Peneliti MIT Capai Proyek Elektronik Aktif Cetak 3D Penuh

Elektronika & Sensor INSIDER

Perangkat ini dibuat dari jejak tipis polimer terdopansi tembaga hasil cetak 3D. Mereka mengandung wilayah konduktif yang bersilang yang memungkinkan peneliti untuk mengatur resistansi dengan mengontrol tegangan yang dikirimkan ke saklar. (Gambar: Kemitraan peneliti)

Elektronik aktif — komponen yang dapat mengontrol sinyal listrik — biasanya mengandung perangkat semikonduktor yang menerima, menyimpan, dan memproses informasi. Komponen ini, yang harus dibuat di ruang bersih, membutuhkan teknologi fabrikasi canggih yang tidak banyak tersedia di luar beberapa pusat manufaktur spesialis.

Selama pandemi Covid-19, ketiadaan fasilitas fabrikasi semikonduktor yang luas adalah salah satu penyebab kekurangan elektronika di seluruh dunia, yang mengangkat biaya untuk konsumen dan memiliki implikasi dari pertumbuhan ekonomi hingga pertahanan nasional. Kemampuan untuk mencetak 3D seluruh perangkat elektronik aktif tanpa kebutuhan semikonduktor dapat membawa fabrikasi elektronika ke bisnis, laboratorium, dan rumah di seluruh dunia.

Meskipun ide ini masih jauh, peneliti MIT telah melakukan langkah penting di arah tersebut dengan mendemonstrasikan sekurang-kurangnya sekurangnya fuse resetabel cetak 3D penuh, yang merupakan komponen kunci elektronik aktif yang biasanya memerlukan semikonduktor.

Perangkat bebas semikonduktor peneliti, yang dihasilkan menggunakan hardware cetak 3D standar dan bahan terjangkau yang dapat terurai, dapat melakukan fungsi saklar yang sama seperti transistor berbasis semikonduktor yang digunakan untuk operasi pemrosesan dalam elektronik aktif.

Meskipun masih jauh dari mencapai kinerja transistor semikonduktor, perangkat cetak 3D dapat digunakan untuk operasi kontrol dasar seperti mengatur kecepatan motor listrik.

"Teknologi ini memiliki potensi nyata. Meskipun kita tidak bisa bersaing dengan silikon sebagai semikonduktor, ide kita bukan untuk mengganti apa yang sudah ada, tetapi untuk mendorong teknologi cetak 3D ke wilayah yang belum terjangkau. Singkatnya, ini benar-benar tentang democratisasi teknologi. Ini bisa memungkinkan siapa saja untuk membuat hardware pintar jauh dari pusat manufaktur tradisional," kata Luis Fernando Velásquez-García, ilmuwan peneliti utama di Microsystems Technology Laboratories (MTL) MIT dan penulis senior sebuah makalah yang menjelaskan perangkat ini, yang muncul di Virtual and Physical Prototyping. Ibu bergabung dengan penulis utama Jorge Cañada, mahasiswa program pasca sarjana teknik elektro dan ilmu komputer.

Semikonduktor, termasuk silikon, adalah bahan dengan properti listrik yang dapat disesuaikan dengan menambahkan certain impurities. Perangkat silikon dapat memiliki wilayah konduktif dan isolator, tergantung bagaimana dirancang. Properti ini menjadikan silikon ideal untuk menghasilkan transistor, yang merupakan blok bangunan dasar elektronika modern. Namun, peneliti tidak bermaksud mencetak 3D perangkat bebas semikonduktor yang dapat berperilaku seperti transistor berbasis silikon.

Proyek ini tumbuh dari proyek lain tempat mereka memproduksi koil magnet menggunakan extrusion printing, proses di mana printer melelehkan filament dan memuntahkan material melalui nozel, menciptakan objek lapis demi lapis. Mereka melihat fenomena menarik dalam bahan yang mereka gunakan, sebuah filament polimer terdopansi dengan nanopartikel tembaga. Jika mereka melewatkan arus listrik besar ke dalam material, ia akan menunjukkan lonjakan resistansi yang besar tetapi akan kembali ke level aslinya segera setelah arus berhenti mengalir.

Properti ini memungkinkan insinyur untuk membuat transistor yang dapat beroperasi sebagai saklar, sesuatu yang biasanya hanya dikaitkan dengan silikon dan semikonduktor lainnya. Transistor, yang menyala dan mati untuk memproses data biner, digunakan untuk membentuk logic gate, yang melakukan komputasi.

Peneliti mencoba mereplikasi fenomena yang sama dengan filament cetak 3D lain, menguji polimer terdopansi dengan karbon, nanotubus karbon, dan grafen. Akhirnya, mereka tidak dapat menemukan bahan cetak lain yang dapat berfungsi sebagai fuse resetabel.

Mereka hipotesis bahwa partikel tembaga dalam bahan menyebar saat dipanaskan oleh arus listrik, yang menyebabkan lonjakan resistansi yang turun saat material mendingin dan partikel tembaga bergerak lebih dekat. Mereka juga berpikir dasar polimer bahan berubah dari kristal ke amorf saat dipanaskan, lalu kembali ke kristal saat mendingin — fenomena yang dikenal sebagai polymeric positive temperature coefficient.

"Untuk saat ini, itu adalah penjelasan terbaik kita, tetapi itu bukan jawaban lengkap karena itu tidak menjelaskan mengapa itu hanya terjadi dalam kombinasi bahan ini. Kita perlu melakukan lebih banyak penelitian, tetapi tidak ada keraguan bahwa fenomena ini nyata," katanya.

Tim memanfaatkan fenomena ini untuk mencetak saklar dalam satu langkah yang dapat digunakan untuk membentuk logic gate bebas semikonduktor. Perangkat ini dibuat dari jejak tipis polimer terdopansi tembaga hasil cetak 3D. Mereka mengandung wilayah konduktif yang bersilang yang memungkinkan peneliti untuk mengatur resistansi dengan mengontrol tegangan yang dikirimkan ke saklar.

Sementara perangkat tidak berfungsi sebaik transistor berbasis silikon, mereka dapat digunakan untuk fungsi kontrol dan pemrosesan yang lebih sederhana, seperti menyalakan dan mematikan motor. Percobaan mereka menunjukkan bahwa, bahkan setelah 4.000 siklus saklar, perangkat tidak menunjukkan tanda degradasi.

Namun, ada batasan seberapa kecil peneliti dapat membuat saklar, berdasarkan fisika extrusion printing dan properti bahan. Mereka dapat mencetak perangkat yang beberapa ratus mikron, tetapi transistor dalam elektronika terbaru hanya beberapa nanometer diameter.

"Kenyataannya adalah ada banyak situasi teknik yang tidak memerlukan chip terbaik. Akhirnya, semua yang Anda pedulikan adalah apakah perangkat Anda dapat melakukan tugas. Teknologi ini mampu memenuhi batasan seperti itu," katanya.

Namun, tidak seperti fabrikasi semikonduktor, teknik mereka menggunakan bahan yang dapat terurai, proses menggunakan energi lebih sedikit dan menghasilkan lebih sedikit limbah. Filament polimer juga dapat didopasi dengan bahan lain, seperti mikropartikel magnet, yang dapat memungkinkan fungsionalitas tambahan.

Di masa depan, peneliti ingin menggunakan teknologi ini untuk mencetak elektronika yang berfungsi sepenuhnya. Mereka berusaha untuk memproduksi motor magnetik yang berfungsi hanya menggunakan extrusion cetak 3D. Mereka juga ingin menyetel proses sehingga mereka dapat membangun rangkaian yang lebih kompleks dan melihat sejauh mana mereka dapat mendorong kinerja perangkat ini.

"Makalah ini mendemonstrasikan bahwa perangkat elektronik aktif dapat dibuat menggunakan bahan konduktif polimer yang di-extrude. Teknologi ini memungkinkan elektronika dibangun ke dalam struktur cetak 3D. Sebuah aplikasi yang menarik adalah pencetakan 3D mekatronika sesuai permintaan di kapal antariksa," kata Roger Howe, William E. Ayer Professor of Engineering, Emeritus, di Stanford University, yang tidak terlibat dalam karya ini.

Sumber