Dans une étude récente sur la science des matériaux et la nanomédecine, Young-Geun Park et ses collaborateurs des départements de Nanosciences, La nanomédecine et la science et l'ingénierie des matériaux en République de Corée ont développé une approche d'impression 3D non conventionnelle. Les scientifiques ont conçu une haute résolution, stratégie d'impression 3D reconfigurable utilisant des métaux liquides pour former étirable, Constructions 3D. En utilisant la technique, ils ont formé une largeur de ligne minimale de 1,9 µm en utilisant l'impression directe et des motifs imprimés pour la reconfiguration dans diverses structures 3D tout en conservant des résolutions immaculées.

Ils ont effectué de nombreuses reconfigurations pour générer une interface d'oxyde mince et préserver les propriétés électriques du matériau dans les conditions ambiantes. Les caractéristiques autonomes pourraient être encapsulées dans des configurations conformes. Parc et al. applications démontrées sous forme d'antenne reconfigurable, accordable en changeant les géométries et les interconnexions mobiles de manière réversible pour utiliser les constructions comme commutateurs mécaniques. Les structures 3-D autoportantes étaient avantageuses pour minimiser le nombre et l'espace entre les interconnexions pour une intégration plus élevée, comme on le voit avec les matrices microLED. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

Des technologies avancées qui forment des structures conductrices 3D à haute résolution, des rapports d'aspect élevés et une erreur de déplacement minimale sont importants pour augmenter l'intégrité de l'appareil. La déformabilité du dispositif est une considération clé pour l'électronique de forme libre, y compris l'électronique extensible, électronique portable, actionneurs souples et robotique. Ces appareils électroniques nécessitent généralement une conformation avec des éléments mobiles, des formes arbitraires telles que des articulations ou des bras, ou les surfaces molles des organismes vivants. La réalisation de tels dispositifs extensibles avec des matériaux conventionnels tels que le silicium est un défi en raison de leur fragilité. Les scientifiques des matériaux ont donc développé divers matériaux conducteurs avec une excellente extensibilité sous la forme de métaux minces ondulés, réseaux métalliques et composites élastomères, pourtant, ces processus sont incapables de former des structures 3-D évolutives. En outre, imprimé en 3D, et les métaux recuits thermiquement sont relativement raides et rigides causant des dommages aux mous, substrats ressemblant à des tissus.

Relativement, les métaux liquides tels que l'alliage eutectique gallium-indium (EGaIn) ou l'alliage gallium-indium-étain (Galinstan) sont intrinsèquement étirables, avec une faible toxicité et une volatilité minimale pour une excellente conductivité électrique, comparable aux métaux solides. L'impression directe à l'encre avec une buse peut former des structures 3D autonomes à température ambiante en empilant des gouttelettes de métal liquide les unes sur les autres, mais la résolution résultante n'est pas adaptée à la construction d'appareils électroniques. Dans le présent travail donc, Parc et al. rapporter une méthode d'impression haute résolution avec du métal liquide pour sa reconfiguration directe en motifs d'électrodes 3D à travers une buse, dans les conditions ambiantes.

Dans le montage expérimental, Parc et al. connecté une buse à un réservoir d'encre ou à un contrôleur de pression. Les scientifiques des matériaux ont utilisé EGaIn (75,5% de gallium et 24,5% d'alliage d'indium en poids) comme encre et ont contrôlé la distance entre la pointe de la buse et le substrat polymère pour délivrer l'encre. En utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), ils ont visualisé le motif EGaIn imprimé avec des géométries complexes en 2D et 3D et ont utilisé cette technique pour imprimer des motifs plus divers tels que des interconnexions de circuits électriques à haute résolution.

Après avoir directement imprimé EGaIn à travers une buse, les scientifiques ont soulevé la pointe de la buse pour la déplacer à la position souhaitée du substrat pour continuer l'impression. L'énergie de rupture de la peau d'oxyde reliait la pointe de la buse en tant que « corde » pendant le décollage. Parc et al. mesuré les vitesses maximales pour différents diamètres de filaments pour démontrer différents exemples et formé des caractéristiques 2D et 3D avec une reconfiguration reproductible. Au cours du processus de reconfiguration, les scientifiques ont pu décoller un filament préimprimé à la verticale d'un substrat sans fracturer la construction. Les électrodes stables observées pourraient supporter une charge électrique pour devenir de plus en plus intégrées et miniaturisées dans les appareils électriques. Pour vérifier l'adéquation des électrodes EGaIn comme interconnexions, Parc et al. effectué des tests de panne électrique par la suite.

Lorsqu'ils ont appliqué une polarisation CC ou CA pour surveiller les pannes électriques, la température a trop augmenté dans le montage expérimental affectant la stabilité mécanique des caractéristiques 3-D d'EGaIn. Les constructions ont conservé leur structure 3D autonome initiale sans effondrement structurel à 500 ⁰ C pendant 30 minutes. Après chauffage et refroidissement répétés à température ambiante, la peau d'oxyde de la caractéristique 3-D est légèrement ridée en raison de la dilatation thermique entre la coque d'oxyde et le noyau EGaIn. Parc et al. testé le contact électrique de métaux liquides imprimés directement et reconfigurés et mesuré la dépendance de la résistance totale à la longueur du canal imprimé pour montrer que la résistance des motifs EGaIn augmentait considérablement avec le temps dans des conditions ambiantes.

Comme preuve de principe de l'électronique reconfigurable développée dans le présent travail, Parc et al. a démontré la formation d'une antenne reconfigurable avec la capacité de modifier sa fréquence de résonance et ses propriétés de rayonnement en changeant sa géométrie. Pour ça, les scientifiques ont formé une structure d'antenne à double bobine sur une lame de verre en imprimant directement EGaIn. Lors de la reconfiguration, EGaIn a formé une interconnexion pontée en 3D, dont les scientifiques ont d'abord déterminé la fréquence de résonance, suivi de leur utilisation pour faire fonctionner sélectivement trois diodes électroluminescentes (DEL) différentes avec du rouge, émissions de lumière verte et bleue. Le reconfigurable, l'interconnexion autonome a maintenu sa résistance pour faire fonctionner de manière fiable toutes les LED à 3 V pendant le détachement et la connexion répétés de plusieurs étapes de reconfiguration.

Les interconnexions 3D autonomes formées à l'aide du processus de reconfiguration étaient avantageuses pour construire des géométries croisées dans un seul plan XY, au lieu d'utiliser plusieurs couches pour éviter ainsi un contact électrique indésirable. Pour ça, Parc et al. a démontré les interconnexions transversales et longitudinales d'EGaIn pour un réseau 4 x 4 de microLED sur un film polymère flexible afin d'éviter les courts-circuits. En utilisant la méthode, Parc et al. minimisé le nombre d'interconnexions intégrées dans un appareil miniature, car le modèle 3-D pourrait efficacement minimiser le nombre et l'espace des interconnexions.

De cette façon, Young-Geun Park et ses collègues ont démontré l'impression 3D haute résolution à l'aide de métal liquide et ont montré son application pour les intégrations 3D extensibles qui sont difficiles à réaliser avec l'ingénierie conventionnelle. Par rapport aux techniques d'impression 3D existantes, cette méthode peut former très bien, structures 3-D autoportantes d'électrodes avec des motifs reconfigurables. Par exemple, Parc et al. conçu une antenne reconfigurable capable de modifier sa fréquence de résonance via des changements géométriques. Ils ont également présenté des interconnexions 3D réversibles en tant que commutateurs mécaniques qui pourraient faciliter une intégration plus compacte dans des dispositifs miniaturisés. Les scientifiques s'attendent à ce que la méthode de reconfiguration 3D haute résolution offre une nouvelle stratégie de fabrication additive prometteuse pour les dispositifs électroniques de nouvelle génération hautement intégrés et extensibles.

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