Система аэрозольной струйной печати, используемая для нанесения электронных материалов. Университет Шеффилда

Новая технология печати позволяет наносить электронные схемы непосредственно на изогнутые и трехмерные поверхности, открывая путь к созданию датчиков и другой электроники, которую невозможно изготовить с помощью традиционных плоских технологий.

Работа выполнена исследовательской группой под руководством Итана Секора, доцента кафедры машиностроения в Университете штата Айова и соучредителя стартапа Contour Circuits. Команда разрабатывает способы использования струйной печати для высокоточного нанесения электронных материалов на сложные поверхности.

В отличие от обычного струйного принтера, при аэрозольной струйной печати жидкие чернила превращаются в мелкий туман. Поток газа переносит аэрозоль через сопло, позволяя системе печатать узоры размером от 10 до 100 микрон. Сейчас исследователи объединяют этот процесс печати с робототехникой, программным обеспечением и мониторингом в режиме реального времени, чтобы контролировать нанесение схем на изогнутые поверхности.

Печать схем на изогнутых поверхностях

Одна из систем команды оснащена аэрозольным струйным принтером, установленным на шарнирно-сочленённом роботе. Такая установка позволяет соплу перемещаться по неплоским поверхностям, но при этом возникают новые сложности с позиционированием и планированием движения. Цель состоит в том, чтобы сделать процесс достаточно точным для создания надежных электронных схем на сложных трехмерных поверхностях.

«Сейчас меня больше всего вдохновляет конформная печать, — сказал Секор. — В ближайшие два-три года мы будем активно работать в этом направлении. Мы будем стремиться к разработке приложений для этой технологии».

Потенциальные области применения включают энергетику, здравоохранение, производство, аэрокосмическую отрасль, связь и безопасность.

Повышение прочности печатной электроники

Надежность также зависит от того, сможет ли печатная электроника продолжать работать после производства. Компания Secor изучает новые материалы для чернил, способные выдерживать экстремальные условия, в том числе перепады температур, возникающие в космосе.

Исследование проводится при поддержке недавнего гранта Национального научного фонда США. Команда особенно интересуется сбоями, возникающими при соединении полупроводников на основе кремния с более крупными электронными схемами.

«Электронные системы, способные функционировать в экстремальных условиях, крайне важны для энергетики, инфраструктуры, аэрокосмической и космической отраслей», — написали исследователи в кратком описании проекта.

NASA также поддерживает усилия по коммерциализации. Компания Contour Circuits, основанная Секором и его бывшим аспирантом Джереми Рурупом, получила контракт на передачу технологий малому бизнесу на сумму 150 000 долларов для развития технологии.

Компания ведет свою работу в совместной лаборатории Роя Дж. Карвера в кампусе Университета штата Айова. Команда также изучает способы печати нескольких материалов в рамках одного процесса осаждения. Секор сравнивает эту концепцию с переходом от черно-белой печати к печати в оттенках серого, когда состав печатаемого материала может варьироваться в зависимости от поверхности.

Это может дать инженерам больший контроль над электрическими и физическими свойствами печатных компонентов.

От чернил до работающего оборудования

Интерес Секора к печатной электронике возник во время учебы в аспирантуре Северо-Западного университета, где он сначала работал над графеновыми чернилами. Позже его исследования расширились и охватили гибкую электронику, электронику на основе жидких металлов, микросуперконденсаторы и литий-ионные аккумуляторы.

Со временем он начал создавать и модифицировать печатное оборудование, а не полагаться только на коммерчески доступные системы.

«Я научился собирать принтер, и это открыло для меня множество направлений исследований, — сказал Секор. — Теперь мы сами собираем и настраиваем оборудование. Поэтому, пока другие исследовательские группы работают с «черным ящиком», мы можем вскрыть его, понять, как он работает, и усовершенствовать его».