der hurtigt kan gøre disse enheder mere strækbare, mere holdbar, og tættere på at være klar til massefremstilling. Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Naturmaterialer .

En af de største udfordringer for dette område af elektronik er at forbinde strækbare ledere pålideligt med de stive materialer, der bruges i kommercielt tilgængelige elektronikkomponenter, såsom modstande, kondensatorer, og lysemitterende dioder (LED'er).

"Problemet er, at det er svært at forbinde noget blødt med noget stift, " sagde Shanliangzi Liu, hovedforfatter på papiret og en tidligere ph.d. studerende i Kramer-Bottiiglios laboratorium. Når de strækbare materialer bøjes og forlænges, en stor forskydningskraft udvikles ved grænsefladen og river ofte forbindelsen fra hinanden for at gøre kredsløbet ubrugeligt.

Et materiale kendt som eutektisk gallium-indium (eGaIn), som opretholder en flydende form ved stuetemperatur, har været brugt til forbindelser i strækbar elektronik, men dens høje overfladespænding forhindrer den i at forbinde korrekt til stive komponenter. Forskellige strategier er blevet brugt til at omgå dette problem, men på bekostning af at begrænse strækbarheden og holdbarheden af ​​de resulterende kredsløb.

Kramer-Bottiglios laboratorium tog en anden tilgang ved at bruge eGaIn nanopartikler til at udvikle et nyt materiale - bifasisk Ga-In (bGaIn) - som har både faste og flydende elementer. Ved opvarmning til 900 grader C, en nanopartikelfilm af eGaIn ændrer form, udvikle en tynd, fast oxidlag på toppen med et tykt lag af faste partikler indlejret i flydende eGaIn. Når pillet af, materialet overføres til strækbare underlag, svarende til, hvordan midlertidige tatoveringer fungerer.

Med en robust grænseflade mellem bGaIn og stive elektroniske komponenter, resultatet er en strækbar printpladesamling, der yder lige så godt som en konventionel, selv under høje belastningsniveauer. Tilgangen åbner muligheder for at skabe strækbare kredsløb til en bred vifte af industrielle applikationer, inklusive bløde skærme og smarte beklædningsgenstande.

For at demonstrere processen, holdet brugte det til at bygge en række enheder, inklusive et forstærkerkredsløb, der kunne strækkes til mindst fem gange dets oprindelige længde, et strækbart "Yale" LED-array, og et flerlags signalbehandlingskredsløb integreret med en strækbar sensor fastgjort til overfladen af ​​en brugers skjorteærme. Kredsløbene blev også påført en latexballon og "håndskrevet" på et meget porøst skum.

"Nøglen her er, at hele kredsløbet er strækbart, " sagde medforfatter Dylan Shah, en ph.d. studerende i Kramer-Bottiglios laboratorium. "Tidligere kredsløb brugt i bløde robotter havde en kombination af små områder, der ikke strakte sig, og derefter strækbare områder. Da vores kredsløb har en leder og en grænseflade, der begge er strækbare, de er meget mere elastiske og fleksible."

Til denne undersøgelse, forskerne brugte transferprint, hvilket kræver et manuelt trin. Liu, som nu er postdoc ved Northwestern University, sagde, at et af de næste trin med forskningen er at ændre bGaIn blækket til printbarhed, så det problemfrit kan integreres i automatiserede kredsløbsproduktionslinjer.