Forskare från Case Western Reserve University har vunnit ett anslag på 1,2 miljoner dollar för att utveckla teknologi för att massproducera flexibla elektroniska enheter på en helt ny nivå av små.
När de utarbetar nya verktyg och tekniker för att göra trådar smalare än en rökpartikel, de skapar också sätt att bygga dem i flexibla material och förpacka elektroniken i vattentäta lager av hållbar plast.
Teamet av ingenjörer, som är specialiserade inom olika områden, i slutändan syftar till att bygga flexibel elektronik som böjer sig med livets realiteter:Hälsoövervakningssensorer som kan bäras på eller under huden och vikbara elektroniska enheter så tunna som ett plastfolie. Och, längre ner på vägen, implanterbara nervstimulerande elektroder som gör det möjligt för patienter att återta kontrollen från förlamning eller bemästra en protetisk lem.
Tänker större, teamet tror att tekniken kan användas för att veva ut rullar av tunnfilmssolpaneler som klarar decennier i väder och vind. Nuvarande tunnfilmspaneler plågas av kort livslängd på grund av läckage mellan lagren.
"Den kommersiella utvecklingen av nanoelektromekaniska system begränsas av tillgången till låga kostnader, hög output – vi kallar det "throughput" – bearbetningsverktyg, sa Christian Zorman, en docent i elektroteknik och datavetenskap och ledande forskare om anslaget. "Vi försöker åtgärda den flaskhalsen."
Med detta fyraåriga bidrag från National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Program, Zorman och hans kollegor kommer att driva alternativa tekniker som de har skapat för att göra ledningar och andra metallstrukturer mindre än 100 nanometer, vilket är ungefär 1/10 av diametern på en rökpartikel.
För närvarande, enheter som kombinerar elektroniska och mekaniska funktioner görs så här små med hjälp av elektronstrålelitografi. Men elektronstrålar är för energiska för att användas på flexibla plaster och kräver mycket högt vakuum, vilket avsevärt begränsar genomströmningen, , är kostsamt och mycket tidskrävande – alla hinder för massproduktion.
Att använda bläckstråleskrivare för att bygga små enheter har visat sig vara billigt och effektivt, men att komma ner i nanometrarna har varit svårt.
Philip Feng, en biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap, specialiserat på nanotillverkning och enheter. Joao Maia, en docent i makromolekylär vetenskap och teknik, är expert på att göra nanoskiktade polymerer.
R. Mohan Sankaran, en biträdande professor i kemiteknik, utvecklat tekniken för att använda mikroplasma som ett tillverkningsverktyg. Zorman tillbringade de senaste två decennierna med att utveckla tekniker som används för att bygga mikroelektromekaniska enheter för tuffa miljöer och biomedicinska tillämpningar.
När Feng och Zorman såg Sankarans arbete "insåg vi att detta kunde revolutionera tillverkningen i nanoskala, sa Zorman.
En plasma är ett tillstånd av materia som liknar en gas men en del är joniserad, det vill säga partiklar får eller förlorar elektroner och blir laddade. En gnista är ett exempel på en plasma, men det är varmt och okontrollerbart.
Sankaran gör en kontrollerbar mikroplasma genom att jonisera argongas när den pumpas ut ur ett rör en hårbredd över. "Plaman är som en penna, "Sankaran sa, "Du kan använda den för att rita en linje eller vilket mönster du vill."
För att komma ner till nanometer, Feng måste göra schabloner av nanostora trådar, kretsar och andra önskade former. Han kommer att använda ett hållbart kiselkarbidmaterial som Zorman har utvecklat.
"För att komma till 100 nanometer eller mindre, "Feng sa, "vi måste studera lagarna för skalning, material som används, och reaktioner som en mikroplasma kan inducera, såsom reaktionerna på ytan av en polymer och inuti polymeren, och att jämföra denna process sida vid sida med elektronstrålelitografin."
När de skalar ner, Maia kommer att fokusera på att täta elektroniken från fukt.
"Många människor arbetar med flexibel elektronik, men problemet är att produktens livslängd är kort eftersom fukt kommer in och minskar resistiviteten, kortsluter eller korroderar elektroniken, " sa Maia. "Om du måste byta ut din flexibla enhet varannan vecka eller varannan månad, det är inte så bra."
Maia kommer att göra ark av polymerer som innehåller ett nanolager inbäddat med metallsalter, såsom silvernitrid eller guldklorid. Dessa är föregångarna till de trådar och metalliska strukturer som behövs för att göra elektroniken.
Arket kommer att rulla genom en produktionslinje och pausa under stenciler. En uppsättning mikroplasma ovanför schablonerna kommer att avfyras.
I preliminära tester på en stationär film, elektroner från mikroplasman färdas genom stencilen och in i polymeren där de förvandlar metallsalterna till ledande kedjor av metallpartiklar som bildar trådar och strukturer, som sprayfärg och en stencil bildar bokstäver och siffror.
Arket kan sedan doppas i en lösning för att lösa de oexponerade metallsalterna, att återvinnas.
Fler lager eller kombinationer av lager kommer att läggas till för att göra arket vattentätt.
Om flera enheter eller förpackningslager behövs, arken kan loopas tillbaka genom processen.
Ursprungligen, Maia och Zorman hade lett två lag som planerade att söka detta NSF-bidrag, men deras arbete passade så bra, de bestämde sig för att arbeta tillsammans. Personal och fakultet vid Institute of Advanced Materials vid Case School of Engineering hjälpte till att koppla ihop teamet.
"Detta är verkligen ett tvärvetenskapligt förslag, " Sa Zorman. "Avancerad tillverkning måste vara."
Anslaget kommer bara sex veckor efter Case Western Reserve, Carnegie Mellon University och National Center for Defense Manufacturing ledde fem dussin organisationer över Ohio, Pennsylvania och West Virginia vinner ett federalt tillverkningsbidrag på 30 miljoner dollar. Det nybildade National Additive Manufacturing Innovation Institute, vars medlemmar har lagt till ytterligare 40 miljoner dollar i finansiering, är pilotsatsningen för ett ambitiöst initiativ för att förändra tillverkningen över hela landet.
