Impressão 3D integrada de dispositivos eletroluminescentes flexíveis e robôs flexíveis

Jun 09, 2024

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4775 (2022) Citar este artigo

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Dispositivos emissores de luz flexíveis e extensíveis estão impulsionando a inovação em inúmeras aplicações, como eletrônicos vestíveis e funcionais, displays e robótica suave. No entanto, o desenvolvimento de dispositivos electroluminescentes flexíveis através de técnicas convencionais continua a ser trabalhoso e com custos proibitivos. Aqui, relatamos uma rota fácil e acessível para a fabricação de uma classe de dispositivos eletroluminescentes flexíveis e robótica suave por meio de impressão 3D baseada em escrita direta com tinta. Foram desenvolvidas tintas condutoras de íons, eletroluminescentes e dielétricas isolantes imprimíveis em 3D, permitindo a criação fácil e sob demanda de dispositivos eletroluminescentes flexíveis e extensíveis com boa fidelidade. A adesão interfacial robusta com os dispositivos eletroluminescentes multicamadas dotou os dispositivos impressos em 3D de um desempenho eletroluminescente atraente. Integrando nossos dispositivos eletroluminescentes impressos em 3D com um robô quadrúpede macio e unidades de detecção, foi fabricada uma camuflagem artificial que pode se adaptar instantaneamente ao ambiente exibindo cores correspondentes, estabelecendo uma estrutura eficiente para a próxima geração de camuflagens suaves.

O advento da eletrônica eletroluminescente (EL) flexível e extensível permitiu avanços tecnológicos em inúmeras aplicações, como criptografia de informações1,2,3, skins eletrônicos inteligentes4,5,6,7,8, robótica suave9,10,11 e comunicação óptica12 ,13. Entre esses dispositivos eletroluminescentes, os dispositivos EL de corrente alternada (ACEL) são indiscutivelmente um dos candidatos mais adequados para o desenvolvimento de dispositivos extensíveis . Eles apresentam não apenas arquiteturas simples, prometendo ductilidade e robustez para aplicações em ambientes adversos, mas também processos de fabricação relativamente fáceis em comparação com a deposição de vapor para a fabricação de diodos emissores de luz orgânica5,7,10,11,15,16. Atualmente, os dispositivos ACEL flexíveis são comumente fabricados por meio de laminação multicamadas (isto é, serigrafia), onde uma camada de fósforo EL (como pontos ZnS:Cu) é imprensada entre dois eletrodos extensíveis. Contudo, a série de etapas e utilitários caros (isto é, máscaras e ferramentas delicadas) exigidos nesta técnica podem limitar suas aplicações em prototipagem rápida e customização17. Com a crescente demanda por inovação em dispositivos EL flexíveis, é urgentemente necessária uma estratégia de fabricação fácil, facilmente acessível e personalizável.

A impressão 3D multimaterial, por outro lado, é uma técnica emergente de fabricação programável e de alto rendimento que permite a criação de objetos complexos multicomponentes 2D e 3D a partir de uma ampla gama de materiais viscoelásticos funcionais, oferecendo uma estratégia viável para alcançar este objetivo. meta18,19,20. No entanto, apesar do progresso recente na electrónica impressa em 3D, como ecrãs, electrónica vestível, iluminação de estado sólido e electrónica biomédica21,22, a fabricação de dispositivos EL sofisticados através da impressão 3D multimaterial permanece largamente inexplorada23,24,25. Aqui, relatamos uma abordagem simplificada para a fabricação de dispositivos EL flexíveis através de impressão 3D multimaterial (Fig. 1a). O dispositivo consiste em um elastômero altamente condutor como eletrodos, um elastômero dielétrico como camada isolante e um elastômero carregado com fósforo ZnS como camada eletroluminescente. Para conseguir um sistema imprimível, as formulações das tintas foram projetadas para exibir propriedades reológicas favoráveis ​​para impressão por extrusão sem comprometer suas funcionalidades elétricas exclusivas (isto é, condutividade iônica, isolamento dielétrico e eletroluminescência). Com a capacidade de impressão superior de nossas tintas, foram criadas arquiteturas impressas em 2D e 3D de alta fidelidade, incluindo uma pulseira flexível com um motivo EL personalizado. Além disso, possibilitados pela formulação da tinta, os dispositivos EL impressos em 3D apresentam uma alta conformidade mecânica e uma adesão robusta entre as camadas constituintes, permitindo, portanto, um desempenho EL estável mesmo sob deformação mecânica. Nossa estratégia proposta é facilmente integrável com outros avanços tecnológicos, como a robótica suave. Através da integração de nossos dispositivos EL impressos em 3D com um robô macio pneumático (Fig. 1b), demonstramos ainda a criação de um robô macio auto-adaptável inspirado no camaleão, que pode mudar instantaneamente a cor de sua superfície para combinar com o ambiente. A estratégia de fabricação fácil e programável proposta aqui abre novos caminhos para a criação de telas flexíveis de próxima geração, eletrônicos vestíveis, camuflagens inteligentes e muito mais.