Développement d’électronique 3-D avec génération de motifs pré-déformés et thermoformage

Développement d'électronique 3-D avec génération de motifs pré-déformés et thermoformage

Présentation de la méthode de fabrication de 3DE basée sur la génération de motifs prédéformés et le processus de thermoformage (appelé PGT3DE) offrant une personnalisation, une conformabilité et une extensibilité élevées. (A) Mécanisme de base du PGT3DE. Le 3DE peut être fabriqué à l’aide de la simulation de thermoformage et de la méthode de génération de motifs prédéformés. (B) Illustration schématique en coupe transversale de 3DE fabriqué basé sur PGT3DE. (C et D) Conception du modèle de circuit 3D (C) et fabrication du 3DE (D) [(i) top view and (ii and iii) bird’s eye view without the 3D mold (ii) and with the 3D mold (iii)]. (E) Propriété conforme 3D du film SEBS thermoformé avec une image au microscope du film SEBS thermoformé (i) et du moule 3D (ii). (F) Stabilité électrique sous diverses déformations ; le 3DE est robuste aux déformations d’étirement (ii), de torsion (iii) et de pliage (iv) sans déconnexion électrique. (G) 3DE en forme d’oreille. Les LED du 3DE sont bien éclairées en raison de l’interconnexion électrique réussie. Crédit photo : Jungrak Choi, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Crédit: Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abj0694

L’électronique tridimensionnelle (3-DE) suscite beaucoup d’intérêt en raison des demandes croissantes d’intégration transparente sur des surfaces courbes. Néanmoins, il est difficile de développer du 3-DE avec une conformité et une extensibilité personnalisables élevées. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques, Jungrak Choi et une équipe de recherche en génie mécanique, science des matériaux et science et technologie en Corée du Sud ont présenté une méthode pour former une électronique tridimensionnelle basée sur la génération de motifs pré-déformés et le thermoformage. À l’aide d’électrodes conductrices à base d’élastomère thermoplastique et de métal liquide, ils ont obtenu une thermoformabilité et une extensibilité élevées pendant la fabrication et le fonctionnement du dispositif. La nouvelle technologie peut faciliter un large éventail de fonctionnalités dans les technologies portables.

Développement 3-DE

L’électronique tridimensionnelle a une personnalisation élevée, une conformabilité 3D et une extensibilité pour former une électronique extensible de pointe en réponse aux demandes croissantes de formation de surfaces curvilignes pour les capteurs portables. Le processus de développement direct de 3-DE avec une personnalisation élevée, une conformabilité 3D et une extensibilité sur n’importe quelle surface compliquée est très demandé. Parmi les nombreuses méthodes de développement, le thermoformage est une technique de fabrication qui utilise la déformation thermoplastique d’un film plastique sur un moule de forme 3D avec les avantages d’un faible coût de fabrication, d’une évolutivité sur une grande surface et d’un prototypage rapide. Dans ce travail, Choi et al. a développé une méthode pour 3-DE basée sur la génération de motifs pré-déformés et le thermoformage abrégé en PGT3DE avec un élastomère thermoplastique et une électrode conductrice à base de métal liquide. Au cours du processus de fabrication 3-DE, l’équipe a appliqué un substrat à base d’élastomère thermoplastique hautement extensible tel que le styrène-éthylène-butylène-styrène (SEBS) et une électrode conductrice extensible telle que le métal liquide eutectique à base de gallium-indium mélangé à des microparticules de cuivre. .







Test de stabilité électrique et mécanique du 3DE sous déformations d’étirement, de torsion et de pliage. Crédit: Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abj0694

Aperçu expérimental

Comme preuve de concept, les scientifiques ont conçu un modèle de circuit 3D et allumé trois LED sur la surface 3D et ont noté son extensibilité pour des déformations flexibles, sans déconnexion électrique pendant le processus. Ils ont également développé des formes compliquées, notamment un 3-DE en forme d’oreille. L’équipe a suivi deux étapes clés pour former le 3-DE basé sur la méthode de génération de motifs pré-déformés et de thermoformage (PGT3DE). Dans la première étape expérimentale, Choi et al. généré un modèle 2D pré-déformé à l’aide de simulations de la méthode des éléments finis (FEM) et réalisé une modélisation 3D du 3-DE conçu. Dans l’étape suivante, ils ont utilisé des électrodes et des appareils électroniques et les ont placés sur le film plan 2D à l’aide du motif 2D pré-déformé. De plus, l’équipe a conçu un modèle de circuit du 3-DE sur la surface du moule 3D à l’aide d’un outil de modélisation et a établi une carte entre le maillage 3D déformé et la surface du moule 3D pour transférer le modèle de circuit. Ils ont terminé la fabrication 3-DE en le détachant du moule. Le processus de thermoformage comprenait des déformations thermoplastiques complexes lorsque le film thermoplastique s’adaptait au moule 3D. L’équipe a effectué des étapes séquentielles au cours de la simulation.

Développement d'électronique 3-D avec génération de motifs pré-déformés et thermoformage

Processus de fabrication du PGT3DE. (A) Conception d’un modèle de circuit 3DE sur moule 3D. (B) Simulation de thermoformage. (C) Génération de motifs prédéformés. (D) Modélisation de l’électrode EGaIn-CP et montage d’appareils électroniques sur un film SEBS plan 2D basé sur le motif prédéformé. (E) Procédé de thermoformage. (F) 3DE fabriqué. Crédit: Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abj0694

Caractérisation électrique du matériau et applications potentielles

Les chercheurs avaient précédemment recommandé une électrode EGaIn-CP comme matériau prometteur pour alimenter des dispositifs étirables en raison de sa conductivité électrique élevée, de ses propriétés adhésives et de son aptitude à l’étirement. Dans ce travail, Choi et al. a utilisé une configuration similaire et a facilité la résolution du motif de l’électrode EGaIn-CP en utilisant deux méthodes d’impression différentes, notamment l’impression au pochoir et l’impression laser à fibre.

Développement d'électronique 3-D avec génération de motifs pré-déformés et thermoformage

Démonstration de 3DE pour les applications de capteurs tactiles et de haut-parleurs. (A à D) Capteur tactile capacitif en forme de doigt. (A) Illustration schématique et photographies du capteur tactile en forme de doigt. Le capteur est composé de quatre pavés tactiles (T1, T2, T3 et T4). (B) Fonctions de contrôle gestuel. Quatre pavés tactiles permettent non seulement quatre appuis simples, mais également plusieurs commandes gestuelles telles que le double appui, le balayage et la rotation. (C) La capacité change au fil du temps lorsque les fonctions de contrôle gestuel ont été appliquées. CCW, dans le sens antihoraire. (D) Contrôle du drone Quadcopter à l’aide du capteur tactile. Le capteur tactile a réussi à contrôler un drone quadricoptère. (E et F) Haut-parleur en forme d’hémisphère. (E) Photographie du haut-parleur en forme d’hémisphère. (F) Caractéristique du locuteur. Le haut-parleur a bien généré un son avec peu de distorsion du son sous des déformations mécaniques telles que la pression et l’étirement. Crédit photo : Jungrak Choi, KAIST. Crédit: Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abj0694

Ils ont noté comment la longueur de l’électrode augmentait lors des déformations thermoplastiques et élastiques, sans déconnexion électrique et avec une excellente récupération du signal pour assurer des performances stables et une longue durée de vie. L’équipe a ensuite fait fonctionner l’électrode jusqu’à une température de 65 degrés Celsius. Pour examiner les applications potentielles de la technologie proposée, Choi et al. a fait la démonstration d’un capteur tactile 3D portable et d’un haut-parleur avec des géométries 3D. Lors des applications de capteurs, ils ont utilisé un capteur tactile capacitif en forme de doigt permettant aux utilisateurs de porter le capteur confortablement et d’appuyer sur le pavé tactile, tout en maintenant une connexion électrique stable. L’équipe a utilisé quatre pavés tactiles pour former le capteur tactile, et a inclus des tapotements simples tels que le double tapotement, le mouvement rapide et la rotation comme manœuvres. À l’aide du capteur tactile, ils ont ensuite facilité le contrôle d’un drone pour l’atterrissage, le décollage, les mouvements de retournement et les rotations. Ils ont également créé un haut-parleur en forme de 3D et mesuré son bon fonctionnement en mesurant le niveau de pression acoustique. En utilisant le système PGT3DE (génération de motifs pré-distordus et thermoformage), Choi et al. a en outre montré la fonctionnalité sans fil et sans batterie des systèmes 3-DE.







Contrôle du drone quadricoptère à l’aide d’un capteur tactile capacitif en forme de doigt. Crédit: Avancées scientifiques, 10.1126/sciadv.abj0694

Perspectives

De cette façon, Jungrak Choi et ses collègues ont développé une méthode de fabrication connue sous le nom de PTG3DE, qui comprenait des méthodes de génération de motifs pré-déformés et de thermoformage pour former une électronique tridimensionnelle (3-DE). La méthode offrait une liberté de conception personnalisable et un contact conforme 3D sur une variété de surfaces complexes. Ils ont conçu le 3-DE avec précision à l’aide de simulations FEM (méthode des éléments finis) et les ont fabriqués à l’aide de la génération de motifs pré-déformés. Les constituants ont permis une extensibilité élevée et une intégration électronique transparente. L’équipe a montré la polyvalence de la technologie en créant un capteur tactile, un haut-parleur et des systèmes sans fil et sans batterie avec des géométries 3D.


Étendre la capacité du stockage d’énergie flexible


Plus d’information:
Jungrak Choi et al, Electronique 3D personnalisable, conforme et extensible via la génération de motifs prédistordus et le thermoformage, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abj0694

Dae-Hyeong Kim et al, Circuits intégrés en silicium extensibles et pliables, Science (2008). DOI : 10.1126/science.1154367

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Citation: Développement d’électronique 3-D avec génération de motifs pré-distordus et thermoformage (2021, 1er novembre) récupéré le 1er novembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-11-d-electronics-pre-distorted-pattern-thermoforming .html

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