In een recente studie over materiaalkunde en nanogeneeskunde, Young-Geun Park en medewerkers van de afdelingen Nanoscience, Nanomedicine en Materials Science and Engineering in de Republiek Korea hebben een onconventionele 3D-printbenadering ontwikkeld. De wetenschappers ontwierpen een hoge resolutie, herconfigureerbare 3D-printstrategie met vloeibare metalen om rekbare, 3D constructies. Met behulp van de techniek, ze vormden een minimale lijnbreedte van 1,9 m met behulp van direct printen en afgedrukte patronen voor herconfiguratie in diverse 3D-structuren met behoud van onberispelijke resoluties.

Ze voerden vele malen herconfiguraties uit om een ​​dun oxide-interface te genereren en de elektrische eigenschappen van het materiaal onder omgevingsomstandigheden te behouden. De vrijstaande functies kunnen worden ingekapseld in rekbare, conforme configuraties. Park et al. gedemonstreerde toepassingen in de vorm van herconfigureerbare antenne, afstembaar door veranderende geometrieën en omkeerbaar beweegbare verbindingen om de constructies als mechanische schakelaars te gebruiken. De vrijstaande 3D-structuren waren voordelig om het aantal en de ruimte tussen interconnecties te minimaliseren voor een hogere integratie, zoals gezien met microLED-arrays. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Geavanceerde technologieën die geleidende 3D-structuren vormen met een hoge resolutie, hoge aspectverhoudingen en minimale verplaatsingsfouten zijn belangrijk om de integriteit van het apparaat te vergroten. Vervormbaarheid van het apparaat is een belangrijke overweging voor elektronica in vrije vorm, inclusief rekbare elektronica, draagbare elektronica, zachte actuatoren en robotica. Deze elektronische apparaten vereisen doorgaans conformatie met beweegbare, willekeurige vormen zoals gewrichten of armen, of de zachte oppervlakken van levende organismen. Het realiseren van dergelijke rekbare apparaten met conventionele materialen zoals silicium is een uitdaging vanwege hun brosheid. Materiaalwetenschappers hebben daarom diverse geleidende materialen ontwikkeld met een uitstekende rekbaarheid in de vorm van golvende dunne metalen, metalen netwerken en elastomere composieten, toch zijn deze processen niet in staat om schaalbare 3D-structuren te vormen. In aanvulling, 3D geprint, en thermisch gegloeide metalen zijn relatief stijf en stijf en veroorzaken schade aan zachte, weefselachtige substraten.

Ter vergelijking, vloeibare metalen zoals eutectische gallium-indiumlegering (EGaIn) of gallium-indium-tinlegering (Galinstan) zijn intrinsiek rekbaar, met lage toxiciteit en minimale vluchtigheid voor uitstekende elektrische geleidbaarheid - vergelijkbaar met vaste metalen. Direct printen met inkt met een mondstuk kan bij kamertemperatuur vrijstaande 3D-structuren vormen door druppels vloeibaar metaal op elkaar te stapelen, maar de resulterende resolutie is niet geschikt om elektronische apparaten te bouwen. In het huidige werk wordt daarom Park et al. rapporteer een afdrukmethode met hoge resolutie met vloeibaar metaal voor de directe herconfiguratie in 3D-elektrodepatronen via een mondstuk, onder omgevingsomstandigheden.

In de proefopstelling is Park et al. een nozzle aangesloten op een inktreservoir of drukregelaar. De materiaalwetenschappers gebruikten EGaIn (75,5 procent gallium en 24,5% indiumlegering) als inkt en controleerden de afstand tussen de punt van de spuitmond en het polymeersubstraat om de inkt af te geven. Met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM), ze bekeken het EGaIn-patroon dat was afgedrukt met complexe 2D- en 3D-geometrieën en gebruikten de techniek om meer diverse patronen af ​​te drukken, zoals onderlinge verbindingen van elektrische circuits met een hoge resolutie.

Na het rechtstreeks afdrukken van EGaIn via een mondstuk, de wetenschappers tilden de punt van de spuitmond op om deze te verplaatsen naar de gewenste positie van het substraat om door te gaan met afdrukken. De breukenergie van de oxidehuid verbond de mondstukpunt als een "touw" tijdens het opstijgen. Park et al. mat de maximale snelheden voor verschillende diameters van filamenten om verschillende voorbeelden te demonstreren en vormde 2D- en 3D-kenmerken met herhaalbare herconfiguratie. Tijdens het proces van herconfiguratie, de wetenschappers konden een voorbedrukt filament rechtop van een substraat tillen zonder het construct te breken. De waargenomen stabiele elektroden waren bestand tegen elektrische belasting om steeds meer geïntegreerd en geminiaturiseerd te worden in elektrische apparaten. Om de geschiktheid van EGaIn-elektroden als onderlinge verbindingen te verifiëren, Park et al. daarna elektrische storingstests uitgevoerd.

Toen ze DC- of AC-bias toepasten om elektrische storingen te bewaken, de temperatuur nam ook toe in de experimentele opstelling en beïnvloedde de mechanische stabiliteit van de EGaIn 3-D-functies. De constructies behielden hun oorspronkelijke vrijstaande 3D-structuur zonder structurele ineenstorting bij 500 ⁰ C gedurende 30 minuten. Na herhaalde verwarming en koeling bij kamertemperatuur, de oxidehuid van de 3D-functie is licht gerimpeld door thermische uitzetting tussen de oxideschil en de EGaIn-kern. Park et al. testte het elektrische contact van direct geprinte en opnieuw geconfigureerde vloeibare metalen en mat de afhankelijkheid van de totale weerstand van de lengte van het gedrukte kanaal om aan te tonen dat de weerstand van EGaIn-patronen aanzienlijk toenam in de tijd onder omgevingsomstandigheden.

Als een proof-of-principle van de herconfigureerbare elektronica die in het huidige werk is ontwikkeld, Park et al. demonstreerde de vorming van een herconfigureerbare antenne met het vermogen om de resonantiefrequentie en stralingseigenschappen te wijzigen door de geometrie ervan te veranderen. Voor deze, de wetenschappers vormden een antennestructuur met dubbele spoel op een glasplaatje door EGaIn rechtstreeks af te drukken. Tijdens de herconfiguratie, EGaIn vormde een 3D overbrugde interconnect, wiens resonantiefrequentie de wetenschappers eerst bepaalden, gevolgd door hun gebruik om selectief drie verschillende light-emitting diodes (LED's) met rode, emissies van groen en blauw licht. De herconfigureerbare, vrijstaande interconnect behield zijn weerstand om alle LED's op 3V betrouwbaar te laten werken tijdens herhaaldelijk loskoppelen en aansluiten van meerdere herconfiguratiestappen.

De vrijstaande 3D-interconnecties gevormd met behulp van het proces van herconfiguratie waren voordelig om cross-geometrieën te bouwen in een enkel XY-vlak, in plaats van meerdere lagen te gebruiken om zo ongewenst elektrisch contact te voorkomen. Voor deze, Park et al. demonstreerde zowel transversale als longitudinale verbindingen van EGaIn voor een 4 x 4 array van microLED's op een flexibele polymeerfilm om kortsluiting te voorkomen. Met behulp van de methode, Park et al. geminimaliseerd het aantal onderlinge verbindingen geïntegreerd in een miniatuurapparaat, omdat het 3D-patroon het aantal en de ruimte van onderlinge verbindingen efficiënt zou kunnen minimaliseren.

Op deze manier, Young-Geun Park en collega's demonstreerden 3D-printen met hoge resolutie met behulp van vloeibaar metaal en toonden de toepassing ervan voor rekbare 3D-integraties die moeilijk te bereiken zijn met conventionele engineering. In vergelijking met bestaande 3D-printtechnieken, deze methode kan prima vormen, vrijstaande 3D-structuren van elektroden met herconfigureerbare patronen. Als voorbeeld, Park et al. ontwierp een herconfigureerbare antenne die de resonantiefrequentie kan wijzigen via geometrische veranderingen. Ze presenteerden ook omkeerbaar beweegbare 3D-interconnecties als mechanische schakelaars die een hogere compacte integratie in geminiaturiseerde apparaten zouden kunnen vergemakkelijken. De wetenschappers verwachten dat de 3D-herconfiguratiemethode met hoge resolutie een veelbelovende nieuwe additieve productiestrategie zal bieden voor sterk geïntegreerde en rekbare elektronische apparaten van de volgende generatie.

© 2019 Wetenschap X Netwerk