خالکوبی الکترونیک و زیست حسگرهای شخصی : الکترونیک چاپی در محل، print-in-place electronics

مهندسین برق در دانشگاه دوک یک روش چاپ‌در‌محل برای مدارهای الکترونیکی روی سطوح ظریف از جمله کاغذ و پوست انسان اختراع کرد‌اند. این پیشرفت باعث توسعه‌ی فناوری‌هایی همچون خالکوبی الکترونیک با چسبندگی زیاد و بانداژهای پزشکی مجهز به زیست‌حسگرهای مخصوص بیمار خواهد شد. این روش‌ها در مجموعه‌ای از مقالات منتشر شده در تاریخ ۹ جولای در مجله‌ی Nanoscale و ۳ اکتبر در مجله‌ی ACS Nano‌ توصیف شده‌اند. ادامه‌ی این مطلب را در مجله فناوریهای توان‌افزا و پوشیدنی دنبال می کنیم.

خالکوبی های الکترونیکی و زیست حسگرهای شخصی : الکترونیک چاپی در محل، print-in-place electronics

الکترونیک چاپی

به گفته‌ی Aaron Franklin، L. James و Elizabeth M. Vincent دانشیار مهندسی رایانه و برق در دانشگاه دوک:

باور مردم از اصطلاح الکترونیک چاپی دریافت یک مدارد کامل از یک چاپگر پس از گذشت زمان معقول از بارگذاری طرح آن روی چاپگر است. تعداد مقالاتی که نوید این‌گونه مدارها را می‌دهد بسیار است. ولی فرآیند الکترونیک چاپی شامل بیرون کشیدن نمونه به دفعات ، حرارت دادن، شست و شو و لایه نشانی مواد خاص به صورت چرخشی است. پژوهش ما نخستین نمونه از تطبیق واقعیت با انتظارات عمومی است.

خالکوبی مدارهای الکترونیکی

مفهوم خالکوبی‌های الکترونیکی نخستین بار در در اواخر دهه‌ی ۲۰۰۰ میلادی در دانشگاه ایلینویز توسط John A. Rogers معرفی شد. وی هم‌اکنون استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه نورث وسترن است. به جای یک خالکوبی واقعی که به طور دائمی بر پوست بجای می‌ماند، خالکوبی‌های الکترونیکی مد نظر او، تکه‌های نازک لاستیکی انعطاف‌پذیری هستند که دارای اجزای الکتریکی یکسانی هستند.

دانشجوی دکتری دانشگاه دوک، نیک ویلیامز، دو اتصال الکترونیکی فعال  را در امتداد زیر انگشت کوچک خود چاپ می کند، و چراغ LED کوچکی را بین آنها  قرار داده و ولتاژی را اعمال می‌کند تا نشان دهد که این مدار حتی وقتی انگشت خود را خم می‌کند پایدار باقی می‌ماند.
دانشجوی دکتری دانشگاه دوک، نیک ویلیامز، دو اتصال الکترونیکی فعال را در امتداد زیر انگشت کوچک خود چاپ می کند، و چراغ LED کوچکی را بین آنها قرار داده و ولتاژی را اعمال می‌کند تا نشان دهد که این مدار حتی وقتی انگشت خود را خم می‌کند پایدار باقی می‌ماند.

این لایه‌ی نازک، مانند یک خالکوبی موقت به پوست می‌چسبد. نسخه‌های نخستین این خالکوبی الکترونیکی با انعطاف‌پذیری کافی برای پیگیری فعالیت‌های قلبی، مغزی و همچنین محرک‌های عضلانی طراحی شده‌اند. با وجود کاستی‌های این دستگاه‌ها( مانند زمانی که اصلاح مستقیم یک سطح با افزودن لوازم الکترونیکی سفارشی مورد نیاز است. )، نمونه‌هایی از آن در حال تجاری سازی است.

Franklin گفت: برای مفید بودن چاپ مستقیم تکمیل تمام مراحل چاپ در یک گام لازم است. از کاربردهای عجیب و غریب این مدارها می‌توان به خالکوبی‌های الکترونیکی متصل به یکدیگر نام برد. خالکوبی‌های متوالی برای برچسب‌گذاری زیستی، شناسایی منحصربفرد، ساخت نمونه‌ی نخست از یک سفارش الکترونیکی فوری و تشخیص بیماری مبتنی بر کاغذ( که بسادگی با بانداژهای شخصی‌سازی شده، ادغام می‌شوند) استفاده می‌شود.

پیاده سازی مدارهای الکترونیکی چاپی در یک مرحله

در مقاله‌ی ماه جولای، آزمایشگاه Franklin و آزمایشگاه Benjamin Wiley استاد شیمی در دانشگاه دوک، یک جوهر جدید شامل نانورشته‌های نقره ساختند که بر روی هر سطحی در دماهای پایین با یک چاپگر آئروسل(aerosol printer) چاپ می‌شود. نتیجه بدست آوردن یک لایه‌ی نازک با هدایت الکتریکی پایدار(بدون نیاز به انجام فرآیندهای دیگر) است.بعد از چاپ، جوهر در کمتر از دو دقیقه خشک شده و عملکرد الکتریکی بالای خود را حتی پس از تحمل تنش خمشی ۵۰ درصدی در بیش از هزار مرتبه تکرار حفظ می‌کند.

در ویدئویی که همراه مقاله‌ب نخست تهیه شده، دانشجوی دکتری دانشگاه دوک، Nick Williams دو مسیر الکترونیکی فعال را در کغ انگشت کوچکش چاپ می‌کند. در انتهای انگشت خود، این مسیرها را به یک چراغ LED کوچک متصل می‌کند. وی با اعمال ولتاژ به انتهای این مسیرهای چاپی، یک چراغ LED را روش می‌کند. چراغ حتی با وجود خم شدن و حرکت انگشتش روشن باقی می‌ماند.

در مقاله‌ی دوم Franklin و دانشجوی تحصیلات تکمیلی‌اش Shiheng Lu، جوهر رسانا را بهبود بخشیده و آن را با اجزای قابل چاپ دیگری برای ساخت ترانزیستور کاربردی ترکیب می‌کنند. چاپگر ابتدا نوار نیمه‌رسانایی از نانولوله‌های کربنی را برجای می‌گذارد. پس از خشک‌شدن و بدون برداشتن بستر کاغذی یا پلاستیکی از چاپگر، دو مسیر یا اتصال نانورشته نقره‌ای که چند سانتی‌متر از هر طرف امتداد دارند، نیز چاپ می‌شوند. بعد یک لایه‌ی دی‌الکتریک نارسانا از یک ماده‌ی دوبعدی، نیتراید بور با ساختار بلوری شش‌گوشی، بر روی نوار نیمه‌رسانای اصلی چاپ می‌شود که در ادامه یک الکترود درگاه نانورشته نقره‌ای نهایی نیز قرار داده می‌شود.

جوهر رسانای نیتراید بور

با استفاده از فناوری‌های امروزی بستر یا زیر لایه‌ی دستگاه باید از دستگاه خارج شود. خروج بستر برای انجام دست کم یکی از این سه مورد الزامی است:
نخست: حمام شیمیایی برای زدودن مواد ناخواسته
دوم: عملیات سخت‌کردن برای اطمینان از مخلوط نشدن لایه‌ها
سوم: یک پخت طولانی برای از بین بردن آثار مواد آلی

ولی روش چاپ‌در‌محل Franklin به هیچ یک از این مراحل نیازی ندارد و با وجود اینکه برای کامل شدن هر لایه نیاز به خشک‌شدن هست، می‌توان این روش را در کمترین دماهای پردازشی که تا بحال گزارش شده تکمیل و اجرا کرد.

به گفته‌ی Franklin : هیچ‌کس فکر نمی‌کرد که جوهر آئروسل شده (تعلیق کلوئیدی از ذرات جوهر در هوا، یا اسپری‌ای با ذرات بسیار ریز) بخصوص برای نیتراید بور، می‌تواند خواص مورد نیاز برای ساخت مدارهای الکترونیکی کاربردی را بدون پخت را دارا باشد. ما نه تنها این جوهر را بکار بردیم بلکه نشان دادیم که پخت آن به مدت دو ساعت پس از چاپ نیز عملکرد آن را بهبود نمی‌دهد. این مورد به اندازه‌ی اجرا شدن خود روش چاپ‌در‌محل، خوب بود!

پوشش های الکترونیکی و حسگرهای منحصربفرد بیمار

Franklin بعید می‌داند که روش چاپ او جایگزین فرآیندهای ساخت‌ و‌ تولید بزرگ مقیاس پوشش‌های الکترونیکی شود. اما او امکان استفاده از این روش را برای ساخت نمونه‌های نخست فوری یا در موقعیت‌هایی که یک اندازه‌ی خاص نیاز تمامی حالت‌ها را برآورده نمی‌کند، محتمل می‌داند.

وی افزود: به ساخت بانداژهایی سفارشی فکر کنید که دارای مدارهایی الکترونیکی همچون زیست‌حسگرها هستند. با این بانداژها یک پرستار کافی برای سرکشی به بیمار و تعیین نیازهای وی کافیست. روش چاپ ما، چاپ سریع بر حسب نیاز، دقیقا با چنین نیازهایی سازگار است.


بیشتر بخوانیم:
اولین خالکوبی رباتیک دنیا توسط بازوی رباتیک
کنترل وسایل الکترونیکی با خالکوبی فلزی MIT و مایکروسافت
با استفاده از خالکوبی، وسایل الکترونیکی سیار را کنترل کنید!


منبع: physorg
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است.»

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *