Исследователи из Школы электротехники KAIST и Сеульского национального университета в Южной Корее разработали электронные чернила для печати микросхем переменной жесткости при комнатной температуре.
Электроника с переменной жесткостью является перспективным направлением, что позволит устройствам переходить от жесткого состояния к мягкому. Наиболее подходящим материалом для этого является галлий, который относительно легко переходит из жесткого в жидкое состояние. Однако этот металл имеет высокое поверхностное натяжение, низкую вязкость и нежелательные фазовые переходы.
Группа под руководством профессора Чжэ-Ун Чонга из Школы электротехники KAIST, профессора Сонджуна Пака, специализирующегося в области цифрового здравоохранения Сеульского национального университета, и профессора Стива Пака с кафедры материаловедения и инженерии KAIST решила устранить ограничения по использованию галлия в производстве электроники с переменной жесткостью.
Они разработали электронные чернила, позволяющие печатать схемы с переменной жесткостью при комнатной температуре. Отмечается, что эти чернила сочетают электропроводность и необходимую вязкость, что позволяет печатать сложные многослойные микросхемы с высоким разрешением, которые можно сравнить с коммерческими печатными платами.
Эти схемы могут динамически изменять жесткость в зависимости от температуры. В отличие от традиционной электроники, которая преимущественно имеет один четко определенный форм-фактор, либо жесткие, долговечные устройства, либо мягкие, которые удобно носить на себе, устройства с переменной жесткостью позволят адаптировать ее в зависимости от потребностей.
Температура плавления галлия составляет 29,8 °C. В твердом состоянии галлий имеет высокую жесткость, а в жидкой форме — мягкий и текучий. Ученые разработали процесс печати с использованием жидкометаллических чернил с контролем уровня pH. Растворяя микроскопические частицы галлия в гидрофильной полиуретановой матрице с использованием нейтрального растворителя —диметилсульфоксида, исследователи получили стабильные высоковязкие чернила для высококачественной печати.
При нагреве после печати диметилсульфоксид разлагается, образуя кислотную среду, которая удаляет оксидный слой с частиц галлия. За счет этого частицы галлия получают возможность объединяться в электропроводящие сети с возможностью настройки механических свойств.
Размеры элементов печатных микросхем не превышают 50 мкм. Они имеют высокую проводимость на уровне 2,27 × 10⁶ См/м и коэффициент модуляции жесткости до 1465. Это позволяет материалу переходить от жесткости, близкой к пластику, к мягкому состоянию, близкому к резине. Кроме того, чернила совместимы с традиционными методами печати, такими как трафаретная печать и нанесение покрытия погружением.
Ученые продемонстрировали возможности технологии, создав многофункциональное устройство, которое в обычных условиях работает как жесткий портативный гаджет, однако в случае крепления к телу превращается в мягкое медицинское устройство. Они также создали нейронный зонд, который остается жестким во время хирургической установки для точного позиционирования, но размягчается, попадая в мозговую ткань, чтобы уменьшить воспаление.
«Главное достижение этого исследования заключается в преодолении давних проблем печати жидким металлом с помощью нашей инновационной технологии. Управляя кислотностью чернил, мы смогли электрически и механически соединить напечатанные частицы галлия, что позволило производить при комнатной температуре схемы большой площади с высоким разрешением и регулируемой жесткостью. Это открывает новые возможности для будущей персональной электроники, медицинских устройств и робототехники», — отмечает профессор Чжэ-Ун Чонг.
Intel и TSMC создают совместное предприятие для производства микросхем в США, — инсайдеры
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances
Источник: TechXplore
