3D printana elektronika bez poluvodiča

Aktivna elektronika, odnosno komponente koje mogu kontrolirati električne signale, obično sadrže poluvodičke uređaje koji primaju, pohranjuju i obrađuju informacije. Ove komponente, koje se moraju izraditi u čistoj prostoriji, zahtijevaju naprednu tehnologiju izrade koja nije široko dostupna izvan nekoliko specijaliziranih proizvodnih centara.

Tijekom pandemije Covid-19, nedostatak široko rasprostranjenih pogona za proizvodnju poluvodiča bio je jedan od uzroka svjetske nestašice elektronike, što je povećalo troškove za potrošače i imalo implikacije na sve, od  gospodarstva do obrane. Mogućnost 3D ispisa cijelog, aktivnog elektroničkog uređaja bez potrebe za poluvodičima mogla bi dovesti proizvodnju elektronike u tvrtke, laboratorije i domove diljem svijeta.

Iako je ova ideja još daleko, istraživači s MIT-a poduzeli su važan korak u tom smjeru demonstrirajući potpuno 3D ispisane resetirajuće osigurače, koji su ključne komponente aktivne elektronike koja obično zahtijeva poluvodiče.

Uređaji bez poluvodiča, koje su proizveli korištenjem standardnog hardvera za 3D ispis i jeftinog, biorazgradivog materijala, mogu obavljati iste funkcije prebacivanja kao tranzistori temeljeni na poluvodičima koji se koriste za operacije obrade u aktivnoj elektronici.

Iako su još daleko od postizanja performansi poluvodičkih tranzistora, 3D ispisani uređaji mogli bi se koristiti za osnovne kontrolne operacije poput regulacije brzine elektromotora.

Ovaj je projekt izrastao iz drugog u kojem su izrađivali magnetske zavojnice pomoću ekstruzijskog ispisa, procesa u kojem printer topi filament i raspršuje materijal kroz mlaznicu, izrađujući objekt sloj po sloj.

Vidjeli su zanimljiv fenomen u materijalu koji su koristili, polimernoj niti dopiranoj nanočesticamabakra. Kad bi u materijal propustili veliku količinu električne struje, on bi pokazao veliki skok otpora, ali bi se vratio na svoju izvornu razinu ubrzo nakon što je struja prestala djelovati.

Ovo svojstvo omogućuje inženjerima izradu tranzistora koji mogu raditi kao sklopke, nešto što se obično povezuje samo sa silicijem i drugim poluvodičima. Tranzistori, koji se uključuju i isključuju za obradu binarnih podataka, koriste se za formiranje logičkih vrata koja izvode računanje.

Uređaji su napravljeni od tankih, 3D ispisanih tragova polimera dopiranog bakrom. Oni sadrže presijecajuća vodljiva područja koja istraživačima omogućuju reguliranje otpora kontroliranjem napona koji se dovodi u sklopku.

Iako uređaji nisu radili tako dobro kao tranzistori temeljeni na siliciju, mogli su se koristiti za jednostavniju kontrolu i funkcije obrade, poput uključivanja i isključivanja motora. Njihovi eksperimenti su pokazali da, čak ni nakon 4000 ciklusa prebacivanja, uređaji nisu pokazivali znakove propadanja.

Za razliku od proizvodnje poluvodiča, ova tehnika koristi biorazgradivi materijal, a proces koristi manje energije i proizvodi manje otpada. Polimerna nit bi također mogla biti dopirana drugim materijalima, poput magnetskih mikročestica koje bi mogle omogućiti dodatne funkcionalnosti. 

U budućnosti, istraživači žele koristiti ovu tehnologiju za ispis potpuno funkcionalne elektronike.

Istraživanje objavljeno u časopisu Virtual and Physical Prototyping možete pronaći na ovoj poveznici.