Nová technológia umožní 3D tlač elektroniky bez polovodičov

To ďaleko presahuje rámec toho, čo v súčasnosti dokážeme s 3D tlačiarňami. A ak sa táto metóda zdokonalí, mohla by nakoniec znamenať začiatok novej vlny prototypovania, experimentovania a dokonca aj projektov pre domácich majstrov.

Pri 3D tlači sa v tenkých vrstvách postupne ukladajú termoplastické vlákna, živica, keramika a kov, z ktorých sa vytvorí trojrozmerný objekt. To znamená, že môžete tlačiť rôzne veci, od figúrok, cez šperky, až po nábytok a budovy.

Prečo teda netlačíme 3D tlačou funkčnú elektroniku? Hlavnou výzvou je, že polovodiče, ktoré sa tradične vyrábajú z čistého kremíka a režú sa na tenké plátky, z ktorých sa vyrábajú čipy pre zariadenia, sú veľmi krehké. Ich funkčnosť môže ovplyvniť prach, častice a mikróby vo vzduchu a dokonca aj teplota a vlhkosť. Preto sa s nimi manipuluje opatrne v čistých priestoroch, kde sa prísne kontroluje kvalita vzduchu a ďalšie faktory, aby sa zabezpečila presná funkčnosť čipov vyrobených v týchto priestoroch.

Moderný dizajn čipov je navyše mimoriadne zložitý, pretože milióny alebo miliardy tranzistorov sa vtesnajú do malých procesorov pomocou technológií spracovania v nanometrovom meradle. To je omnoho presnejšie, než čo v súčasnosti dokážeme dosiahnuť pomocou štandardných 3D tlačiarní.

Pre porovnanie, čip Gekko spoločnosti IBM, ktorý poháňal konzolu Nintendo GameCube v roku 2001, mal 21 miliónov tranzistorov. Čip Apple A12 Bionic v iPhone XS z roku 2018 mal 6,9 miliardy tranzistorov a bol vyrobený technológiou 7-nanometrového procesu.

Aby bolo jasné, 3D tlač moderných zariadení vôbec nie je to, o čo výskumníkom z MIT išlo. V skutočnosti ani nemali na mysli polovodiče, keď na to prišli. Výskumníci totiž vyrábali magnetické cievky pomocou procesu nazývaného ako vytláčacia tlač pre úplne iný projekt. Vtedy si všimli, že materiál, ktorý používali - polymérové vlákno dopované nanočasticami medi - vykazuje veľký skok v odpore, keď ním prechádza elektrický prúd. Akonáhle prúd vypli, odpor materiálu klesol na normálnu hodnotu.

To je v podstate vlastnosť, ktorú pozorujeme u polovodičov, ako je kremík. Preto ich používame na výrobu tranzistorov, ktoré sa zapínajú a vypínajú a tvoria logické brány v procesoroch.

„Videli sme, že toto je niečo, čo by mohlo pomôcť posunúť hardvér 3D tlače na ďalšiu úroveň,“ povedal Luis Fernando Velásquez-García, hlavný výskumný pracovník laboratórií MIT pre mikrosystémové technológie. „Ponúka to jasný spôsob, ako poskytnúť elektronickému zariadeniu určitý stupeň „inteligencie“.“

Tím demonštroval úplne 3D vytlačené resetovateľné poistky a tranzistory s použitím tohto lacného materiálu. Ide o jednoduché, hoci nevyhnutné komponenty v elektronických zariadeniach, ktoré zvyčajne používajú ťažko ovládateľné polovodiče.

Pri veľkosti niekoľkých stoviek mikrónov nie sú tieto tranzistory ani zďaleka také malé alebo výkonné ako tie, ktoré nájdete v procesore iPhonu. Sú však odolné a dajú sa použiť na celý rad jednoduchých aplikácií. To zahŕňa niečo tak jednoduché, ako je spínač na ovládanie motora, a na premenu na súčiastky pre integrované obvody.

„V skutočnosti existuje veľa technických situácií, ktoré si nevyžadujú tie najlepšie čipy,“ povedal Fernando Velásquez-García. „V konečnom dôsledku vás zaujíma len to, či vaše zariadenie dokáže splniť úlohu. Táto technológia dokáže splniť takéto obmedzenie.“

Vďaka biologicky rozložiteľnému materiálu a bez potreby čistých priestorov by táto metóda výroby jednoduchej elektroniky mohla nájsť využitie na miestach, kde je výroba špičkových zariadení náročná, napríklad vo vzdialených výskumných laboratóriách a „na palubách vesmírnych lodí“.

Článok o výskume bol nedávno uverejnený v magazíne Virtual and Physical Prototyping.