Исследователи из Университета Карнеги-Меллона в области машиностроения разработали новую масштабируемую и воспроизводимую технологию производства, которая может ускорить массовое внедрение и коммерциализацию мягкой и эластичной электроники.
Следующее поколение робототехники будет производить мягкие машины и роботов, безопасные и удобные для прямого физического взаимодействия с людьми и для использования в хрупких средах. В отличие от жесткой электроники, мягкая и растяжимая электроника может использоваться для создания носимых технологий и имплантируемой электроники, где необходим безопасный физический контакт с биологическими тканями и другими хрупкими материалами.
Мягкие роботы, которые безопасно обрабатывают нежные фрукты и овощи, могут повысить безопасность пищевых продуктов, предотвращая перекрестное загрязнение. Роботы, сделанные из мягких материалов, могут бросить вызов неизведанным морским глубинам, чтобы собрать хрупкие морские экземпляры. И многие биомедицинские приложения для мягких роботов включают носимые и вспомогательные устройства , протезы, мягкие инструменты для хирургии, устройства для доставки лекарств и функции искусственных органов.
Но создание этих почти незаметных компонентов, которые могут легко интегрироваться в человеческую жизнь, — это только первый шаг. Массовое внедрение и коммерциализация мягкой и эластичной электроники потребует разработки новых масштабируемых и воспроизводимых технологий производства.
Хотя различные методы уже продемонстрировали возможность изготовления устройств на основе жидкого металла в меньших масштабах в лабораториях, эти методы еще не привели к критической комбинации желаемых характеристик, необходимых для производства мягкой и эластичной электроники на основе жидкого металла. в коммерчески выгодных масштабах.
Группа исследователей из Инженерного колледжа Университета Карнеги-Меллона стремится изменить это с помощью разработанного ими нового метода массового производства мягких и эластичных электронных устройств на основе жидкого металла. Их работа была опубликована в Advanced Materials Technologies .
Кадри Бугра Озутемиз, недавно получивший докторскую степень. в машиностроении , разработала новый подход, который обеспечивает масштабируемость, точность и совместимость с микроэлектроникой за счет сочетания использования жидкого металла с фотолитографией и нанесением покрытия погружением на пластину.
Озутемиз, который работал с Кармелом Маджиди и Бураком Оздоганларом, профессорами машиностроения, объясняет, что жидкие металлы стали популярными в последние годы в качестве проводника для растяжимых цепей для создания датчиков и антенн, а также мягких и растяжимых проводов для различной электроники и робототехники.
Сплав на основе галлия, эвтектический галлий-индий (EGaIn), является жидким при комнатной температуре , может свободно течь внутри каналов, обладает высокой электропроводностью и может деформироваться, пока он инкапсулирован в другой среде.
«Нам нужно было лучше понять неотъемлемые свойства жидких сплавов на основе галлия, чтобы решить проблемы, которые делают их непригодными для массового производства», — сказал Озутемиз.
Наиболее серьезной проблемой было то, что тонкая «кожа» из оксида галлия быстро образуется, когда жидкий металл подвергается воздействию воздуха, что затрудняет достижение однородной и непрерывной формы или геометрии. Жидкий металл прилипает повсюду, перетекая в самые разнообразные изменчивые формы.
«Наша команда разработала новый подход, который сочетает в себе селективное смачивание металлического сплава, при котором жидкий металл попадает в желаемую схему, с процессом нанесения покрытия погружением, который растворяет оксидную пленку, образующуюся при контакте EGaln с воздухом», — пояснил Озутемиз.
Тонкие металлические дорожки, сделанные из доступной меди, сначала литографически наносятся на поверхность эластомера в качестве смачивающего слоя. Следы служат шаблонами для выборочного нанесения EGaln на поверхность силиконового каучука.
Чтобы растворить оксидную пленку при сохранении селективного осаждения жидкого металла, исследователи разработали новый подход, сочетающий селективное смачивание металлического сплава с процессом нанесения покрытия погружением.
Покрытие погружением, которое использовалось в микроэлектронной промышленности, но не с жидкими металлами, облегчает выборочное осаждение EGaIn на схему, определяемую медными дорожками с литографическим рисунком на пластинах с эластомерным покрытием,
Для нанесения EGaIn на узорчатый смачивающий слой меди используются автоматизированная высокоточная система перемещения и двухслойная погружная ванна. Ванна включает тонкий слой водного раствора гидроксида натрия (NaOH) на верхней поверхности, за которым следует EGaIn. Раствор NaOH облегчает удаление оксидной пленки и любого окисления на поверхности медных дорожек, когда узорчатую пластину погружают в ванну. Затем пластину погружают в ванну и после короткого времени выдержки извлекают с заданной скоростью, которая контролирует количество жидкости, осаждаемой на подложку.
В будущих тестах ученые будут работать над контролем таких параметров, как скорость извлечения и количество времени, в течение которого пластина остается в ванне, чтобы лучше понять, какое влияние каждая переменная оказывает на результирующую геометрию. Но на данный момент они разработали жизнеспособный процесс массового производства схем из жидкого металла , которые можно использовать в самых разных приложениях мягкой робототехники и электроники.
Дополнительная информация: Кадри Бугра Озутемиз и др., Масштабируемое производство схем из жидких металлов, Передовые технологии материалов (2022). DOI: 10.1002/admt.202200295
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com