Impression 3D intégrée de dispositifs électroluminescents flexibles et de robots souples

Jun 09, 2024

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4775 (2022) Citer cet article

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Les dispositifs électroluminescents flexibles et extensibles stimulent l’innovation dans une myriade d’applications, telles que l’électronique portable et fonctionnelle, les écrans et la robotique logicielle. Cependant, le développement de dispositifs électroluminescents flexibles via des techniques conventionnelles reste laborieux et d'un coût prohibitif. Nous rapportons ici une voie simple et facilement accessible pour fabriquer une classe de dispositifs électroluminescents flexibles et de robotique douce via l’impression 3D basée sur l’écriture directe à l’encre. Des encres diélectriques conductrices d'ions, électroluminescentes et isolantes imprimables en 3D ont été développées, permettant la création facile et à la demande de dispositifs électroluminescents flexibles et étirables avec une bonne fidélité. Une adhésion interfaciale robuste avec les dispositifs électroluminescents multicouches a doté les dispositifs imprimés en 3D de performances électroluminescentes attrayantes. En intégrant nos dispositifs électroluminescents imprimés en 3D à un robot quadrupède souple et des unités de détection, un camouflage artificiel capable de s'adapter instantanément à l'environnement en affichant des couleurs assorties a été fabriqué, établissant ainsi un cadre efficace pour la prochaine génération de camouflages souples.

L'avènement de l'électronique électroluminescente (EL) flexible et extensible a permis des progrès technologiques dans une myriade d'applications, telles que le cryptage de l'information1,2,3, les enveloppes électroniques intelligentes4,5,6,7,8, la robotique douce9,10,11 et la communication optique12. ,13. Parmi ces dispositifs électroluminescents, les dispositifs EL à courant alternatif (ACEL) sont sans doute l'un des candidats les plus appropriés pour développer des dispositifs étirables14. Ils présentent non seulement des architectures simples, une ductilité et une robustesse prometteuses pour les applications dans des environnements difficiles, mais également des processus de fabrication relativement simples par rapport au dépôt en phase vapeur pour la fabrication de diodes électroluminescentes organiques5,7,10,11,15,16. À l'heure actuelle, les dispositifs ACEL flexibles sont généralement fabriqués par stratification multicouche (c'est-à-dire sérigraphie), où une couche de phosphore EL (telle que des points ZnS: Cu) est prise en sandwich entre deux électrodes étirables. Cependant, la série d'étapes et les utilitaires coûteux (c'est-à-dire les masques et les outils délicats) requis dans cette technique peuvent limiter ses applications dans le prototypage rapide et la personnalisation17. Avec la demande croissante d’innovation dans les dispositifs EL flexibles, une stratégie de fabrication simple, facilement accessible et personnalisable est donc nécessaire de toute urgence.

L'impression 3D multi-matériaux, quant à elle, est une technique de fabrication programmable et à haut débit émergente qui permet la création d'objets complexes 2D et 3D multi-composants à partir d'une large gamme de matériaux viscoélastiques fonctionnels, offrant une stratégie viable pour y parvenir. objectif18,19,20. Cependant, malgré les progrès récents dans l’électronique imprimée en 3D, comme les écrans, l’électronique portable, les éclairages à semi-conducteurs et l’électronique biomédicale21,22, la fabrication de dispositifs électroluminescents sophistiqués grâce à l’impression 3D multi-matériaux reste largement inexplorée23,24,25. Nous rapportons ici une approche rationalisée pour fabriquer des dispositifs EL flexibles grâce à l'impression 3D multi-matériaux (Fig. 1a). Le dispositif se compose d'un élastomère hautement conducteur comme électrodes, d'un élastomère diélectrique comme couche isolante et d'un élastomère chargé de phosphores ZnS comme couche électroluminescente. Pour obtenir un système imprimable, les formulations des encres ont été conçues pour présenter des propriétés rhéologiques favorables à l'impression par extrusion sans compromettre leurs fonctionnalités électriques uniques (c'est-à-dire conductivité ionique, isolation diélectrique et électroluminescence). Grâce à l’imprimabilité supérieure de nos encres, des architectures 2D et 3D imprimées haute fidélité, notamment un bracelet flexible avec un motif EL personnalisé, ont été créées. De plus, grâce à la formulation de l'encre, les dispositifs EL imprimés en 3D affichent une conformité mécanique élevée et une adhérence robuste entre les couches constitutives, permettant ainsi des performances EL stables même sous déformation mécanique. La stratégie que nous proposons s'intègre facilement à d'autres avancées technologiques, telles que la robotique douce. En intégrant nos appareils EL imprimés en 3D à un robot logiciel pneumatique (Fig. 1b), nous démontrons en outre la création d'un robot logiciel auto-adaptatif inspiré du caméléon, qui peut instantanément changer la couleur de sa surface pour s'adapter à l'environnement. La stratégie de fabrication simple et programmable proposée ici ouvre de nouvelles voies pour créer les écrans flexibles de nouvelle génération, les appareils électroniques portables, les camouflages intelligents et au-delà.