Комплексная 3D-печать гибких электролюминесцентных устройств и мягких роботов

Jun 09, 2024

Nature Communications, том 13, номер статьи: 4775 (2022) Цитировать эту статью

11 тысяч доступов

20 цитат

66 Альтметрика

Подробности о метриках

Гибкие и растягивающиеся светоизлучающие устройства способствуют инновациям во множестве приложений, таких как носимая и функциональная электроника, дисплеи и мягкая робототехника. Однако разработка гибких электролюминесцентных устройств с помощью традиционных методов остается трудоемкой и дорогостоящей. Здесь мы сообщаем о простом и легкодоступном способе изготовления класса гибких электролюминесцентных устройств и мягкой робототехники с помощью 3D-печати с прямым письмом. Были разработаны ионно-проводящие, электролюминесцентные и изолирующие диэлектрические чернила для 3D-печати, позволяющие легко и по требованию создавать гибкие и растягивающиеся электролюминесцентные устройства с хорошей точностью воспроизведения. Прочная межфазная адгезия с многослойными электролюминесцентными устройствами придала 3D-печатным устройствам привлекательные электролюминесцентные характеристики. Объединив наши напечатанные на 3D-принтере электролюминесцентные устройства с мягким четвероногим роботом и сенсорными блоками, был создан искусственный камуфляж, который может мгновенно самоадаптироваться к окружающей среде, отображая соответствующие цвета, что закладывает эффективную основу для мягких камуфляжей следующего поколения.

Появление гибкой и растяжимой электролюминесцентной (ЭЛ) электроники способствовало технологическому прогрессу во множестве приложений, таких как шифрование информации1,2,3, интеллектуальные электронные оболочки4,5,6,7,8, мягкая робототехника9,10,11 и оптическая связь12. ,13. Среди этих электролюминесцентных устройств ЭЛ переменного тока (ACEL), возможно, являются одним из наиболее подходящих кандидатов для разработки растягивающихся устройств14. Они отличаются не только простой архитектурой, обещающей пластичность и надежность для применения в суровых условиях, но и относительно простыми производственными процессами по сравнению с осаждением из паровой фазы при производстве органических светоизлучающих диодов5,7,10,11,15,16. В настоящее время гибкие устройства ACEL обычно изготавливаются посредством многослойного ламинирования (т.е. трафаретной печати), при котором слой электролюминофора (например, точек ZnS:Cu) помещается между двумя растягивающимися электродами. Однако ряд шагов и дорогостоящие утилиты (например, маски и деликатные инструменты), необходимые для этого метода, могут ограничить его применение при быстром прототипировании и настройке17. Поэтому в связи с растущим спросом на инновации в гибких электролюминесцентных устройствах срочно необходима простая, доступная и настраиваемая стратегия производства.

С другой стороны, 3D-печать из нескольких материалов — это новая высокопроизводительная и программируемая технология производства, которая позволяет создавать многокомпонентные 2D и 3D сложные объекты из широкого спектра функциональных вязкоупругих материалов, предлагая жизнеспособную стратегию для достижения этой цели. цель18,19,20. Однако, несмотря на недавний прогресс в области 3D-печатной электроники, такой как дисплеи, носимая электроника, полупроводниковое освещение и биомедицинская электроника21,22, изготовление сложных электролюминесцентных устройств посредством 3D-печати из нескольких материалов остается в значительной степени неисследованным23,24,25. Здесь мы сообщаем об упрощенном подходе к изготовлению гибких электролюминесцентных устройств посредством 3D-печати из нескольких материалов (рис. 1а). Устройство состоит из высокопроводящего эластомера в качестве электродов, диэлектрического эластомера в качестве изолирующего слоя и эластомера, наполненного люминофором ZnS, в качестве электролюминесцентного слоя. Чтобы создать систему, пригодную для печати, составы чернил были разработаны так, чтобы проявлять благоприятные реологические свойства для экструзионной печати без ущерба для их уникальных электрических функций (т.е. ионной проводимости, диэлектрической изоляции и электролюминесценции). Благодаря превосходным печатным свойствам наших чернил были созданы высокоточные печатные 2D- и 3D-архитектуры, в том числе гибкий браслет с индивидуальным рисунком EL. Кроме того, благодаря составу чернил, электролюминесцентные устройства, напечатанные на 3D-принтере, демонстрируют высокую механическую податливость и прочную адгезию между составляющими слоями, что обеспечивает стабильные характеристики электролюминесценции даже при механической деформации. Предлагаемая нами стратегия легко интегрируется с другими технологическими достижениями, такими как мягкая робототехника. Интегрируя наши 3D-печатные электролюминесцентные устройства с пневматическим мягким роботом (рис. 1b), мы дополнительно демонстрируем создание самоадаптирующегося мягкого робота, вдохновленного хамелеоном, который может мгновенно менять цвет своей поверхности в соответствии с окружающей средой. Предлагаемая здесь простая и программируемая стратегия производства открывает новые возможности для создания гибких дисплеев следующего поколения, носимой электроники, умного камуфляжа и многого другого.