Elektronika przyszłości w postaci wydruku. Będzie mniejsza i bardziej energooszczędna

Być może układy elektroniczne będą drukowane w taki sam sposób, jak dziś drukujemy gazety, ale w dużo mniejszej skali. Naukowcy z Purdue University w Indianie opracowali sposób produkcji bardzo precyzyjnych układów pozwalający odciskać je na elastycznych powierzchniach. To rzuca nowe światło na przyszłość smartfonów i wszelkiego rodzaju urządzeń zarówno od strony konstrukcyjnej, jak i wydajnościowej.

Obecnie płytki drukowane, które znajdują się w naszych urządzeniach elektronicznych są „malowane natryskowo”. Metal przewodzący w stanie płynnym jest natryskiwany na formy dla przyszłych płyt głównych naszych smartfonów. Technika ta jest dość precyzyjna i pozwala tworzyć układy wielowarstwowe, ale natrysk może być nierówny i okazać się mniej wydajny niż powinien – zwłaszcza w małej skali. Nierówna powierzchnia ścieżki może odbić się na prędkości przesyłania informacji oraz na zużyciu energii, co ma spory wpływ na urządzenia mobilne. Wymagania rynku rosną, a producenci elektroniki stoją pod ścianą postawioną przez fizykę.

Urządzenie opracowane na Purdue University wykorzystuje mechanizm podobny do tradycyjnej maszyny drukarskiej, ale zamiast drukowania liter, na ogromne arkusze papieru nakłada metal na podkład z tworzywa sztucznego w skali nano. W druku rolkowa maszyna wykorzystuje bardzo szybko działające stemple. Zaś przy produkcji elektroniki warstwa metalu jest kształtowana dzięki zjawisku superplastyczności (możliwość odkształcania stopu poddanego działaniu bardzo małych naprężeń i wysokich temperatur bez dekohezji – niszczenia materiału na poziomie cząsteczkowym).

Zjawisko to jest wywoływane przy pomocy lasera. Krótkie emisje energii, zdolne szybko nagrzać metal do temperatury gwarantującej superplastyczność, pozwalają precyzyjnie zaginać metal tak, by pasował do przygotowanej wcześniej matrycy zanim ponownie zastygnie.

Matryca do druku jest przygotowana w skali nano. Precyzja tej metody pozwala drukować układy bardziej kompaktowe niż robią to wykorzystywane obecnie linie produkcyjne, których osiągnięcia i tak - trzeba przyznać - są imponujące. Pokonując ich ograniczenia zyskamy układy nie tylko mniejsze, ale też szybsze. Im gładszy jest metal pokrywający ścieżki, tym lepsze właściwości przenoszenia danych zapewnia i tym mniejsze straty energii będzie generować.

Ponadto, opisana technika może wprowadzić elektronikę do nanoskali dzięki pokonaniu granicy formowalności stopów metali. Trudno tworzyć kształty mniejsze niż cząstki natryskiwanego materiału, z którego coś budujemy. To właśnie powstrzymuje producentów elektroniki przed szybkim tworzeniem układów o wysokiej wydajności w nanoskali. Ramses Martinez, jeden z autorów wynalazku, porównał ten proces budowania zamków z piasku mniejszych, niż samo ziarnko piasku. Prasa z Purdue University to potrafi.

Co ważne, proponowana technika drukowania układów elektronicznych nie jest kosztowna. Prototyp maszyny powstał z łatwo dostępnych części elektronicznych i można od razu przystąpić do produkcji na większą skalę. Jeśli inwestorzy zainteresują się tym wynalazkiem, możemy sporo zyskać. Będziemy mieli dostęp do jeszcze szybszych urządzeń elektronicznych bez marnowania energii. Metoda ta ma również potencjał w produkcji ekranów dotykowych oraz czułych biosensorów.