Les circuits électroniques extensibles sont essentiels pour la robotique douce, technologies portables, et applications biomédicales. Les manières actuelles de les fabriquer, bien que, ont limité leur potentiel.

Une équipe de chercheurs du laboratoire de Yale de Rebecca Kramer-Bottiglio, le professeur adjoint John J. Lee en génie mécanique et science des matériaux, a développé un matériau et un procédé de fabrication qui peuvent rapidement rendre ces dispositifs plus extensibles, plus durable, et plus proche d'être prêt pour la fabrication de masse. Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux naturels .

L'un des plus grands défis pour ce domaine de l'électronique est de connecter de manière fiable des conducteurs extensibles avec les matériaux rigides utilisés dans les composants électroniques disponibles dans le commerce, comme les résistances, condensateurs, et des diodes électroluminescentes (DEL).

"Le problème est qu'il est difficile de relier quelque chose de mou avec quelque chose de rigide, " a déclaré Shanliangzi Liu, auteur principal de l'article et ancien Ph.D. étudiant dans le laboratoire de Kramer-Bottiiglio. Lorsque les matériaux extensibles se plient et s'allongent, une force de cisaillement importante se développe à l'interface et déchire souvent la connexion pour rendre le circuit inutilisable.

Un matériau connu sous le nom de gallium-indium eutectique (eGaIn), qui conserve une forme liquide à température ambiante, a été utilisé pour les connexions en électronique extensible, mais sa tension superficielle élevée l'empêche de se connecter correctement aux composants rigides. Diverses stratégies ont été utilisées pour contourner ce problème, mais au prix d'une limitation de l'extensibilité et de la durabilité des circuits résultants.

Le laboratoire de Kramer-Bottiglio a adopté une approche différente en utilisant des nanoparticules d'eGaIn pour développer un nouveau matériau, le Ga-In biphasique (bGaIn), qui contient à la fois des éléments solides et liquides. Lorsqu'il est chauffé à 900 degrés C, un film de nanoparticules d'eGaIn change de forme, développer une mince, couche d'oxyde solide sur le dessus avec une épaisse couche de particules solides noyées dans de l'eGaIn liquide. Une fois décollé, le matériau est transféré sur des substrats étirables, similaire à la façon dont fonctionnent les tatouages ​​​​temporaires.

Avec une interface robuste entre bGaIn et des composants électroniques rigides, le résultat est un assemblage de circuit imprimé extensible qui fonctionne aussi bien qu'un assemblage conventionnel, même sous des niveaux élevés de contrainte. L'approche ouvre des opportunités pour créer des circuits extensibles pour un large éventail d'applications industrielles, y compris les écrans souples et les vêtements intelligents.

Pour démontrer le processus, l'équipe l'a utilisé pour construire un certain nombre d'appareils, comprenant un circuit amplificateur qui pourrait être étiré à au moins cinq fois sa longueur d'origine, une matrice de LED "Yale" extensible, et une carte de circuit imprimé de conditionnement de signal multicouche intégrée à un capteur extensible fixé à la surface d'une manche de chemise d'utilisateur. Les circuits ont également été appliqués sur un ballon en latex et "écrits à la main" sur une mousse très poreuse.

"La clé ici est que l'ensemble du circuit est extensible, " a déclaré le co-auteur Dylan Shah, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Kramer-Bottiglio. "Les circuits précédents utilisés dans les robots mous comportaient une combinaison de petites zones qui ne s'étiraient pas, puis des zones extensibles. Puisque nos circuits ont un conducteur et une interface tous deux extensibles, ils sont beaucoup plus élastiques et flexibles."

Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé l'impression par transfert, ce qui nécessite une étape manuelle. Liu, qui est maintenant associé postdoctoral à l'Université Northwestern, a déclaré que l'une des prochaines étapes de la recherche consiste à modifier l'encre bGaIn pour l'imprimabilité, afin qu'il puisse être intégré de manière transparente dans les lignes de fabrication de circuits automatisés.