L’elettronica diventa flessibile

I quattro progetti ai blocchi di partenza presso il Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) puntano a gettare le basi per la fabbricazione di componenti elettronici flessibili di ultima generazione, destinati a produrre un impatto su diversi settori industriali, dal sanitario alla difesa.
I progetti, che si svolgeranno nei prossimi due anni, dispongono di un budget di oltre 9 milioni di dollari finanziato da NextFlex, l’istituto per l’innovazione produttiva nell’ambito dell’elettronica ibrida flessibile, sostenuto a sua volta dai contributi di aziende private, università e svariate organizzazioni governative e no-profit statali e locali, la cui missione consiste nel promuovere lo sviluppo di tecnologie per la produzione di componenti elettronici flessibili negli Stati Uniti.
Nell’ambito di questi progetti, i ricercatori del Georgia Tech collaborano con Boeing, Packard Enterprises, General Electric e DuPont, nonché con istituti di ricerca quali le università di Binghamton e Stanford.
Con il termine “elettronica flessibile” vengono indicati circuiti e sistemi che possono essere piegati, ripiegati, allungati o deformati senza perdere le proprie funzionalità. Questi sistemi spesso vengono realizzati su macchine in grado di stampare componenti quali logiche, memorie, sensori, batterie, antenne e altri elementi passivi applicando inchiostro conduttivo su superfici flessibili. In combinazione con processi di produzione a basso costo, l’elettronica ibrida flessibile può aprire le porte a nuove opportunità nella fabbricazione di componenti elettronici destinati ai settori sanitario, dell’elettronica di consumo, automotive, aerospaziale, energia e difesa.
Suresh Sitaraman, docente presso l’Istituto di ingegneria meccanica George W. Woodruff e responsabile delle attività legate all’elettronica flessibile svolte dal Georgia Tech, ha dichiarato che queste tecnologie possiedono le potenzialità per produrre un impatto positivo in alcune delle principali sfide che la società si trova ad affrontare.
“L’elettronica flessibile consentirà di fabbricare nuovi prodotti che potranno aiutarci a risolvere problematiche legate ad approvvigionamenti alimentari, inquinamento delle acque, produzione di energia pulita, sanità, infrastrutture, sicurezza e protezione”, ha sottolineato Sitaraman.

Antenne flessibile per aerei
Il primo dei quattro progetti di Georgia Tech vede la collaborazione tra i tecnici di Boeing e i ricercatori del Georgia Tech Tequila Harris, Suresh Sitaraman, Manos Tentzeris, e Rao Tummala, con l’obiettivo di creare un sistema di antenne a schiera flessibili integrabili nella fusoliera di un aeroplano.
“Con la costruzione di antenne a schiera di grandi dimensioni e a banda larga, ricorrendo a una combinazione di argento, nanostrutture al carbonio quali grafene e nanotubi, e materiali magnetici, processati con tecnologie di produzione additiva e sovrapposti strato dopo strato su substrati flessibili, saremo in grado, fondamentalmente, di estendere le frequenze captabili dai sistemi ad antenna flessibile di uno o due ordini di grandezza rispetto allo stato dell’arte attuale”, ha affermato Manos Tentzeris, docente di elettronica flessibile e detentore della cattedra Ken Byers presso l’Istituto di ingegneria elettrica e informatica. “Questo traguardo consentirà di creare le prime applicazioni modulari wireless a banda larga flessibili a onde millimetriche, quali ad esempio un internet delle cose applicabile su larga scala, rivestimenti intelligenti e sistemi di biomonitoraggio indossabili”.

Gli stress test
Nell’ambito del secondo progetto, i ricercatori del Georgia Tech Abhijit Chatterjee, Sam Graham, Suresh Sitaraman, Ben Wang, e Chuck Zhang collaboreranno con l’Università di Binghamton e con DuPont all’esecuzione di una serie di test su componenti elettronici flessibili, al fine di verificare come ripetuti cicli di flessione, allungamento e torsione a vari livelli di temperatura modifichino le proprietà meccaniche ed elettriche dei componenti stessi.
“Lo studio del comportamento elettrico dell’argento, del rame, del carbonio, dei materiali dielettrici e di altri materiali stampati sottoposti a queste sollecitazioni alla frequenza di svariati giga-hertz fornirà informazioni inedite, mai ottenute finora”, ha affermato Sitaraman, che ha poi aggiunto: “Similmente, i modelli e le prove sperimentali di flessione e allungamento in presenza di diverse condizioni termiche e di umidità, offriranno dati relativi alla frattura, allo scollamento e ad altri fenomeni di deterioramento dei materiali stampati e montati su una vasta gamma di substrati”. 

Valutazione progettazione/processo
Nel quadro del terzo progetto, coordinato da Hewlett Packard Enterprises in collaborazione con il Georgia Tech, l’Università di Standford e la University of California – Santa Barbara, il team di ricercatori svilupperà kit di valutazione progettazione/processo (PDK) per componenti elettronici flessibili.
“I kit PDK vengono comunemente utilizzati nella progettazione e fabbricazione di dispositivi complementari che integrano semiconduttori realizzati con ossidi metallici. Tuttavia, nel caso di una tecnologia emergente come l’elettronica flessibile, praticamente ancora non esistono kit PDK: questo progetto accelererà lo sviluppo e l’integrazione dei kit PDK nei pacchetti software commerciali”, ha spiegato Madhavan Swaminathan, docente presso l’Istituto di ingegneria elettrica e informatica, impegnato nell’elaborazione di modelli elettrici per il progetto, basati su tecnologie di apprendimento automatico. 

Medicale: simulazione dei guasti
Nell’ambito del quarto progetto, infine, coordinato dall’Università di Binghamton, i ricercatori del Georgia Tech Sam Graham, Olivier Pierron, Suresh Sitaraman, e Charles Ume esamineranno l’affidabilità dei dispositivi indossabili di monitoraggio dei parametri sanitari e prestazionali umani mediante la simulazione di possibili guasti.
“Gli esperimenti hanno rivelato che l’applicazione dei nostri rivestimenti a barriera protettiva sono in grado di proteggere i dispositivi esposti all’azione del tampone fosfato salino (PBS), una soluzione simile ai fluidi fisiologici: il Georgia Tech sembra dunque essere destinato a contribuire in maniera significativa allo sviluppo di sistemi elettronici indossabili”, ha sottolineato Sam Graham, docente presso l’Istituto di ingegneria meccanica.

Una gamma di applicazioni
Secondo Sitaraman, questi progetti dedicati all’elettronica flessibile non solo daranno origine a una vasta gamma di applicazioni rivoluzionarie, ma aderiscono perfettamente all’obiettivo di Georgia Tech di preparare personale altamente qualificato.
“L’inserimento di questi concetti in corsi universitari, corsi istituzionali per progettisti, tirocini e corsi brevi esterni, consentirà di formare personale con un profilo davvero completo, costituito da studenti universitari impegnati in tesi di master e dottorato, laureandi in ingegneria in fase di praticantato, sviluppatori di prodotto, nonché studenti delle scuole superiori, ed è destinato a consacrare il Georgia Tech tra i leader nello sviluppo di personale qualificato e specializzato, in grado di affrontare diversi aspetti dell’elettronica flessibile, dalla ricerca all’implementazione, allo sviluppo del prodotto, fino alla produzione industriale e alla crescita economica” ha commentato Sitaraman.