フレキシブルエレクトロルミネッセンスデバイスとソフトロボットの統合3Dプリンティング

Jun 09, 2024

Nature Communications volume 13、記事番号: 4775 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

柔軟で伸縮性のある発光デバイスは、ウェアラブルおよび機能エレクトロニクス、ディスプレイ、ソフトロボティクスなどの無数のアプリケーションで革新を推進しています。 しかし、従来の技術によるフレキシブルエレクトロルミネセンスデバイスの開発は、依然として手間がかかり、法外なコストがかかります。 ここでは、インク直接書き込みベースの 3D プリンティングを介して、ある種のフレキシブル エレクトロルミネッセンス デバイスとソフト ロボット工学を製造するための、簡単でアクセスしやすいルートを報告します。 3D 印刷可能なイオン伝導性、エレクトロルミネッセンスおよび絶縁性の誘電体インクが開発され、忠実度の高い柔軟で伸縮性のあるエレクトロルミネッセンス デバイスを簡単かつオンデマンドで作成できるようになりました。 多層エレクトロルミネセンスデバイスとの強固な界面接着により、3D プリントデバイスに魅力的なエレクトロルミネセンス性能が与えられました。 当社の3Dプリントエレクトロルミネセンスデバイスとソフト四足歩行ロボットおよびセンシングユニットを統合し、一致する色を表示することで環境に瞬時に自己適応できる人工迷彩を作製し、次世代ソフト迷彩の効率的な枠組みを構築しました。

柔軟で伸縮性のあるエレクトロルミネセンス (EL) エレクトロニクスの出現により、情報暗号化 1、2、3、スマート電子スキン 4、5、6、7、8、ソフト ロボティクス 9、10、11、光通信 12 など、無数のアプリケーションにおける技術の進歩が可能になりました。 、13． これらのエレクトロルミネセンス デバイスの中で、交流 EL (ACEL) デバイスは、おそらく伸縮性デバイスの開発に最も適した候補の 1 つです 14。 これらは、過酷な環境での用途に適した延性と堅牢性を約束するシンプルなアーキテクチャだけでなく、有機発光ダイオード製造のための蒸着と比較して比較的容易な製造プロセスも特徴としています5、7、10、11、15、16。 現在、フレキシブル ACEL デバイスは通常、EL 蛍光体 (ZnS:Cu ドットなど) 層が 2 つの伸縮可能な電極の間に挟まれた多層積層 (つまり、スクリーン印刷) によって製造されます。 ただし、この技術に必要な一連の手順と高価なユーティリティ (つまり、マスクや繊細なツール) により、ラピッド プロトタイピングやカスタマイズでの応用が制限される可能性があります 17。 フレキシブル EL デバイスの革新に対する需要が高まる中、容易でアクセスしやすく、カスタマイズ可能な製造戦略が緊急に必要とされています。

一方、マルチマテリアル 3D プリンティングは、さまざまな機能性粘弾性材料から複数コンポーネントの 2D および 3D の複雑なオブジェクトを作成できる、新たなハイスループットでプログラム可能な製造技術であり、これを達成するための実行可能な戦略を提供します。ゴール18、19、20。 しかし、ディスプレイ、ウェアラブルエレクトロニクス、固体照明、生体医療エレクトロニクスなどの 3D プリントエレクトロニクスの最近の進歩にもかかわらず 21,22、マルチマテリアル 3D プリントによる高度な EL デバイスの製造はほとんど未踏のままです 23,24,25。 ここでは、マルチマテリアル 3D プリンティングを通じてフレキシブル EL デバイスを製造するための合理化されたアプローチを報告します (図 1a)。 このデバイスは、電極として高導電性エラストマー、絶縁層として誘電性エラストマー、エレクトロルミネセンス層として ZnS 蛍光体を充填したエラストマーで構成されています。 印刷可能なシステムを実現するために、インクの配合は、独自の電気的機能 (イオン伝導性、誘電絶縁、エレクトロルミネッセンスなど) を損なうことなく、押出印刷に好ましいレオロジー特性を示すように設計されました。 当社のインクの優れた印刷適性により、カスタマイズされた EL モチーフを備えた柔軟なリストバンドなど、高忠実度に印刷された 2D および 3D アーキテクチャが作成されました。 さらに、インク配合により、3D プリント EL デバイスは高い機械的コンプライアンスと構成層間の強固な接着性を示し、そのため機械的変形下でも安定した EL 性能が可能になります。 私たちが提案する戦略は、ソフトロボティクスなどの他の技術進歩と容易に統合できます。 3D プリントした EL デバイスと空気圧ソフト ロボット (図 1b) を統合することで、環境に合わせて表面の色を即座に変えることができる、カメレオンにヒントを得た自己適応型ソフト ロボットの作成をさらに実証します。 ここで提案する容易でプログラム可能な製造戦略は、次世代のフレキシブル ディスプレイ、ウェアラブル エレクトロニクス、スマート カモフラージュなどを作成するための新しい道を開きます。