Protection de circuit cohésive pour l’électronique portable

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Figure 1. L’eau est préjudiciable aux appareils électroniques car elle provoque facilement des courts-circuits et des accidents, tels que la surchauffe / l’allumage. En revêtant les circuits électroniques avec des nanofibres de cellulose (CNF), il est possible d’éviter les courts-circuits induits par l’eau dans une approche complètement différente par rapport aux revêtements d’imperméabilisation conventionnels. Crédit: Université d’Osaka

La plupart des appareils électroniques ne sont pas étanches, à votre grande irritation si un arroseur vous pulvérise soudainement pendant que vous parlez à l’extérieur sur votre téléphone portable. Certains composants électroniques peuvent être rendus au moins résistants à l’eau, par exemple, en utilisant des colles spéciales pour fusionner les composants extérieurs ensemble. L’électronique flexible est une autre histoire. Leurs matériaux d’étanchéité doivent pouvoir se plier, mais avec la technologie actuelle, il est inévitable qu’un tel scellant finisse par se fissurer ou se séparer de l’appareil – et voilà votre revêtement résistant à l’eau.

Les chercheurs sont déterminés à trouver une solution. Les nanofibres de cellulose sont un revêtement polymère proposé pour l’électronique flexible. Ces fibres sont fabriquées à partir de ressources renouvelables et sont respectueuses de l’environnement. Cependant, ils absorbent généralement l’eau – généralement considérée comme une limitation fatale pour conférer une résistance à l’eau.

Dans une étude récemment publiée dans Matériaux nano appliqués ACS, des chercheurs de l’Université d’Osaka ont développé des nanofibres de cellulose auto-cicatrisantes qui se dispersent légèrement dans l’eau et agissent pour protéger une électrode en cuivre, permettant à l’électrode de fonctionner pendant une période prolongée. Le mécanisme de protection de circuit flexible des chercheurs conserve la fonction d’électrode sous l’eau et peut subir des centaines de cycles de flexion.

«Dans notre travail initial, une électrode en cuivre non protégée est tombée en panne après cinq minutes de gouttes d’eau dessus», explique Takaaki Kasuga, auteur principal. «Remarquablement, un revêtement de nanofibres de cellulose a empêché l’échec pendant au moins une journée du même défi hydrique.

Pourquoi est-ce? N’oubliez pas que les fibres de cellulose ne repoussent pas l’eau. Au lieu de cela, ce revêtement polymère migre dans l’électrode de manière à empêcher la formation de filaments métalliques conducteurs qui provoquent des courts-circuits. Les électrodes ont même conservé leur fonction après que le revêtement de cellulose a été rayé pour simuler des dommages de flexion.

Protection de circuit cohésive pour l'électronique portable

Figure 2. Les courts-circuits induits par l’eau sont causés par la croissance dendritique de la cathode. Lorsqu’un circuit électrique est mouillé, les ions cuivre se dissolvent de l’anode et migrent vers la cathode. Les ions cuivre sont ensuite réduits à la cathode et précipitent sous forme dendritique. Cependant, avec un revêtement protecteur en nanofibres de cellulose (CNF), le champ électrique appliqué et l’eau favorisent la dispersion et la migration des CNF vers l’anode, et une couche d’hydrogel protectrice se forme autour de l’anode. La couche d’hydrogel peut piéger les ions Cu; par conséquent, les courts-circuits interélectrodes sont évités pendant au moins 24 h. Crédit: Université d’Osaka

«Nos résultats ne sont pas attribuables à un simple échange d’ions ou à une longueur de nanofibres», explique Masaya Nogi, auteur principal. “Les nanofibres s’agrègent dans l’eau en une couche protectrice rendue cohésive par des conditions localement acides et la réticulation du polymère.”

Un test plus rigoureux du revêtement polymère a été sa performance après 300 cycles de flexion sous l’eau pendant une heure. Un revêtement de polymère conventionnel échouait généralement, mais les nanofibres de cellulose continuaient d’alimenter les LED.

Protection de circuit cohésive pour l'électronique portable

Figure 3. L’eau pénètre inévitablement les revêtements imperméables s’ils sont endommagés, et l’eau peut facilement provoquer des dysfonctionnements dus à la croissance des dendrites. Les nanofibres de cellulose (CNF) migrent vers l’anode et le gel, inhibant ainsi les courts-circuits même si le film de revêtement CNF est endommagé. Crédit: Université d’Osaka

«Vous pourrez étirer, plier et plier l’électronique avec notre revêtement, et ils conserveront toujours leur résistance à l’eau», déclare Kasuga. “Ceci est essentiel pour une utilisation dans des applications dans des conditions extrêmes où la défaillance de l’appareil est inacceptable – par exemple, les dispositifs médicaux utilisés dans les interventions d’urgence en cas de catastrophe.”

Dans les travaux préliminaires, même une épaisseur de revêtement de polymère ultra-mince de seulement 1,5 micromètre, et certains autres polymères, ont fonctionné de manière similaire à la configuration testée à l’origine. Ils deviendront un incontournable de l’électronique portable, et peut-être même des appareils médicaux, dans les années à venir.


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Plus d’information:
Takaaki Kasuga et coll. Revêtements de nanofibres de cellulose sur électrodes en cuivre pour une protection cohésive contre les défaillances de court-circuit induites par l’eau, Matériaux nano appliqués ACS (2021). DOI: 10.1021 / acsanm.1c00267

Fourni par l’Université d’Osaka

Citation: Protection de circuit cohésive pour l’électronique portable (1er avril 2021) récupéré le 1er avril 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-04-cohesive-circuit-wearable-electronics.html

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