I en ny studie om materialvetenskap och nanomedicin, Young-Geun Park och medarbetare vid institutionerna för nanovetenskap, Nanomedicine and Materials Science and Engineering i Republiken Korea utvecklade en okonventionell 3D-utskriftsmetod. Forskarna konstruerade en högupplöst, omkonfigurerbar 3D-utskriftsstrategi med hjälp av flytande metaller för att bilda sträckbara, 3D-konstruktioner. Med hjälp av tekniken, de bildade en minsta linjebredd på 1,9 µm med direktutskrift och tryckta mönster för omkonfigurering till olika 3D-strukturer samtidigt som de bibehöll orörda upplösningar.

De utförde omkonfigurationer många gånger för att generera ett tunnoxidgränssnitt och bevara materialets elektriska egenskaper under omgivande förhållanden. De fristående funktionerna kan vara inkapslade i töjbara, konforma konfigurationer. Park et al. demonstrerade applikationer i form av omkonfigurerbar antenn, justerbar genom att ändra geometrier och reversibelt rörliga sammankopplingar för att använda konstruktionerna som mekaniska omkopplare. De fristående 3D-strukturerna var fördelaktiga för att minimera antalet och utrymmet mellan sammankopplingar för högre integration, som sett med microLED-arrayer. Resultaten publiceras nu på Vetenskapens framsteg .

Avancerad teknik som bildar ledande 3D-strukturer med hög upplösning, höga bildförhållanden och minimala fel vid förskjutning är viktiga för att öka enhetens integritet. Enhetens deformerbarhet är en viktig faktor för friformselektronik, inklusive töjbar elektronik, bärbar elektronik, mjuka ställdon och robotik. Dessa elektroniska enheter kräver vanligtvis konformation med rörliga, godtyckliga former som leder eller armar, eller de mjuka ytorna på levande organismer. Att realisera sådana töjbara enheter med konventionella material som kisel är en utmaning på grund av deras sprödhet. Materialforskare har därför utvecklat olika ledande material med utmärkt töjbarhet i form av vågiga tunna metaller, metalliska nätverk och elastomeriska kompositer, men dessa processer kan inte bilda skalbara 3D-strukturer. Dessutom, 3D-tryckt, och termiskt glödgade metaller är relativt styva och stela och orsakar skador på mjuka, vävnadsliknande substrat.

Jämförelsevis, flytande metaller som eutektisk gallium-indium-legering (EGaIn) eller gallium-indium-tennlegering (Galinstan) är i sig töjbara, med låg toxicitet och minimal flyktighet för enastående elektrisk ledningsförmåga - jämförbar med fasta metaller. Direkt bläckutskrift med ett munstycke kan bilda fristående 3D-strukturer vid rumstemperatur genom att stapla droppar av flytande metall på varandra, men den resulterande upplösningen är inte lämpad för att bygga elektroniska enheter. I detta arbete är det därför Park et al. rapportera en högupplöst utskriftsmetod med flytande metall för dess direkta omkonfigurering i 3D-elektrodmönster genom ett munstycke, under omgivande förhållanden.

I experimentuppställningen, Park et al. anslutit ett munstycke till en bläckbehållare eller tryckregulator. Materialforskarna använde EGaIn (75,5 viktprocent gallium och 24,5 viktprocent indiumlegering) som bläck och kontrollerade avståndet mellan munstycksspetsen och polymersubstratet för att leverera bläcket. Använda svepelektronmikroskopi (SEM), de tittade på EGAIn-mönstret tryckt med komplexa 2D- och 3D-geometrier och använde tekniken för att skriva ut fler olika mönster såsom sammankopplingar av elektriska kretsar med hög upplösning.

Efter att ha skrivit ut EGAIn direkt genom ett munstycke, forskarna lyfte munstycksspetsen för att flytta den till önskad position för substratet för att fortsätta skriva ut. Oxidhudens sprickningsenergi kopplade munstycksspetsen som ett "rep" vid lyftning. Park et al. mätte de maximala hastigheterna för olika diametrar av filament för att demonstrera olika exempel och bildade 2-D och 3-D funktioner med repeterbar omkonfiguration. Under omkonfigureringsprocessen, forskarna kunde lyfta av en förtryckt glödtråd upprätt från ett substrat utan att spricka konstruktionen. De observerade stabila elektroderna kunde motstå elektrisk belastning för att bli allt mer integrerade och miniatyriserade i elektriska apparater. För att verifiera lämpligheten av EGaIn-elektroder som sammankopplingar, Park et al. utförde elektriska avbrottstester därefter.

När de tillämpade DC- eller AC-bias för att övervaka elektriska haverier, temperaturen ökade för mycket i experimentuppställningen, vilket påverkar den mekaniska stabiliteten hos EGaIn 3-D-funktionerna. Konstruktionerna bibehöll sin ursprungliga fristående 3D-struktur utan strukturell kollaps vid 500 ⁰ C i 30 minuter. Efter upprepad uppvärmning och kylning vid rumstemperatur, oxidhuden på 3-D har något skrynklig på grund av termisk expansion mellan oxidskalet och EGaIn-kärnan. Park et al. testade den elektriska kontakten för direkttryckta och omkonfigurerade flytande metaller och mätte beroendet av totalt motstånd på längden på den tryckta kanalen för att visa att motståndet hos EGaIn-mönster signifikant ökade med tiden under omgivande förhållanden.

Som ett bevis på principen för den omkonfigurerbara elektroniken som utvecklats i detta arbete, Park et al. demonstrerade bildandet av en omkonfigurerbar antenn med förmåga att modifiera dess resonansfrekvens och strålningsegenskaper genom att ändra dess geometri. För detta, forskarna bildade en dubbelspolsantennstruktur på en glasskiva genom att direkt skriva ut EGaIn. Under omkonfigurering, EgaIn bildade en 3D-bryggad sammankoppling, vars resonansfrekvens forskarna först bestämde, följt av deras användning för att selektivt driva tre olika lysdioder (LED) med rött, grönt och blått ljus. Den omkonfigurerbara, Den fristående sammankopplingen bibehöll sitt motstånd för att tillförlitligt driva alla lysdioder vid 3V under upprepad lossning och anslutning av flera omkonfigureringssteg.

De fristående 3D-förbindelserna som bildades med hjälp av omkonfigureringsprocessen var fördelaktiga för att bygga tvärgeometrier i ett enda XY-plan, istället för att använda flera lager för att därigenom förhindra oönskad elektrisk kontakt. För detta, Park et al. demonstrerade både tvärgående och longitudinella sammankopplingar av EGaIn för en 4 x 4 array av microLEDs på en flexibel polymerfilm för att förhindra kortslutning. Med hjälp av metoden, Park et al. minimerat antalet sammankopplingar integrerade i en miniatyrenhet, eftersom 3D-mönstret effektivt skulle kunna minimera antalet och utrymmet för sammankopplingar.

På det här sättet, Young-Geun Park och medarbetare demonstrerade högupplöst 3D-utskrift med flytande metall och visade sin tillämpning för töjbara 3D-integrationer som är svåra att uppnå med konventionell teknik. Jämfört med befintliga 3D-utskriftstekniker, denna metod kan vara bra, fristående 3D-strukturer av elektroder med omkonfigurerbara mönster. Som ett exempel, Park et al. konstruerade en omkonfigurerbar antenn som kan modifiera sin resonansfrekvens via geometriska förändringar. De presenterade också reversibelt rörliga 3D-sammankopplingar som mekaniska omkopplare som kunde underlätta högre kompakt integration i miniatyriserade enheter. Forskarna förväntar sig att 3D-rekonfigurationsmetoden med hög upplösning kommer att erbjuda en lovande ny additiv tillverkningsstrategi för mycket integrerade och töjbara nästa generations elektroniska enheter.

© 2019 Science X Network