Электронную схему больше не обязательно размещать на плоской плате. Инженеры Университета штата Айова развивают аэрозольную струйную печать, которая наносит проводящие дорожки прямо на изогнутые детали, корпуса и другие сложные трёхмерные поверхности.
Принтер превращает жидкие чернила в мелкодисперсный туман. Поток газа переносит микроскопические капли к соплу и фокусирует аэрозоль в узкую струю, способную формировать элементы размером примерно от 10 до 100 мкм. Бесконтактный способ нанесения позволяет работать там, где обычному печатающему инструменту мешает геометрия детали. Похожий принцип плотного прилегания функционального материала уже используют проводящие чернила, которые формируют электроды непосредственно на коже.
Главная сложность начинается после перехода от плоскости к настоящему объёмному объекту. Сопло должно сохранять нужные расстояние и угол относительно поверхности, иначе меняются ширина линии, толщина покрытия и электрические характеристики. Поэтому команда Итана Секора объединяет печать с робототехникой, программным управлением и контролем процесса в реальном времени.
Один из экспериментальных принтеров закрепили на шарнирном роботизированном манипуляторе. Такая конструкция позволяет двигать сопло вдоль изгибов детали, но требует намного более сложного расчёта траектории и точного совмещения рисунка с геометрией объекта. Задача близка к другим направлениям, где трёхмерная электроника должна буквально повторять форму поверхности вместо установки на привычную плоскую подложку.
Команда работает не только над механикой. Инженеры создают собственное оборудование и программное обеспечение, совершенствуют контроль подачи материала и изучают чернила, способные выдерживать резкие перепады температуры. Отдельное направление связано с космической электроникой, где слабым местом часто становится соединение полупроводникового кристалла с более крупной схемой.
NASA уже выделило стартапу Contour Circuits, который Секор основал вместе с бывшим аспирантом Джереми Руропом, контракт на $150 тыс. для дальнейшей разработки и коммерциализации технологии. Потенциальные применения охватывают датчики, антенны, энергетику, медицину, авиацию, связь и системы мониторинга. Печатные функциональные элементы постепенно появляются и в более простых устройствах, включая печатные датчики из необычных проводящих материалов.
Аэрозольная печать пока не снимает проблему надёжности. Чем сложнее поверхность, тем труднее получить одинаковые дорожки на каждом участке и повторить результат при серийном производстве. Исследователи поэтому уделяют много внимания автоматической коррекции параметров и возможности смешивать несколько материалов непосредственно во время нанесения. Конформная печать фактически превращает корпус или конструктивную деталь в основу для готовой электроники.
Секор рассчитывает сосредоточить основные усилия на такой технологии в ближайшие два-три года. Команда хочет вывести аэрозольную печать за пределы лабораторных демонстраций и добиться воспроизводимости, необходимой реальным устройствам. Университетская команда развивает систему сразу на нескольких уровнях, от состава чернил и механики струи до роботизированного движения и программного контроля.
Другие лаборатории идут к той же цели через новые материалы. Финские инженеры, например, создали гибкую электронику, которая растягивается и может работать как чувствительная оболочка роботизированных устройств.
Ещё одно перспективное направление связано с электроникой, которую можно выпускать почти как обычную полиграфию. Исследователи уже экспериментируют с печатными компонентами для компактных автономных датчиков, поэтому возможность наносить схемы прямо на готовые трёхмерные объекты может убрать ещё один барьер между конструкцией устройства и его электронной начинкой.
