Materiaalit ja liittämismenetelmät 3D-tulostetulle venyvälle elektroniikalle

Abstract

Tässä työssä kokeiltiin erilaisia filamenttimateriaaleja ja liittämismenetelmiä venyvän elektroniikan rakenteisiin. Lisäksi testattiin 3D-tulostettujen tukirakenteiden vaikutusta venyvän johtimen sähkömekaaniseen kestävyyteen.

Käytetyistä filamenteista termoplastinen polyuretaani (TPU) osoittautui ylivertaiseksi venyvän elektroniikan tarkoituksiin. Vetokokeissa TPU-pohjaiset näytteet venyivät jopa 270 % ja niillä oli ylivertainen venyvyys muihin materiaaleihin verrattuna. TPU-materiaalin kovuutta vaihtamalla saatiin hyvin erilaisia tuloksia.

Lisäksi työssä verrattiin kuoriutumiskokeiden avulla kahta erilaista menetelmää 3D-tulostetun rakenteen liittämiseksi substraattikalvolle. Ns. suoratulostusmenetelmässä rakenne tulostettiin suoraan kalvon päälle, jolloin sulan materiaalin lämpö kiinnitti rakenteen kalvoon. Tulostuslämpötila vaikutti menetelmällä saatuihin tuloksiin, mutta kaiken kaikkiaan menetelmä osoittautui käyttökelpoiseksi.

Vaihtoehtoisena menetelmänä oli rakenteiden liittäminen tekstiiliprässin avulla. Prässäämällä saadut tulokset olivat suoratulosmenetelmää heikompia. Prässättyjen näytteiden kestämä keskimääräinen maksimivoima oli 40 N, siinä missä suoratulostetuilla näytteillä vastaava arvo oli 48 N. Lisäksi suoratulostuksen eduksi osoittautui sen yksinkertaisuus prässäämiseen verrattuna. Suoratulostusmenetelmää voidaan näin ollen suositella, kun tarkoituksena on 3D-tulostamalla valmistaa venyvän elektroniikan rakenteita ja lisätä niitä TPU-pohjaiselle substraattikalvolle.

Lopuksi sovellettiin suoratulostusmenetelmää TPU-tukirakenteiden tulostamiseksi venyvälle johtimelle. Työn viimeisen vaiheen tulokset on esitetty ainoastaan erillisessä salassa pidettävässä liitteessä.

In this work, several filament materials and two different adhering methods were tested for the purposes of stretchable electronics. In addition, the effects of 3D-printed support structures for stretchable interconnects were studied.

Of the filaments tested, TPU was the material of choice for stretchable electronics. Tensile tests showed TPU-based filaments had the best stretchability among materials tested. Two different TPU filaments with different hardness produced clearly differing results.

T-peel test was then used to compare two different adhering methods. In so-called direct printing method, structures were 3D-printed directly on a substrate and the heat of the melted material caused the adhesion between the structure and the substrate material.

The adhesion achieved by the direct printing method was compared to using a textile press for connecting the printed structure to the film. The results were favorable to the direct printing method. This, combined with the simplicity of the method, suggests that the method could be used more widely.

Finally, the direct printing method was tested in a practical application of printing support structures for stretchable interconnects. The results of these tests are only available in a separate confidential appendix.