Onderzoekers van Case Western Reserve University hebben een subsidie ​​van $ 1,2 miljoen gewonnen om technologie te ontwikkelen voor massaproductie van flexibele elektronische apparaten op een geheel nieuw niveau van klein.

Terwijl ze nieuwe gereedschappen en technieken bedenken om draden smaller te maken dan een rookdeeltje, ze creëren ook manieren om ze in flexibele materialen te bouwen en de elektronica te verpakken in waterdichte lagen van duurzaam plastic.

Het team van ingenieurs, die gespecialiseerd zijn in verschillende vakgebieden, heeft uiteindelijk tot doel flexibele elektronica te bouwen die meegaat met de realiteit van het leven:sensoren voor gezondheidsmonitoring die op of onder de huid kunnen worden gedragen en opvouwbare elektronische apparaten zo dun als een stuk plasticfolie. En, verder op de weg, implanteerbare zenuwstimulerende elektroden die patiënten in staat stellen de controle over een verlamming terug te krijgen of een prothetisch ledemaat onder de knie te krijgen.

groter denken, het team gelooft dat de technologie kan worden gebruikt om rollen dunne-filmzonnepanelen te produceren die tientallen jaren in de elementen kunnen weerstaan. De huidige dunnefilmpanelen worden geplaagd door een korte levensduur door kwel tussen de lagen.

"De commerciële ontwikkeling van nano-elektromechanische systemen wordt beperkt door toegang tot goedkope, hoge output - we noemen het 'throughput' - verwerkingstools, " zei Christian Zorman, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en hoofdonderzoeker van de subsidie. "We proberen dat knelpunt aan te pakken."

Met deze vierjarige National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program-subsidie, Zorman en zijn collega's zullen alternatieve technologieën pushen die ze hebben gemaakt om draden en andere metalen structuren van minder dan 100 nanometer te maken. dat is ongeveer 1/10e van de diameter van een rookdeeltje.

Momenteel, apparaten die elektronische en mechanische functies combineren, worden zo klein gemaakt met behulp van elektronenstraallithografie. Maar elektronenstralen zijn te energetisch om op flexibele kunststoffen te gebruiken en vereisen een zeer hoog vacuüm, die de doorvoer aanzienlijk beperkt, , is kostbaar en zeer tijdrovend - allemaal belemmeringen voor massaproductie.

Het gebruik van inkjetprinters om kleine apparaten te bouwen is goedkoop en effectief gebleken, maar het was moeilijk om in de nanometers te komen.

Philip Feng, een assistent-professor elektrotechniek en informatica, is gespecialiseerd in nanofabricage en apparaten. Joao Maia, een universitair hoofddocent macromoleculaire wetenschap en techniek, is een expert in het maken van nanogelaagde polymeren.

R. Mohan Sankaran, een universitair hoofddocent chemische technologie, ontwikkelde de technologie om microplasma's als productietool te gebruiken. Zorman heeft de afgelopen twee decennia technieken ontwikkeld die worden gebruikt om micro-elektromechanische apparaten te bouwen voor ruwe omgevingen en biomedische toepassingen.

Toen Feng en Zorman het werk van Sankaran zagen, " realiseerden we ons dat dit een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de productie op nanoschaal, ' zei Zorman.

Een plasma is een toestand van materie vergelijkbaar met een gas, maar een deel is geïoniseerd, dat wil zeggen dat deeltjes elektronen winnen of verliezen en geladen worden. Een vonk is een voorbeeld van een plasma, maar het is heet en oncontroleerbaar.

Sankaran maakt een controleerbaar microplasma door argongas te ioniseren terwijl het een haarbreedte uit een buis wordt gepompt. "Het plasma is als een potlood, "Sankaran zei, "Je kunt het gebruiken om een ​​lijn of een willekeurig patroon te tekenen."

Om tot nanometers te komen, Feng moet stencils maken van draden van nanoformaat, circuits en andere gewenste vormen. Hij gebruikt een duurzaam materiaal van siliciumcarbide dat Zorman heeft ontwikkeld.

"Om 100 nanometer of minder te bereiken, "Feng zei, "we moeten de wetten van schaalvergroting bestuderen, de gebruikte materialen, en reacties die een microplasma kan veroorzaken, zoals de reacties op het oppervlak van een polymeer en in het polymeer, en om dit proces zij aan zij te vergelijken met de elektronenbundellithografie."

Naarmate ze kleiner worden, Maia zal zich richten op het afdichten van de elektronica tegen vocht.

"Veel mensen werken aan flexibele elektronica, maar het probleem is dat de levensduur van het product kort is omdat vocht binnendringt en de weerstand vermindert, de elektronica kortsluit of corrodeert, " zei Maia. "Als je je flexibele apparaat elke twee weken of twee maanden moet vervangen, dat is niet zo'n goede zaak."

Maia gaat platen van polymeren maken met daarin een nanolaag ingebed met metaalzouten, zoals zilvernitride of goudchloride. Dit zijn de voorlopers van de draden en metalen structuren die nodig zijn om de elektronica te maken.

Het vel rolt door een productielijn en pauzeert onder stencils. Een set microplasma's boven de stencils zal vuren.

In voorlopige tests op een stilstaand stuk film, elektronen van het microplasma reizen door het sjabloon en in het polymeer waar ze de metaalzouten veranderen in geleidende kettingen van metaaldeeltjes die draden en structuren vormen, zoals spuitverf en een stencil vormen letters en cijfers.

De plaat kan vervolgens in een oplossing worden gedompeld om de niet-blootgestelde metaalzouten op te lossen, te recyclen.

Er zullen meer lagen of combinaties van lagen worden toegevoegd om de plaat waterdicht te maken.

Als er meerdere apparaten of verpakkingslagen nodig zijn, de vellen kunnen door het proces worden teruggevoerd.

Oorspronkelijk, Maia en Zorman hadden twee teams geleid die van plan waren deze NSF-beurs na te streven, maar hun werk past zo goed, ze besloten samen te werken. Medewerkers en docenten van het Institute of Advanced Materials van de Case School of Engineering hebben geholpen om het team met elkaar te verbinden.

"Dit is echt een multidisciplinair voorstel, "Zei Zorman. "Geavanceerde fabricage moet zijn."

De subsidie ​​komt slechts zes weken na Case Western Reserve, Carnegie Mellon University en het National Center for Defense Manufacturing leidden vijf dozijn organisaties in heel Ohio, Pennsylvania en West Virginia in het winnen van een federale productiesubsidie ​​van $ 30 miljoen. Het nieuw gevormde National Additive Manufacturing Innovation Institute, waarvan de leden nog eens $ 40 miljoen aan financiering hebben toegevoegd, is de proefinspanning van een ambitieus initiatief om de productie in het hele land te transformeren.