MIT Onderzoekers Boek Breukdoor in Volledig 3D-geprinte Actieve Elektronica

Electronica & Sensoren INSIDER

De apparaten zijn gemaakt van dunne, 3D-geprinte sporen van het koper-gedopte polymer. Ze bevatten kruisende geleidende regio's die de onderzoekers in staat stellen de weerstand te regelen door de ingespoten spanning in de schakelaar te controleren. (Afbeelding: Ter beschikking van de onderzoekers)

Actieve elektronica – componenten die elektrische signalen kunnen controleren – bevatten meestal halfgeleiderapparaten die informatie ontvangen, opslaan en verwerken. Deze componenten, die in een schone ruimte gemaakt moeten worden, vereisen geavanceerde fabricagetechnologie die niet wijd beschikbaar is buiten een paar gespecialiseerde productiecentra.

Tijdens de COVID-19-pandemie was het gebrek aan wijdverspreide halfgeleiderfabricagefaciliteiten een van de oorzaken van een wereldwijde elektronicatekort, wat de kosten voor consumenten in de hoogte drof en implicaties had in alles van economische groei tot nationale verdediging. De mogelijkheid om een volledig, actief elektronisch apparaat te 3D-printen zonder de noodzaak voor halfgeleiders, zou elektronicafabricatie naar bedrijven, laboratoria en huizen over de hele wereld kunnen brengen.

Hoewel dit idee nog ver af is, hebben MIT-onderzoekers een belangrijke stap in die richting gezet door volledig 3D-geprinte herstelbare zekeringen te demonstreren, wat cruciale componenten zijn van actieve elektronica die normaal halfgeleiders vereisen.

De halfgeleider-vrije apparaten van de onderzoekers, geproduceerd met standaard 3D-printhardware en een goedkoop, biologisch afbreekbaar materiaal, kunnen dezelfde schakelfuncties uitvoeren als de halfgeleider-gebaseerde transistors die gebruikt worden voor verwerkingsoperaties in actieve elektronica.

Hoewel nog ver verwijderd van de prestaties van halfgeleider-transistors, kunnen de 3D-geprinte apparaten gebruikt worden voor basale controle-operaties zoals het regelen van de snelheid van een electromotor.

"Deze technologie heeft echte benen. Hoewel we niet kunnen concurreren met silicium als halfgeleider, is ons idee niet noodzakelijk om wat er is te vervangen, maar om 3D-printtechnologie in onbekend gebied te duwen. In een notendop: dit gaat echt over het democratiseren van technologie. Dit zou iedereen in staat kunnen stellen om slimme hardware ver van traditionele productiecentra te creëren," zei Luis Fernando Velásquez-García, een principal research scientist in MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL) en senior auteur van een paper die de apparaten beschrijft, verschenen in Virtual and Physical Prototyping. Hij wordt vergezeld op het paper door eerste auteur Jorge Cañada, een graduate student in elektrotechniek en informatica.

Halfgeleiders, inclusief silicium, zijn materialen met elektrische eigenschappen die aangepast kunnen worden door bepaalde verontreinigingen toe te voegen. Een siliciumapparaat kan geleidende en isolerende regio's hebben, afhankelijk van hoe het geëngineerd is. Deze eigenschappen maken silicium ideaal voor het produceren van transistors, een basisbouwsteen van moderne elektronica. De onderzoekers hadden echter niet als doel om halfgeleider-vrije apparaten te 3D-printen die zich kunnen gedragen als silicium-gebaseerde transistors.

Dit project groeide uit een ander waarin ze magnetische spoels fabriceren met extrusieprinten, een proces waarbij de printer filament smelt en materiaal door een dutje spat, een object laag voor laag fabricerend. Ze zagen een interessant fenomeen in het materiaal dat ze gebruikten, een polymere filament gedopt met koper-nanodeeltjes. Als ze een grote hoeveelheid elektrische stroom door het materiaal lieten lopen, vertoonde het een enorme piek in weerstand, maar keerde kort na het stoppen van de stroomstroom terug naar het oorspronkelijke niveau.

Deze eigenschap stelt ingenieurs in staat om transistors te maken die als schakelaars kunnen functioneren, iets wat typisch alleen geassocieerd wordt met silicium en andere halfgeleiders. Transistors, die aan en uit schakelen om binaire data te verwerken, worden gebruikt om logische poorten te vormen, die berekeningen uitvoeren.

De onderzoekers probeerden hetzelfde fenomeen te repliceren met andere 3D-printfilamenten, testend polymeren gedopt met koolstof, koolstofnanobuizen en grafene. Uiteindelijk vonden ze geen ander printbaar materiaal dat kon functioneren als een herstelbare zekering.

Ze hypotheseren dat de koperdeeltjes in het materiaal uiteenlopen wanneer het opgewarmd wordt door de elektrische stroom, wat een piek in weerstand veroorzaakt die teruggaat wanneer het materiaal afkoelt en de koperdeeltjes dichterbij elkaar bewegen. Ze denken ook dat de polymere basis van het materiaal van kristallijn naar amorfs verandert wanneer het opgewarmd wordt, en terugkeert naar kristallijn wanneer het afkoelt – een fenomeen bekend als de polymere positieve temperatuurcoëfficiënt.

"Voor nu is dat onze beste verklaring, maar dat is niet het volledige antwoord omdat dat niet uitlegt waarom het alleen in deze combinatie van materialen gebeurde. We moeten meer onderzoek doen, maar er is geen twijfel dat dit fenomeen echt is," zei hij.

Het team benutte het fenomeen om schakelaars in één stap te printen die gebruikt konden worden om halfgeleider-vrije logische poorten te vormen. De apparaten zijn gemaakt van dunne, 3D-geprinte sporen van het koper-gedopte polymer. Ze bevatten kruisende geleidende regio's die de onderzoekers in staat stellen de weerstand te regelen door de ingespoten spanning in de schakelaar te controleren.

Hoewel de apparaten niet zo goed presteerden als silicium-gebaseerde transistors, kunnen ze gebruikt worden voor eenvoudigere controle- en verwerkingsfuncties, zoals een motor aan en uit zetten. Hun experimenten toonden aan dat, zelfs na 4.000 schakelcycli, de apparaten geen tekenen van deterioratie vertoonden.

Maar er zijn limieten aan hoe klein de onderzoekers de schakelaars kunnen maken, gebaseerd op de fysica van extrusieprinten en de eigenschappen van het materiaal. Ze konden apparaten printen van een paar honderd micron, maar transistors in state-of-the-art elektronica zijn slechts een paar nanometer in diameter.

"De realiteit is dat er veel engineering-situaties zijn die niet de beste chips vereisen. Aan het einde van de dag gaat het erom of uw apparaat de taak kan uitvoeren. Deze technologie kan aan zo'n beperking voldoen," zei hij.

Echter, in tegenstelling tot halfgeleiderfabricatie, gebruikt hun techniek een biologisch afbreekbaar materiaal, het proces gebruikt minder energie en produceert minder afval. Het polymere filament kan ook gedopt worden met andere materialen, zoals magnetische micropartikels, wat additionele functionaliteiten kan mogelijk maken.

In de toekomst willen de onderzoekers deze technologie gebruiken om volledig functionele elektronica te printen. Ze streven ernaar een werkende magnetische motor te fabriceren met alleen extrusie 3D-printen. Ze willen ook het proces verfijnen zodat ze complexere circuits kunnen bouwen en zien hoe ver ze de prestaties van deze apparaten kunnen duwen.

"Dit paper demonstreert dat actieve elektronische apparaten gemaakt kunnen worden met geëxtrudeerde polymere geleidende materialen. Deze technologie stelt elektronica in staat om in 3D-geprinte structuren gebouwd te worden. Een intrigerende toepassing is on-demand 3D-printen van mechatronica aan boord van ruimtevaartuigen," zei Roger Howe, de William E. Ayer Professor of Engineering, Emeritus, aan Stanford Universiteit, die niet betrokken was bij dit werk.

Bron