Российский аэрозольный 3D-принтер позволит создавать электронные платы на пластиковых поверхностях любой формы с помощью направленного потока наночастиц. В результате солнечные батареи можно будет печатать прямо на крышах автомобилей, а такие элементы мобильных телефонов, как принимающие и передающие антенны, начнут встраивать в их корпуса, уменьшив габариты устройств. Новую технологию можно будет использовать и для создания токопроводящей основы гибких экранов, что сделает их более экономичными. Уже создан экспериментальный прототип принтера, а его промышленная версия может появиться в ближайшие годы.
Напрыскать микросхемами
Создание микросхем на поверхности недорогих полимерных пластин — одна из приоритетных задач ученых, решение которой должно приблизить широкое внедрение гибкой электроники. Однако стандартный промышленный метод фотолитографии не подходит для этой цели из-за использования высоких температур, при воздействии которых пластик расплавляется. Поэтому сейчас элементы микросхем наносят на него более щадящим способом — с помощью особых чернил, которые обладают повышенным электрическим сопротивлением и в конечном счете снижают экономичность новых устройств. Выход из этого положения предложили российские ученые, разработавшие альтернативную технологию производства.
— Для создания электроники мы используем особый аэрозольный принтер, который формирует ее элементы (резисторы, транзисторы, диоды и т.д.) с помощью осаждения наночастиц металлов на поверхности полимерного материала, — отметил в разговоре с «Известиями» научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур Московского физико-технического института Алексей Ефимов. — После этого частицы спекаются с помощью лазерного воздействия, которое позволяет создать между ними прочные механические связи с хорошей проводимостью.
По словам эксперта, малый размер используемых частиц позволил минимизировать температуру их плавления до 400 °C (в начале полета частицы) и ниже (в зависимости от применяемого металла). В результате пластиковая подложка из используемого учеными полиимида (класс полимеров. — «Известия») не повреждается от нагрева и остается целой.
При этом сами частицы принтер получает с помощью эрозии (испарения) металлов из-за воздействия электрического тока. После этого их направленный поток проходит через узкую (диаметром в 100 микрон) неподвижную печатающую головку и попадает на заготовку, которая движется вместе с координатным столом. В этот же момент частицы оказываются под воздействием лазерного излучения, которое окончательно формирует из них электронные элементы.
Волшебный аэрозоль
В отличие от стандартной кремниевой электроники ее пластичный полимерный вариант ученые планируют использовать для создания токопроводящей основы гибких экранов для мобильных телефонов и планшетов, которая будет обладать минимальным электрическим сопротивлением. В результате это должно повысить их экономичность, поскольку именно на питание экрана обычно уходит значительная доля заряда батарей современных гаджетов.
Также благодаря использованию новой технологии станет возможным снижение габаритных размеров смартфонов.
— Этого можно будет достичь, печатая антенны телефонов не на отдельных платах, а прямо на поверхности корпусов (с внутренней стороны), благодаря чему удастся сэкономить внутреннее пространство и снизить толщину, — пояснил Алексей Ефимов.
Причем такое расположение антенн может быть востребовано также в авиации и в процессе создания космических аппаратов, при конструировании которых инженеры стараются экономить каждый миллиметр внутреннего пространства.
О перспективах нового принтера «Известиям» рассказали в российской компании «Микрон», которая специализируется на производстве интегральных микросхем.
— Эту разработку я воспринимаю как интересное нишевое решение — технология действительно хорошо подходит для печати относительно габаритных проводящих элементов электроники, к которым относятся антенны, — отметила в беседе с «Известиями» директор по стратегическому развитию ПАО «Микрон» Карина Абагян. — Следующим шагом развития разработки может стать ее задействование в процессе формирования микроэлектронных элементов безмасочным методом, что актуально для рынка мелкосерийных чипов.
Однако некоторые эксперты обратили внимание и на возможные препятствия для внедрения новой техники.
— Такой способ нанесения элементов электроники требует использования достаточно дорогого оборудования, и его применение на первых порах может будет оправданно, скорее всего, только в космической сфере, — отметил представитель Сколковского института науки и технологий. — При этом проводимое исследование можно считать значимой научной работой, поскольку в современной России до последнего времени практически не развивались аэрозольные технологии.
Уже создан опытный образец аэрозольного принтера, и ученые приступили к подготовке его серийного производства при участии промышленного партнера, в качестве которого выступает НИИ электронного специального технологического оборудования. Ожидается, что запуск производства произойдет через несколько лет.