เทคโนโลยีพิมพ์แบบละอองฝอยใหม่สามารถพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ

เทคโนโลยีการพิมพ์รูปแบบใหม่มีศักยภาพในการพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ลงบนพื้นผิวโค้งและพื้นผิวสามมิติโดยตรง เปิดโอกาสในการสร้างเซ็นเซอร์และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่สามารถผลิตด้วยกระบวนการผลิตแบบระนาบดั้งเดิม งานวิจัยนี้นำโดย Ethan Secor รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของมหาวิทยาลัย Iowa State และบริษัทสตาร์ทอัพที่เขาก่อตั้งขึ้นชื่อ Contour Circuits ทีมงานกำลังพัฒนาวิธีการใช้เทคโนโลยีพิมพ์แบบละอองฝอย (aerosol jet printing) เพื่อเคลือบวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ลงบนพื้นผิวที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำสูง แตกต่างจากเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ตทั่วไป เทคโนโลยีพิมพ์แบบละอองฝอยจะเปลี่ยนหมึกเหลวให้เป็นละอองฝอยละเอียด แล้วลำเลียงละอองดังกล่าวผ่านหัวฉีดด้วยกระแสก๊าซ ทำให้ระบบสามารถพิมพ์ลวดลายที่มีขนาดเล็กถึง 10 ถึง 100 ไมโครเมตรได้

ผสมผสานเทคโนโลยีหุ่นยนต์เพื่อยกระดับความแม่นยำ

ขณะนี้นักวิจัยกำลังผสมผสานกระบวนการพิมพ์นี้เข้ากับเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ซอฟต์แวร์ และการตรวจวัดแบบเรียลไทม์ เพื่อควบคุมรูปแบบการเคลือบวงจรบนพื้นผิวโค้ง

หนึ่งในระบบของทีมได้ติดตั้งเครื่องพิมพ์แบบละอองฝอยไว้บนแขนหุ่นยนต์ที่เคลื่อนที่ได้ การติดตั้งในลักษณะนี้ทำให้หัวฉีดสามารถเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวที่ไม่เรียบได้ แต่ขณะเดียวกันก็นำมาซึ่งความท้าทายใหม่ด้านการกำหนดตำแหน่งและการวางแผนการเคลื่อนที่ เป้าหมายคือทำให้กระบวนการนี้มีความแม่นยำเพียงพอที่จะผลิตวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อถือได้บนรูปทรงสามมิติที่ซับซ้อน Secor กล่าวว่า "งานที่ทำให้ผมตื่นเต้นในขณะนี้คือการพิมพ์ลงบนพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอ ในอีกสองถึงสามปีข้างหน้า นี่จะเป็นหนึ่งในภารกิจสำคัญของเรา เราจะทุ่มเทให้กับการพัฒนาการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้" ขอบข่ายการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ครอบคลุมอุตสาหกรรมพลังงาน การแพทย์ การผลิต อวกาศและการบิน โทรคมนาคม และความมั่นคง

วัสดุหมึกชนิดใหม่รองรับสภาวะสุดขั้ว

การยกระดับความทนทานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์ขึ้นก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แล้วจะยังคงทำงานได้ตามปกติหรือไม่หลังการผลิต Secor กำลังศึกษาวัสดุหมึกชนิดใหม่ เพื่อรองรับสภาวะสุดขั้ว รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่รุนแรงซึ่งพบในอวกาศ งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนล่าสุดจาก National Science Foundation ของสหรัฐอเมริกา โดยทีมให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับจุดบกพร่องที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งเชื่อมต่อระหว่างเซมิคอนดักเตอร์ฐานซิลิคอนกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดใหญ่กว่า นักวิจัยระบุไว้ในบทคัดย่อโครงการว่า "ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถทำงานในสภาวะสุดขั้วมีความเกี่ยวข้องสูงต่อการประยุกต์ใช้ด้านพลังงาน โครงสร้างพื้นฐาน อวกาศและการบิน รวมถึงการใช้งานในอวกาศ"

NASA ก็ให้การสนับสนุนความพยายามในเชิงพาณิชย์เช่นกัน

สำรวจเทคโนโลยีพิมพ์หลายวัสดุ

Contour Circuits ก่อตั้งโดย Secor และอดีตนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Jeremy Rurup ได้รับสัญญาถ่ายทอดเทคโนโลยีสำหรับธุรกิจขนาดเล็ก (Small Business Technology Transfer) มูลค่า US$150,000 (ราว HK$1,170,000) เพื่อผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ บริษัทดำเนินงานวิจัย ณ Roy J. Carver Co-Laboratory ของมหาวิทยาลัย Iowa State ทีมงานยังอยู่ระหว่างสำรวจวิธีการพิมพ์วัสดุหลายชนิดในกระบวนการเคลือบเพียงครั้งเดียว Secor เปรียบแนวคิดนี้คล้ายกับการเปลี่ยนผ่านจากการพิมพ์ขาวดำไปสู่การพิมพ์แบบระดับสีเทา โดยองค์ประกอบของวัสดุที่พิมพ์สามารถแปรผันไปตามพื้นผิว ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรสามารถควบคุมคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ได้ดียิ่งขึ้น

ความสนใจของ Secor ที่มีต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์ขึ้นเริ่มต้นในช่วงที่เขาศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัย Northwestern โดยในช่วงแรกเขามุ่งเน้นศึกษาหมึกกราฟีน เมื่อการวิจัยลึกลงไป ขอบข่ายงานของเขาขยายไปสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากโลหะเหลว ตัวเก็บประจุยิ่งยวดขนาดจิ๋ว และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในที่สุดเขาเริ่มสร้างและดัดแปลงฮาร์ดแวร์การพิมพ์ด้วยตนเอง แทนที่จะพึ่งพาเพียงระบบที่มีจำหน่ายในท้องตลาด Secor กล่าวว่า "ผมเรียนรู้วิธีการสร้างเครื่องพิมพ์ ซึ่งเปิดทิศทางการวิจัยมากมายให้กับผม ปัจจุบันเราสร้างและปรับแต่งฮาร์ดแวร์ของเราเอง ดังนั้น ในขณะที่กลุ่มวิจัยอื่นกำลังใช้กล่องดำ เราสามารถเปิดมันออกมา ทำความเข้าใจกลไกการทำงาน และพัฒนาต่อยอดได้"

ผลกระทบของเทคโนโลยีใหม่ต่อการประยุกต์ใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีพิมพ์แบบละอองฝอยรูปแบบใหม่นี้จะนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในวิธีการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยความสามารถในการพิมพ์วงจรอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นผิวโค้งที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ ในอนาคตจะสามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นและปรับตัวได้มากยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสาขาที่มีความสำคัญ เช่น การแพทย์และอวกาศ ทีมวิจัยมุ่งเน้นยกระดับความทนทานและรองรับสภาวะสุดขั้ว ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงการคำนึงถึงการประยุกต์ใช้ในอนาคตอย่างรอบด้าน เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าต่อไป วิธีการพิมพ์นี้อาจกลายเป็นมาตรฐานของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ ผลักดันนวัตกรรมและการพัฒนาในอุตสาหกรรม