Impression basée sur l’inspiration des racines d’arbres pour la fabrication d’électronique conformable robuste via l’impression additive confinée par modèle

Contexte académique

Avec le développement rapide de scénarios d’application émergents tels que les robots intelligents, les peaux intelligentes et les systèmes de capteurs intégrés, l’électronique conformable sur des surfaces libres devient cruciale. Cependant, les dispositifs électroniques conformables existants sont sujets à la déchirure, à la rupture ou à la fissure sous l’influence mécanique ou thermique, limitant ainsi leur fiabilité d’application. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont inspirés du mécanisme mécanique des systèmes racinaires des arbres et ont proposé une technologie d’impression additive confinée par modèle (Template-Confined Additive, TCA) pour fabriquer des dispositifs électroniques conformables robustes.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Guifang Liu, Xiangming Li, Yangfan Qiu et d’autres auteurs, issus du Centre de recherche en micro et nanotechnologies de l’Université de Xi’an Jiaotong et de l’Institut des sciences et technologies de pointe. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering, sous le titre Root-inspired, template-confined additive printing for fabricating high-robust conformal electronics.

Processus de recherche

1. Conception de la technologie TCA

La technologie TCA améliore la robustesse mécanique des circuits en permettant à l’adhésif de pénétrer dans les matériaux fonctionnels, leur permettant ainsi de maintenir leurs performances électriques malgré des facteurs de dommage externes tels que les rayures, l’abrasion, le pliage et les hautes températures. Cette technologie utilise un modèle flexible pour définir la forme du circuit et renforce la résistance du circuit par la pénétration de l’adhésif. Le processus spécifique comprend : - Remplissage des matériaux : Les matériaux fonctionnels sont remplis dans un modèle flexible pour former un motif de circuit préfabriqué. - Remplissage de l’adhésif : L’adhésif UV est rempli dans le modèle, pénétrant les matériaux fonctionnels, puis est durci par une source de lumière UV. - Transfert du modèle : Un tampon élastique biomimétique est utilisé pour transférer le modèle sur un substrat tridimensionnel, formant un contact conforme. - Retrait du modèle : Le modèle est retiré, et le motif fonctionnalisé est transféré à la surface du substrat.

2. Validation expérimentale

Les chercheurs ont validé la robustesse et la haute résolution de la technologie TCA à travers une série d’expériences, notamment : - Tests de robustesse mécanique : Des tests de rayure, de pliage et de haute température ont démontré la stabilité des circuits imprimés par TCA dans des environnements extrêmes. - Tests de résolution : En utilisant des modèles fabriqués par photolithographie, la technologie TCA a atteint une résolution allant jusqu’à 300 nanomètres et a permis l’impression auto-alignée de plusieurs couches de matériaux. - Tests d’adaptabilité multi-matériaux : La technologie TCA est compatible avec divers matériaux, tels que les nanoparticules d’argent (AgNPs), les nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF).

Résultats principaux

1. Robustesse mécanique

Les circuits imprimés par TCA ont montré une excellente stabilité lors des tests de rayure, de pliage et de haute température. Par exemple, à une température de 350°C, les circuits ont conservé leurs performances électriques. En revanche, les circuits imprimés de manière traditionnelle ont tendance à échouer sous des dommages mécaniques et thermiques.

2. Impression haute résolution

Grâce à l’effet de confinement du modèle, la technologie TCA a atteint une résolution allant jusqu’à 300 nanomètres et a permis un contrôle précis de la largeur et de l’espacement des circuits. En ajustant la teneur en solides de l’encre ou la profondeur du modèle, l’épaisseur des circuits peut également être contrôlée.

3. Impression multi-matériaux

La technologie TCA permet l’impression auto-alignée de plusieurs couches de matériaux, réussissant à imprimer des circuits multicouches composés de MWCNTs, AgNPs et PVDF-TrFE.

4. Démonstrations d’applications

Les chercheurs ont démontré l’application de la technologie TCA dans des systèmes de capteurs de température/humidité conformables et des systèmes de stockage d’énergie ultra-minces. Par exemple, un système de capteurs de température/humidité conformable imprimé sur la surface d’un vase en céramique a pu détecter avec précision les changements environnementaux et maintenir un fonctionnement stable dans des conditions extrêmes.

Conclusion

La technologie TCA, grâce à la pénétration de l’adhésif et à l’effet de confinement du modèle, a permis la fabrication de dispositifs électroniques conformables à la fois robustes et à haute résolution. Cette technologie est non seulement compatible avec divers matériaux et substrats de formes arbitraires, mais elle montre également un potentiel d’application étendu dans les domaines des dispositifs intelligents, de la robotique et de l’aérospatiale.

Points forts de la recherche

1. Robustesse élevée : Les circuits imprimés par TCA ont démontré une excellente stabilité mécanique et électrique dans des environnements extrêmes.
2. Haute résolution : Grâce à l’effet de confinement du modèle, une résolution allant jusqu’à 300 nanomètres a été atteinte.
3. Adaptabilité multi-matériaux : Compatible avec divers matériaux et capable d’imprimer plusieurs couches de matériaux de manière auto-alignée.
4. Applications étendues : Démonstrations réussies dans des systèmes de capteurs de température/humidité conformables et des systèmes de stockage d’énergie ultra-minces.

Importance de la recherche

La technologie TCA offre une méthode simple, efficace et fiable pour la fabrication de dispositifs électroniques conformables, résolvant les problèmes de robustesse mécanique et de résolution insuffisante des technologies existantes. Cette technologie a une valeur d’application significative dans les domaines des dispositifs intelligents, de la robotique et de l’aérospatiale, favorisant le développement ultérieur de l’électronique conformable.