Peneliti MIT Mencapai Terobosan dalam Elektronik Aktif Cetak 3D Sepenuhnya

INSIDER Elektronik &Sensor

Perangkat ini terbuat dari jejak tipis polimer doping tembaga yang dicetak 3D. Mereka mengandung daerah konduktif yang berpotongan yang memungkinkan para peneliti mengatur resistansi dengan mengendalikan tegangan yang dimasukkan ke saklar. (Gambar:Atas perkenan para peneliti)

Elektronik aktif — komponen yang dapat mengontrol sinyal listrik — biasanya berisi perangkat semikonduktor yang menerima, menyimpan, dan memproses informasi. Komponen-komponen ini, yang harus dibuat di ruangan yang bersih, memerlukan teknologi fabrikasi canggih yang tidak banyak tersedia di luar beberapa pusat manufaktur khusus.

Selama pandemi Covid-19, kurangnya fasilitas fabrikasi semikonduktor yang tersebar luas merupakan salah satu penyebab kelangkaan barang elektronik di seluruh dunia, yang meningkatkan biaya bagi konsumen dan berdampak pada segala hal mulai dari pertumbuhan ekonomi hingga pertahanan nasional. Kemampuan untuk mencetak 3D seluruh perangkat elektronik aktif tanpa memerlukan semikonduktor dapat membawa fabrikasi elektronik ke bisnis, laboratorium, dan rumah di seluruh dunia.

Meskipun ide ini masih jauh dari harapan, para peneliti MIT telah mengambil langkah penting ke arah tersebut dengan mendemonstrasikan sekering yang dapat disetel ulang sepenuhnya dengan cetakan 3D, yang merupakan komponen kunci elektronik aktif yang biasanya memerlukan semikonduktor.

Perangkat bebas semikonduktor milik para peneliti, yang mereka produksi menggunakan perangkat keras pencetakan 3D standar dan bahan murah yang dapat terurai secara hayati, dapat melakukan fungsi peralihan 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 mempunyai kekuatan yang nyata. Meskipun kita tidak dapat bersaing dengan silikon sebagai semikonduktor, ide kami bukanlah untuk menggantikan apa yang sudah ada, namun untuk mendorong teknologi pencetakan 3D ke wilayah yang belum dipetakan. Singkatnya, ini benar-benar tentang demokratisasi teknologi. Hal ini memungkinkan siapa saja untuk membuat perangkat keras cerdas jauh dari pusat manufaktur tradisional," kata Luis Fernando Velásquez-García, ilmuwan riset utama di Microsystems Technology Laboratories (MTL) MIT dan penulis senior makalah yang menjelaskan tentang perangkat tersebut. yang muncul di Prototyping Virtual dan Fisik. Ia bergabung dalam makalah ini dengan penulis utama Jorge Cañada, seorang mahasiswa pascasarjana teknik elektro dan ilmu komputer.

Semikonduktor, termasuk silikon, merupakan material dengan sifat kelistrikan yang dapat disesuaikan dengan menambahkan pengotor tertentu. Perangkat silikon dapat memiliki daerah konduktif dan isolasi, bergantung pada cara rekayasanya. Sifat-sifat ini menjadikan silikon ideal untuk memproduksi transistor, yang merupakan bahan dasar elektronik modern. Namun, para peneliti tidak merancang perangkat bebas semikonduktor cetak 3D yang dapat berperilaku seperti transistor berbasis silikon.

Proyek ini berkembang dari proyek lain di mana mereka membuat kumparan magnet menggunakan pencetakan ekstrusi, sebuah proses di mana printer melelehkan filamen dan menyemprotkan bahan melalui nosel, membuat objek lapis demi lapis. Mereka melihat fenomena menarik pada material yang mereka gunakan, filamen polimer yang diolah dengan nanopartikel tembaga. Jika arus listrik dalam jumlah besar dilewatkan ke dalam material, material tersebut akan mengalami lonjakan resistansi yang sangat besar namun akan kembali ke level semula segera setelah aliran arus berhenti.

Properti ini memungkinkan para insinyur membuat transistor yang dapat beroperasi sebagai saklar, sesuatu yang biasanya hanya dikaitkan dengan silikon dan semikonduktor lainnya. Transistor, yang dinyalakan dan dimatikan untuk memproses data biner, digunakan untuk membentuk gerbang logika, yang melakukan komputasi.

Para peneliti mencoba meniru fenomena yang sama dengan filamen pencetakan 3D lainnya, menguji polimer yang diolah dengan karbon, tabung nano karbon, dan graphene. Pada akhirnya, mereka tidak dapat menemukan bahan cetak lain yang dapat berfungsi sebagai sekring yang dapat disetel ulang.

Mereka berhipotesis bahwa partikel tembaga dalam material akan menyebar ketika dipanaskan oleh arus listrik, yang menyebabkan lonjakan resistansi yang akan kembali turun ketika material mendingin dan partikel tembaga akan semakin mendekat. Mereka juga berpendapat bahwa bahan dasar polimer berubah dari kristal menjadi amorf ketika dipanaskan, kemudian kembali menjadi kristal ketika didinginkan — sebuah fenomena yang dikenal sebagai koefisien suhu positif polimer.

"Untuk saat ini, itulah penjelasan terbaik kami, namun itu bukanlah jawaban lengkap karena tidak menjelaskan mengapa hanya terjadi pada kombinasi material ini. Kita perlu melakukan penelitian lebih lanjut, namun tidak ada keraguan bahwa fenomena ini nyata," ujarnya.

Tim memanfaatkan fenomena tersebut untuk mencetak sakelar dalam satu langkah yang dapat digunakan untuk membentuk gerbang logika bebas semikonduktor. Perangkat ini terbuat dari jejak tipis polimer doping tembaga yang dicetak 3D. Mereka berisi daerah konduktif berpotongan yang memungkinkan para peneliti mengatur resistansi dengan mengendalikan tegangan yang dimasukkan ke saklar.

Meskipun perangkat tersebut tidak memiliki kinerja sebaik transistor berbasis silikon, perangkat tersebut dapat digunakan untuk fungsi kontrol dan pemrosesan yang lebih sederhana, seperti menyalakan dan mematikan motor. Eksperimen mereka menunjukkan bahwa, bahkan setelah 4.000 siklus peralihan, perangkat tidak menunjukkan tanda-tanda kerusakan.

Namun ada batasan seberapa kecil para peneliti dapat membuat saklar tersebut, berdasarkan fisika pencetakan ekstrusi dan sifat material. Mereka dapat mencetak perangkat yang berukuran beberapa ratus mikron, tetapi transistor dalam elektronik canggih hanya berdiameter beberapa nanometer.

"Kenyataannya adalah ada banyak situasi teknik yang tidak memerlukan chip terbaik. Pada akhirnya, yang Anda pedulikan hanyalah apakah perangkat Anda dapat melakukan tugas tersebut. Teknologi ini mampu memenuhi kendala seperti itu," katanya.

Namun, tidak seperti fabrikasi semikonduktor, teknik mereka menggunakan bahan yang dapat terurai secara hayati, prosesnya menggunakan lebih sedikit energi dan menghasilkan lebih sedikit limbah. Filamen polimer juga dapat diolah dengan bahan lain, seperti mikropartikel magnetik, yang dapat memberikan fungsi tambahan.

Di masa depan, para peneliti ingin menggunakan teknologi ini untuk mencetak barang elektronik yang berfungsi penuh. Mereka berusaha keras untuk membuat motor magnet yang berfungsi hanya dengan menggunakan pencetakan 3D ekstrusi. Mereka juga ingin menyempurnakan prosesnya sehingga dapat membangun sirkuit yang lebih kompleks dan melihat sejauh mana mereka dapat meningkatkan performa perangkat ini.

"Makalah ini menunjukkan bahwa perangkat elektronik aktif dapat dibuat menggunakan bahan konduktif polimer yang diekstrusi. Teknologi ini memungkinkan elektronik dibangun ke dalam struktur cetakan 3D. Aplikasi yang menarik adalah pencetakan mekatronik 3D sesuai permintaan di pesawat ruang angkasa," kata Roger Howe, Profesor Teknik William E. Ayer, Emeritus, di Universitas Stanford, yang tidak terlibat dalam pekerjaan ini.

Sumber