5 minute read
Napredna elektronika bo kmalu še naprednejša
from IRT3000 #155-156
Raziskovalci Državne univerze v Singapurju (NUS) so razvili novo metodo za izdelavo tridimenzionalnih vezij za napredno elektroniko. Ta utira pot učinkovitemu tiskanju prosto stoječih 3D-struktur, ki imajo visoko električno prevodnost, sposobnost samozdravljenja in možnost recikliranja, kar je koristno za elektroniko v zdravstvu, komunikacijah in varnosti. Ugotovitve so objavili v znanstvenem članku revije Nature Electronics.
Za razliko od običajnih plošč s tiskanim vezjem, ki so ravne, 3D-vezje omogoča vertikalno zlaganje in vgrajevanje komponent, kar bistveno zmanjša površino, potrebno za naprave. Inženirji z NUS so razvili najsodobnejšo tehniko – znano kot CHARM3D, ki jo poganja napetost – za izdelavo tridimenzionalnih elektronskih vezij, ki se zdravijo sama. Njihov postopek omogoča 3D-tiskanje prosto stoječih kovinskih struktur brez uporabe podpornih materialov in zunanjega pritiska.
Raziskovalna skupina pod vodstvom izrednega profesorja Benjamina Teeja z Oddelka za znanost o materialih in inženirstvo na Visoki šoli za oblikovanje in inženirstvo NUS je Fieldovo kovino uporabila za prikaz, kako lahko CHARM3D izdeluje široko paleto elektronike, kar omogoča kompaktnejše zasnove naprav, kot so nosljivi senzorji, brezžični komunikacijski sistemi in elektromagnetni metamateriali.
V zdravstvu na primer CHARM3D omogoča razvoj brezstičnih naprav za spremljanje vitalnih znakov, kar povečuje udobje bolnikov in hkrati omogoča neprekinjeno spremljanje. Na področju zaznavanja signalov optimizira delovanje 3D-anten, kar vodi k izboljšanju komunikacijskih sistemov, natančnejšemu medicinskemu slikanju in robustnim varnostnim aplikacijam.
Racionalizacija kot vodilo in gonilo
3D-elektronska vezja so vedno bolj temelj sodobne elektronike, od tehnologije baterij do robotike in senzorjev, saj izboljšujejo njihove funkcionalnosti in omogočajo nadaljnjo miniaturizacijo. Na primer, 3D-arhitekture z velikimi efektivnimi površinami izboljšujejo zmogljivost baterij in povečujejo občutljivost senzorjev. Neposredno pisanje s črnilom (angl. Direct ink writing, krajše DIW), obetavna tehnika 3D-tiskanja, ki se trenutno uporablja za izdelavo 3D-vezij, poseduje precejšnje pomanjkljivosti. Bistvo je v uporabi kompozitnih črnil, ki imajo nizko električno prevodnost in potrebujejo podporne materiale, ki pomagajo pri strjevanju po tiskanju. Črnila so tudi preveč viskozna, kar omejuje hitrost tiskanja.
»CHARM3D ponuja hitrejši in enostavnejši pristop k 3D-tiskanju kovin kot rešitvi za napredno proizvodnjo elektronskih vezij, zato je izjemno obetaven za industrijsko proizvodnjo in široko uporabo zapletenih 3D-elektronskih vezij,« je pojasnil dr. Tee. Raziskovalci so rešitev našli z vpeljavo Fieldove kovine, evtektične zlitine indija, bizmuta in kositra. Evtektične zlitine so privlačen alternativni material za 3D-tiskanje. Talijo in zamrzujejo pri temperaturi, ki je nižja od temperature taljenja posameznih kovin v zlitini. Fieldova kovina z nizkim tališčem pri približno 62 stopinjah Celzija, visoko električno prevodnostjo in nizko toksičnostjo se v nasprotju s kompozitnimi barvami hitro strdi. To je ključna lastnost, ki omogoča, da se postopek tiskanja izogne podpornim materialom in zunanjemu pritisku.
Tehnika CHARM3D, ki izkorišča nizko tališče Fieldove kovine, izkorišča napetost med staljeno kovino v šobi in sprednjim robom natisnjenega dela, kar se konča z enakomernimi, gladkimi strukturami mikrodelcev z nastavljivo širino od 100 do 300 mikronov, kar je približno širina enega do treh pramenov človeških las. Pomembno je, da v CHARM3D ni pojavov, kot so kapljice in neravne površine, ki so značilni za neposredno pisanje s črnilom, ki ga poganja pritisk.
CHARM3D v primerjavi z običajnim neposrednim pisanjem s črnilom omogoča večjo hitrost tiskanja do 100 milimetrov na sekundo in večjo ločljivost, kar zagotavlja večjo raven podrobnosti in natančnosti pri izdelavi vezij. CHARM3D opušča korake naknadne obdelave in omogoča izdelavo kompleksnih prosto stoječih 3D-struktur, kot so navpične črke, kubični okvirji in skalabilne vijačnice. Poleg tega imajo te 3D-arhitekture odlično strukturno obstojnost s sposobnostjo samozdravljenja, kar pomeni, da lahko samodejno okrevajo po mehanskih poškodbah in jih je mogoče reciklirati.
Daljnosežna prihodnost
Raziskovalci so uspešno natisnili 3D-vezje za nosljive temperaturne senzorje brez baterij, antene za brezžično spremljanje vitalnih znakov in metamaterialov za manipulacijo elektromagnetnega valovanja. To kaže na raznolikost aplikacij, ki jih omogoča CHARM3D.
Tradicionalna bolnišnična oprema, kot so elektrokardiogrami in pulzni oksimetri, zahteva stik s kožo, kar lahko povzroča nelagodje in tveganje okužb. S tehnologijo CHARM3D je mogoče brezstične senzorje vgraditi v pametna oblačila in antene ter tako zagotoviti neprekinjeno in natančno spremljanje zdravja v bolnišnicah, domovih za ostarele ali na domu.
Poleg tega bi lahko s pomočjo sistema CHARM3D izdelani nizi 3D-anten ali elektromagnetnih metamaterialnih senzorjev optimizirali aplikacije za zaznavanje in obdelavo signalov. To vodi k izboljšanemu razmerju med signalom in šumom ter večji pasovni širini. Tehnika odpira možnost izdelave specializiranih anten za ciljno komunikacijo, omogoča natančnejše medicinsko slikanje, kot je mikrovalovno slikanje dojk za zgodnje odkrivanje tumorjev, in napredne varnostne aplikacije, kot je odkrivanje skritih naprav ali kontrabanta, ki oddaja posebne elektromagnetne signature.
Raziskovalna skupina predvideva, da bo to tehniko mogoče razširiti na druge vrste kovin in strukturne aplikacije. Ekipa išče tudi priložnosti za komercializacijo tega edinstvenega pristopa za tiskanje kovin.
Pri raziskavah sta sodelovala tudi dr. Zhuangjian Liu z Inštituta za visokozmogljivo računalništvo Agencije za znanost, tehnologijo in raziskave ter profesor Michael Dickey z Oddelka za kemijsko in biomolekularno inženirstvo Državne univerze Severne Karoline.
