Sterk vervormbare piëzo-elektrische nanotruss voor tactiele elektronica

Nu het belang van contactloze omgevingen toeneemt als gevolg van COVID-19, winnen tactiele elektronische apparaten die haptische technologie gebruiken, grip als nieuwe communicatiemiddelen.

Haptische technologie wordt toegepast op een breed scala van gebieden, zoals robotica of interactieve displays. Haptische handschoenen worden gebruikt voor verbeterde informatiecommunicatietechnologie. Efficiënte piëzo-elektrische materialen die verschillende mechanische stimuli kunnen omzetten in elektrische signalen en vice versa, zijn een voorwaarde voor het bevorderen van hoogpresterende haptische technologie.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Seungbum Hong bevestigde het potentieel van tactiele apparaten door keramische piëzo-elektrische materialen te ontwikkelen die drie keer meer vervormbaar zijn. Voor de fabricage van sterk vervormbare nanomaterialen bouwde het onderzoeksteam een ​​holle nanostructuur van zinkoxide met behulp van nanopatronen in het nabije veld en atomaire gelaagde afzetting. De piëzo-elektrische coëfficiënt werd gemeten als ongeveer 9,2 pm / V en de nanopillaire compressietest toonde een elastische rekgrens van ongeveer 10%, wat meer dan drie keer groter is dan die van de bulk zinkoxide.

Piëzo-elektrische keramiek heeft een hoge piëzo-elektrische coëfficiënt met een lage elastische rekgrens, terwijl het tegenovergestelde geldt voor piëzo-elektrische polymeren. Daarom was het een grote uitdaging om goede prestaties te verkrijgen bij zowel hoge piëzo-elektrische coëfficiënten als hoge elastische rekgrenzen. Om de elastische limiet van piëzo-elektrisch keramiek te doorbreken, introduceerde het onderzoeksteam een ​​3D-truss-achtige holle nanostructuur met dunne wanden op nanometerschaal.

Volgens het Griffith-criterium is de breuksterkte van een materiaal omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de reeds bestaande foutgrootte. Een grote fout is echter minder waarschijnlijk in een kleine structuur, wat op zijn beurt de sterkte van het materiaal verbetert. Daarom kan het implementeren van de vorm van een 3D-truss-achtige holle nanostructuur met dunne wanden op nanometerschaal de elastische limiet van het materiaal verlengen. Bovendien kan een monolithische 3D-structuur grote spanningen in alle richtingen weerstaan ​​en tegelijkertijd het verlies van de bottleneck voorkomen. Voorheen was de breukeigenschap van piëzo-elektrische keramische materialen moeilijk te beheersen vanwege de grote variatie in scheurgrootte. Het onderzoeksteam beperkte echter structureel de scheurgrootte om de breukeigenschappen te beheersen.

De resultaten van professor Hong tonen het potentieel aan voor de ontwikkeling van zeer vervormbare keramische piëzo-elektrische materialen door de elastische grens te verbeteren met behulp van een 3D holle nanostructuur. Aangezien zinkoxide een relatief lage piëzo-elektrische coëfficiënt heeft in vergelijking met andere piëzo-elektrische keramische materialen, beloofde het toepassen van de voorgestelde structuur op dergelijke componenten betere resultaten in termen van piëzo-elektrische activiteit.

“Met de komst van het contactloze tijdperk neemt het belang van emotionele communicatie toe. Door de ontwikkeling van nieuwe tactiele interactietechnologieën, naast de huidige visuele en auditieve communicatie, zal de mensheid een nieuw tijdperk ingaan waarin ze met iedereen kunnen communiceren. gebruikmakend van alle vijf zintuigen, ongeacht de locatie, alsof ze persoonlijk bij hen zijn, “zei professor Hong.

“ Hoewel aanvullend onderzoek moet worden uitgevoerd om de toepassing van de voorgestelde ontwerpen voor haptische verbeteringsapparaten te realiseren, is deze studie van grote waarde omdat het een van de meest uitdagende problemen bij het gebruik van piëzo-elektrisch keramiek oplost, met name het openen van nieuwe mogelijkheden voor hun toepassing door het overwinnen van hun mechanische beperkingen.