3D-printen op kamertemperatuur maakt geminiaturiseerde infraroodsensoren mogelijk

Infraroodsensoren, die fungeren als ‘ziende’ component in apparaten zoals LiDAR voor autonome voertuigen, 3D-gezichtsherkenningssystemen in smartphones en draagbare gezondheidszorgapparatuur, worden beschouwd als sleutelcomponenten in de elektronica van de volgende generatie.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Ji Tae Kim van de afdeling Werktuigbouwkunde van KAIST heeft, in samenwerking met professor Soong Ju Oh van de Korea University en professor Tianshuo Zhao van de Universiteit van Hong Kong, een 3D-printtechniek ontwikkeld die in staat is ultrakleine infraroodsensoren – kleiner dan 10 micrometer (μm) – te vervaardigen in aangepaste vormen en maten bij kamertemperatuur.

Het artikel, “Ligand-exchange-assisted printen van colloïdale nanokristallen om volledig gedrukte submicron-opto-elektronica mogelijk te maken”, is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Infraroodsensoren zetten onzichtbare infraroodsignalen om in elektrische signalen en dienen als essentiële componenten bij het realiseren van toekomstige elektronische technologieën zoals robotvisie. Dienovereenkomstig zijn miniaturisatie, gewichtsreductie en flexibel vormfactorontwerp steeds belangrijker geworden.

Conventionele halfgeleiderfabricageprocessen waren zeer geschikt voor massaproductie, maar hadden moeite om zich flexibel aan te passen aan de snel veranderende technologische eisen. Ze vereisten ook verwerking op hoge temperatuur, wat de materiaalkeuze beperkte en grote hoeveelheden energie verbruikte.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, heeft het onderzoeksteam een ​​ultraprecies 3D-printproces ontwikkeld waarbij gebruik wordt gemaakt van metaal-, halfgeleider- en isolatiematerialen in de vorm van vloeibare nanokristallijne inkten, die laag voor laag worden gestapeld binnen één enkel printplatform.

Deze methode maakt directe fabricage van kerncomponenten van infraroodsensoren bij kamertemperatuur mogelijk, waardoor de realisatie van op maat gemaakte miniatuursensoren van verschillende vormen en maten mogelijk wordt.

De onderzoekers bereikten uitstekende elektrische prestaties zonder de noodzaak van uitgloeien bij hoge temperaturen door een “ligand-uitwisseling” -proces toe te passen, waarbij isolerende moleculen op het oppervlak van nanodeeltjes worden vervangen door geleidende.

Als resultaat hiervan heeft het team met succes ultrakleine infraroodsensoren vervaardigd die minder dan een tiende van de dikte van een mensenhaar (minder dan 10 µm) meten.

Professor Ji Tae Kim merkte op: “De ontwikkelde 3D-printtechnologie bevordert niet alleen de miniaturisatie en het lichtgewicht ontwerp van infraroodsensoren, maar maakt ook de weg vrij voor de creatie van innovatieve nieuwe vormfactorproducten die voorheen ondenkbaar waren. Bovendien kan deze aanpak, door het enorme energieverbruik dat gepaard gaat met hogetemperatuurprocessen te verminderen, de productiekosten verlagen en milieuvriendelijke productie mogelijk maken, wat bijdraagt ​​aan de duurzame ontwikkeling van de infraroodsensorindustrie.”