Активна електроніка — компоненти, які можуть керувати електричними сигналами — зазвичай містить напівпровідникові пристрої, що отримують, зберігають та обробляють інформацію. Ці компоненти, які потрібно виготовляти в чистих приміщеннях, вимагають передових технологій виробництва, які є лише у кількох спеціалізованих центрах виробництва.
Під час пандемії Covid-19 відсутність широко розповсюджених потужностей для виробництва напівпровідників стала однією з причин глобального дефіциту електроніки, що призвело до зростання цін для споживачів та вплинуло на такі сфери, як економічне зростання та національна безпека. Можливість 3D-друкувати повністю активний електронний пристрій без необхідності використання напівпровідників може відкрити виробництво електроніки для бізнесу, лабораторій та домівок по всьому світу.
Хоча ця ідея ще далека від реалізації, дослідники MIT зробили важливий крок у цьому напрямку, продемонструвавши повністю 3D-друковані відновлювані запобіжники, які є ключовими компонентами активної електроніки, що зазвичай потребують напівпровідників.
Напівпровідникові безплатні пристрої, створені дослідниками за допомогою стандартного 3D-принтера та недорогого біорозкладного матеріалу, можуть виконувати ті самі функції перемикання, що й напівпровідникові транзистори, використовувані для обробки в активній електроніці.
Хоча ці 3D-друковані пристрої ще далекі від досягнення продуктивності напівпровідникових транзисторів, їх можна використовувати для базових функцій керування, таких як регулювання швидкості електродвигуна.
«Ця технологія має значний потенціал. Хоча ми не можемо конкурувати з кремнієм як напівпровідником, наша ідея полягає не в тому, щоб обов’язково замінити те, що вже існує, а в тому, щоб просунути технологію 3D-друку на новий, невідомий рівень. Коротко кажучи, це справді про демократизацію технології. Це може дозволити будь-кому створювати “розумне” обладнання далеко від традиційних виробничих центрів», — каже Луїс Фернандо Веласкес-Гарсія, провідний науковий співробітник Лабораторії мікросистемних технологій MIT та старший автор статті про ці пристрої, яка опублікована у журналі Virtual and Physical Prototyping.
Співавтором статті виступив Хорхе Каньяда, аспірант факультету електротехніки та інформатики.
Неочікуваний проєкт
Напівпровідники, включаючи кремній, — це матеріали з електричними властивостями, які можна налаштовувати, додаючи певні домішки. Кремнієвий пристрій може мати як провідникові, так і ізоляційні ділянки, залежно від того, як він спроєктований. Ці властивості роблять кремній ідеальним для виробництва транзисторів, які є базовими елементами сучасної електроніки. Однак дослідники не прагнули спочатку створити 3D-друковані пристрої без напівпровідників, що могли б функціонувати як кремнієві транзистори.
Цей проєкт виник як продовження іншого, в якому вони виготовляли магнітні котушки за допомогою екструзійного друку, процесу, під час якого принтер плавить нитку та видавлює матеріал через насадку, формуючи об'єкт шар за шаром. Вони помітили цікаве явище у матеріалі, з яким працювали, — полімерній нитці, легованій наночастинками міді. Якщо через цей матеріал пропустити велику кількість електричного струму, його опір різко зростає, але повертається до початкового рівня, як тільки струм припиняє текти.
Ця властивість дозволяє інженерам створювати транзистори, які можуть працювати як вимикачі, що зазвичай пов’язано лише з кремнієм та іншими напівпровідниками. Транзистори, які вмикаються та вимикаються для обробки двійкових даних, використовуються для формування логічних елементів, що виконують обчислення.
«Ми побачили, що це може допомогти підняти 3D-друковане обладнання на новий рівень. Це дає зрозумілий спосіб забезпечити певний рівень “розумності” для електронного пристрою», — зазначає Веласкес-Гарсія.
Дослідники спробували повторити це явище з іншими нитками для 3D-друку, тестуючи полімери, леговані вуглецем, вуглецевими нанотрубками та графеном. Проте вони не змогли знайти інший друкований матеріал, який би функціонував як відновлюваний запобіжник.
Вони висунули гіпотезу, що мідні частинки в матеріалі розсіюються при нагріванні електричним струмом, що викликає різке зростання опору, який знижується, коли матеріал охолоджується, і мідні частинки зближуються. Вони також вважають, що полімерна основа матеріалу переходить з кристалічної структури в аморфну при нагріванні, а при охолодженні повертається до кристалічної — це явище відоме як полімерний позитивний температурний коефіцієнт.
«Наразі це наше найкраще пояснення, але воно не є вичерпним, оскільки не пояснює, чому це явище відбувається тільки з цією комбінацією матеріалів. Нам потрібно провести більше досліджень, але сумнівів у реальності цього явища немає», — додає він.
3D-друк активної електроніки
Команда використала це явище для друку вимикачів за один крок, які можуть слугувати основою для логічних елементів без напівпровідників. Пристрої виготовлені з тонких, 3D-друкованих провідників на основі полімеру, легованого міддю. Вони містять перехрещені провідникові ділянки, що дозволяють дослідникам регулювати опір, контролюючи подану на вимикач напругу.
Хоча ці пристрої не демонстрували такої ж продуктивності, як транзистори на основі кремнію, їх можна використовувати для простіших функцій керування та обробки, наприклад, для увімкнення та вимкнення двигуна. Досліди показали, що навіть після 4000 циклів перемикання пристрої не виявляли ознак погіршення.
Однак існують обмеження щодо мінімального розміру вимикачів, зумовлені фізичними властивостями екструзійного друку та самого матеріалу. Вони могли друкувати пристрої розміром у кілька сотень мікронів, тоді як транзистори у передових електронних пристроях мають діаметр лише кілька нанометрів.
«Реальність така, що в багатьох інженерних ситуаціях не потрібні найкращі мікросхеми. Наприкінці дня вам важливо лише те, чи ваш пристрій здатний виконати задачу. Ця технологія здатна задовольнити таку потребу», — говорить він.
Однак, на відміну від виробництва напівпровідників, їх методика використовує біорозкладний матеріал, потребує менше енергії та виробляє менше відходів. Полімерну нитку також можна легувати іншими матеріалами, наприклад, магнітними мікрочастинками, що може забезпечити додаткові функціональні можливості.
У майбутньому дослідники планують використовувати цю технологію для друку повністю функціональної електроніки. Вони прагнуть створити робочий магнітний двигун, використовуючи лише екструзійний 3D-друк. Також вони хочуть удосконалити процес, щоб створювати більш складні схеми та побачити, наскільки можна підвищити продуктивність цих пристроїв.
«Ця стаття демонструє, що активні електронні пристрої можуть бути виготовлені з екструзійних полімерних провідникових матеріалів. Ця технологія дозволяє вбудовувати електроніку у 3D-друковані структури. Одним із цікавих застосувань є 3D-друк мехатроніки на борту космічних апаратів за запитом», — зазначає Роджер Гоу, почесний професор інженерії Вільяма Е. Айєра зі Стенфордського університету, який не брав участі в цій роботі.
За матеріалами mit.edu
Похожие новости
Графік роботи Компанії СЕА під час новорічних свят
З Різдвом Христовим та Новим Роком!
Вітаємо з Днем енергетика!
Войдите или зарегистрируйтесь