Voorbij de draden: de bubbelprinttechniek drijft de elektronica van de volgende generatie aan

Wetenschappers van Yokohama National University hebben een veelbelovende bellendrukmethode ontwikkeld die uiterst nauwkeurige patronen van vloeibare metalen bedrading voor flexibele elektronica mogelijk maakt. Deze techniek biedt nieuwe mogelijkheden voor het creëren van buigbare, rekbare en sterk geleidende circuits, ideaal voor apparaten zoals draagbare sensoren en medische implantaten. Hun studie was gepubliceerd in Nanomaterialen op 17 oktober.

Bedradingstechnologie maakt deel uit van ons dagelijks leven. Deze technologie creëert paden die elektronische componenten met elkaar verbinden en signalen en stroom door het hele apparaat transporteren. Traditionele bedrading, gemaakt van fysieke draden en printplaten, voedt de meeste elektronica, van telefoons tot computers. Met een groeiende vraag naar draagbare elektronische apparaten brengt de traditionele bedrading echter tekortkomingen aan het licht.

“Conventionele bedradingstechnologieën zijn afhankelijk van stijve geleidende materialen, die ongeschikt zijn voor flexibele elektronica die moet buigen en strekken”, zegt Shoji Maruo, professor aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van de Yokohama National University en corresponderend auteur van het onderzoek.

Alternatieven voor zulke stijve materialen, zoals vloeibare metalen, zijn veelbelovend, maar het gebruik ervan brengt bepaalde uitdagingen met zich mee.

“Vloeibare metalen bieden zowel flexibiliteit als een hoge geleidbaarheid, maar toch brengen ze problemen met zich mee wat betreft bedradingsgrootte, patroonvrijheid en elektrische weerstand van de oxidelaag”, zegt Masaru Mukai, assistent-professor aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen en de eerste auteur van het onderzoek.

Het onderzoeksteam heeft deze beperkingen aangepakt door een methode voor het afdrukken van bellen aan te passen – traditioneel gebruikt voor vaste deeltjes – om vloeibare metaalcolloïdale deeltjes van een eutectische gallium-indiumlegering (EGaIn) te patrooneren. Bubbelsprinten is een geavanceerde techniek voor het creëren van precieze bedradingspatronen rechtstreeks op oppervlakken, vooral op niet-traditionele of flexibele substraten, met behulp van deeltjes die worden verplaatst door de stroom die door bellen wordt gegenereerd.

Het team gebruikte een femtoseconde laserstraal om de EGaIn-deeltjes te verwarmen, waardoor microbellen ontstonden die ze in exacte lijnen op een flexibel glasoppervlak geleiden.

“De sleutel is om de geleidbaarheid te verbeteren door de resistieve galliumoxidelaag te vervangen door geleidend zilver via galvanische vervanging,” zei Maruo.

De resulterende bedradingslijnen waren niet alleen ongelooflijk dun en geleidend, maar ook zeer flexibel.

“Onze vloeibaar-metaalbedrading, met een minimale lijnbreedte van 3,4 μm, vertoonde een hoge geleidbaarheid van 1,5 x 10⁵ S/m en behield een stabiele geleidbaarheid, zelfs wanneer deze gebogen was, wat het potentieel ervan voor flexibele elektronische toepassingen benadrukt”, aldus Mukai.

Door betrouwbare, ultradunne bedrading van vloeibaar metaal te realiseren, opent deze methode mogelijkheden voor het creëren van zachte elektronica in draagbare technologie en toepassingen in de gezondheidszorg, waar zowel flexibiliteit als nauwkeurige functionaliteit essentieel zijn.

Het team streeft ernaar de flexibiliteit en elasticiteit van hun vloeibare metalen bedrading verder te verbeteren door nog meer aanpasbare substraten te integreren.

“Ons uiteindelijke doel is om deze methode te integreren met elektronische componenten, zoals organische apparaten, waardoor praktische, flexibele apparaten voor dagelijks gebruik mogelijk worden”, aldus Maruo. “We zien potentiële toepassingen op gebieden als draagbare sensoren, medische apparaten en andere technologieën die flexibele, duurzame bedrading vereisen.”