Realizzazione di un elevato rapporto di allungamento del circuito ondulato flessibile tramite intaglio laser

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 17745 (2022) Citare questo articolo

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Il circuito ondulato estensibile è un componente essenziale nei dispositivi flessibili, che hanno ampie applicazioni in vari campi. In ambito industriale la capacità di allungamento del circuito è un fattore cruciale per i dispositivi flessibili. Pertanto, questo studio propone un metodo di intaglio laser per aumentare sia il rapporto di allungamento che la risoluzione del dispositivo flessibile. I risultati ottenuti dall'esperimento e dall'analisi degli elementi finiti verificano che l'intaglio del laser sul circuito ondulato aumenta il rapporto di allungamento massimo del circuito ondulato. Il modello analitico ottenuto conferma che l'intaglio laser genera una sezione inclinata sul circuito ondulato e riduce la rigidità flessionale del punto curvo del circuito ondulato. Lo studio ha inoltre verificato che la scanalatura intagliata al laser induce la propagazione delle cricche in verticale rispetto alla direzione del circuito, in modo che il circuito ondulato intagliato al laser abbia meno probabilità di disconnettersi rispetto al circuito ondulato non intagliato. A causa della ridotta rigidità alla flessione e dell'induzione di crepe, il circuito ondulato si allunga di più rispetto al circuito ondulato non intagliato convenzionale.

I dispositivi flessibili hanno ampie applicazioni nei campi di ricerca dei dispositivi indossabili1,2, della robotica morbida3, dei biosensori4,5 e della raccolta di energia6. Nel campo industriale, invece, le applicazioni pratiche sono poche; ad esempio, display arrotolabile/pieghevole7,8. Uno dei materiali promettenti per i dispositivi estensibili è il composito di nanofili metallici, ampiamente studiato altrove9,10,11,12,13,14,15,16,17, tuttavia permangono problemi di struttura nel miglioramento dei dispositivi flessibili. Una delle strutture rappresentative utilizzate nei dispositivi flessibili è la struttura ad isola, suggerita da Rogers et al. La parte rigida di questa struttura è situata al centro e collegata ad un circuito flessibile 18,19,20,21,22. Poiché la parte rigida di questa struttura non contribuisce all'allungamento della cella, la capacità di allungamento del circuito è un fattore cruciale per i dispositivi flessibili. Varie strutture di circuito come kirigami23,24, helix25 e wrinkling26,27,28 sono state sviluppate per aumentare il rapporto di allungamento massimo del circuito; tuttavia, la maggior parte di essi richiedeva tecniche di fabbricazione specializzate per ottenere la durezza nell'adozione della produzione di massa. 29. Struttura ondulata piana, sviluppata da Rogers et al. 30,31,32 è la struttura più utilizzata incorporata nella produzione in serie di dispositivi flessibili. Tuttavia, presentava anche un compromesso tra il rapporto di allungamento e la risoluzione del dispositivo33.

Per aumentare sia il rapporto di allungamento che la risoluzione del dispositivo, è stato suggerito il design del circuito ondulato inclinato33; tuttavia la loro metodologia specifica per adottarli nella produzione di massa non è stata ancora suggerita. In questo studio, per aumentare la capacità di allungamento e la risoluzione del dispositivo, si suggerisce il metodo di intaglio laser per fabbricare una sezione inclinata sul circuito ondulato. Per verificare questo studio, i metodi sperimentali e di simulazione sono stati introdotti con l'analisi matematica.

Il campione di circuito ondulato inclinato è stato preparato utilizzando sia la stampa 3D (Moment 160) che i metodi di intaglio laser. La base del circuito per l'intaglio laser è stata preparata stampando un campione di base ondulata, come mostrato in Fig. 1a). Per massimizzare l’ablazione del laser sulla base stampata in 3D, per la stampa è stato utilizzato il filamento di acido polilattico (PLA) di colore nero. Il laser è stato irradiato sulla base del circuito con la lunghezza d'onda impostata su 365 nm, la potenza impostata su 1750 mW e il tempo di spot in ciascun sito impostato su 10 ms. La sezione del circuito ondulato è stata illustrata in Fig. 1a). Dopo l'intaglio laser, l'Au è stato depositato sul circuito ondulato stampato tramite spruzzatore ionico (G20, GSEM) e il loro spessore è stato misurato come 2–5 μm. Il PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) è stato selezionato come matrice che circonda il circuito ondulato e il loro rapporto di miscelazione tra il materiale principale e l'agente indurente è stato impostato da 10 a 1. L'agente indurente PDMS inizialmente miscelato è stato posto in una camera a vuoto per 1 ora a -0,08 MPa dalla pressione standard per rimuovere le bolle dalla miscelazione. Il campione di circuito ondulato intagliato al laser è stato realizzato versando la miscela PDMS nello stampo stampato in 3D, come mostrato in Fig. 1a). Lo spessore della matrice PDMS è impostato su 4 mm.