מכשירים אלקטרוניים גמישים משנים במהירות את הנוף של מוצרי אלקטרוניקה צרכניים, בריאות ורגישות תעשייתית.ממוניטורים לבריאות לבישת התואמים את העור לטלפונים חכמים מתקפלים ותצוגה מגלגלת, מכשירים אלה דורשים חומרים שניתן לכופף, למתוח, ולעמוד בפני רפורמות מכניות חוזרות ללא ביצועים משותפים, בחירת חומרים מתאימים היא אפוא מכריעה של אמינות, פונקציונליות, ייצור וכדאיות מרכזית עבור התקנים גמישים של מוצרי אלקטרוניקה, אשר משמשים יותר ויותר, כולל של חומרים מתקדמים יותר, עד 2030, כולל של חומרים מתקדמים יותר ויותר, וטכנולוגיות אבטחה, כולל של חומרים אלקטרוניים.

תכונות חומריות עיקריות לאלקטרוניקה גמישה

חומרים המיועדים למכשירים אלקטרוניים גמישים חייבים להציג שילוב ייחודי של תכונות מכניות, חשמליות וסביבתיות. בעוד אלקטרוניקה נוקשה קונבנציונלית עדיפות נוקשות ו מוליכות תרמיות, מערכות גמישות דורשות תכונות כי הם לעתים קרובות סותרים - כגון מוליכות גבוהה בשילוב עם יכולת גבוהה.

גמישות ו-Bel Radius

גמישות מתייחסת ליכולת של חומר להתכופף ללא fracturing או delaminating. עבור מכשירים גמישים, רדיוס הנדק המינימלי - הרדיוס הקטן ביותר חומר יכול להיות כפוף ללא כישלון - הוא פרמטר עיצוב קריטי. substrates פולימרניים כגון פולימידי יכול להשיג להיות רנד של פחות מ 1 מ"מ, המאפשר תצוגות מתקפלות וניתן להתאים חיישנים מנוגדים, כמו תצוגות סיליקון רק על חומרים מנפחים על ידי סיליקון.

המונחים: olits Recovery

מתיחה היא ייחודית גמישות.חומר גמיש יכול להיות מעוות, אבל חומר מתוח יכול להאריך תחת מתח. יישומים כגון עור אלקטרוני וחיישנים מתוחים צריכים יכולת של 50% או יותר.חומרים חייבים גם להציג התאוששות גמישה - היכולת לחזור לממדיים מקוריים לאחר עיוות - כדי למנוע נזק מכני קבוע.

מוליכים חשמליים תחת מכנית סטרין

מוליכות חשמלית של חומר משתנה לעתים קרובות כאשר הוא כפוף או מתוח.עבור ניתוח מכשיר אמין, ואת וריאציות ההתנגדות תחת לחץ חייב להיות מצמצם וחיזוי סרטים מתכת, בעוד מאוד התנהגות, נוטה סדק בזנים מעל כמה אחוזים. חלופות כגון גרפן, צינורות פחמן, מתכות נוזלי לשמור על התנהגות יציבה תחת עיוותים גדולים, מה שהופך אותם מועמדים חזקים עבור חיבורים בין אלקטרודות גמישות מעגלים.

יציבות ומקדם של התרחבות תרמית

אלקטרוניקה גמישה חייבת לעמוד בריאציות טמפרטורה במהלך הייצור (למשל, ייצור, nealing, annealing) ופעולה. polyethylene terephthalate (PET) deform מעל 70-80 ° C, הגבלת השימוש שלהם בתהליכים עתירי טמפרטורה גבוהה. פולימד, לעומת זאת, יכול לסבול טמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס, בניגוד לערכים תרמיים של הדבקה או הדבקה (C) באמצעות קיבולת גבוהה (C) באמצעות קיבולת) או הדבקה) באמצעות הדבקה של חומרים הדבקה (C).

תכונות גדר נגד Moisture וחמצן

מכשירים גמישים רבים - במיוחד אור אורגני דידות (OLEDs) ו photovoltaics אורגני - רגישים מאוד לחות וחמצן. שיעורי Permeation חייב להיות נמוך מאוד כדי להבטיח את זמן ארוך המכשיר. סרטי גדר, לעתים קרובות מורכב החלפת שכבות של תחמוצת קרינת inorganic (למשל, Al2O3, SiO2) ו פולימרים אורגניים, לספק הגנה הנדרשת עבור מחזור מים / gm) {\displaystyle 10 / gate (R) {\displaystyle g.

חומרים מורכבים

המצע משמש כבסיס מכני של מכשיר אלקטרוני גמיש.זה חייב להיות גמיש, חלק, ותואם עם שלבים עיבוד הבאים.מספר שיעורים של חומרים תת-סטריט משמשים נרחב.

פולימר strates

סרטי פולימר שולטים בשוק המצע הגמי בשל העלות הנמוכה שלהם, הטבע הקל משקל וקלות העיבוד.הבחירות נפוצות כוללות:

  • (FLT:0)Polyimide (PI): FLT:1 גדול יציבות תרמית (עד 400 מעלות צלזיוס), התנגדות כימית טובה וכוח רביר גבוה בשימוש לעיבוד עתיר רוח גבוהה לוחות מעגלים מודפסים גמישים (FPCB) חליפים כוללים צבע צהוב (לא שקוף) וקליטת לחות גבוהה.
  • (FLT:0) Polyethylene Terephthalate (PET): FLT:1 עלות נמוכה, שקיפות אופטית טובה, וגמישות מתונה של שירות מקסימלית סביב 80 מעלות צלזיוס מגביל את השימוש שלה לתהליכים דלת-טמפרטורה. Common בחיישנים גמישים חד-פעמיים ומציגים.
  • (FLT:0) פּוֹליאת'ילן נָאפְּטַטְטְטַט (PENOVA): 1FLT:1 עדיף עמידות בחום (עד 155 מעלות צלזיוס) מאשר PET ושיפור יציבות הממדית.
  • (FLT:0) פולילי מתילסקסוסין (PDMSOVA): FLT:1 Aסיליקון elastomer עם מוגבלות קיצונית (עד 500%) ו ביו-תחרותיות.שימוש במכשירים הקשורים לעור ומיקרו-fluidics.עם זאת, PDMS swells ב פותרים אורגניים ויש לו תכונות מחסום גרועות.

Metal Foils

רדוי מתכת דקים (למשל, נירוסטה פלדה, אלומיניום, נחושת) מציעים מוליכות תרמית מעולה, מחסומים hermetic, וסובלנות עתירה גבוהה. הם משמשים תאים סולאריים גמישים כוח גבוה אלקטרוניקה גמישה.המגבלה העיקרית היא נוקשות; חסמים חייב להיות דק מאוד (be 50 מיקרומטר נמוך) כדי להשיג גמישות משמעותית, ומשטח יכול לדרוש תכנון.

נייר וטקסטיל

תת-שכבות מבוססות נייר הן זולות, ביו-דידות, ומתאים לאלקטרוניקה חד פעמית כגון אריזות חכמות ובדיקות אבחון.טקסטיל תת-סטריט, כולל בדים ארוגים ולא שזורקים, מאפשרות אלקטרוניקה באמת לבישת מעגלים ישירות לתוך בגדים.אלה substrates מציגים אתגרים במונחים של לחות על פני השטח, ספיגה, וחוסר יציבות ממדית.

חומרים מוליכים לעיגולים גמישים

חומרים מוליכים נושאים אותות חשמליים וכוח במכשירים גמישים.בחירתם תלויה בהתנהלות הנדרשת, עמידה מכנית, תאימות תהליכים ועלויות.

Metallic Thin Films ו-Nanostructures

מתכת כגון כסף, נחושת וזהב מספקים את מוליכות החשמל הגבוהה ביותר.כאשר שהופקדו כסרטים דקים (בדרך כלל 10-100 nm עבה) בשילוב עם תת-קרקעי גמיש, הם יכולים לעמוד בפני התכווצויות מוגבלות.עם זאת, תחת חזרות או צמודות, בצורת סדק.כדי לשפר גמישות, ניתן לעצב סרטי מתכת לתוך נחשין או meshmetries כי להפיץ.

חומרים מבוססי פחמן

דולפינים פחמן מציעים הסכם סחר משכנע בין התנהגות וגמישות:

  • (FLT:0)Graphene: 1FLT: שכבת יחיד של אטומי פחמן עם ניידות גבוהה מאוד ושקיפות תיאורטית. Chemical vapor deposition (CVD) מייצרת סרטים באיכות גבוהה, אך העברה ל substrates גמישה נותרה מאתגרת. Graphene משמש חיישני מגע ומכשירי RF.
  • (FLT:0)Carbon Nanotubes (CNTs): irFLT:1 שניהם חד-קיר (SWCNT) וננו-מפות מרובות-קיר (MWCNT) ניתן לעבד את ה-Flasted לתוך סרטים מוליכים.הם חזקים תחת הדבקה ו מתיחה, וניתן להשתמש בהם כאלקטרודות, חיבורים, וחומרים פעילים טרנזירים גמישים.
  • (FLT:0)Carbon Black:FLT:1 , ממלא בעלות נמוכה בשימוש בגומי ו elastomers כדי ליצור מסובכים התנהגותיים.התנהגותיות נמוכה יותר ממתכות או CNTs, אבל זה מתאים לחיישנים לחץ וציפויים אנטי-סטטיים.

פולימרים

פולימרים מוליכים כגון PEDOT:PSS (poly(3,4-ethyleneoxythiophene) פוליסטיילרטינן sulfonate) גמישים באופן לא ראשוני, ניתן להדפיס או מכוסה מפתרון. PEDOT:PSS משמש נרחב אלקטרודה שקוף עבור OLEDs גמישים ותאים סולאריים.

מתכת נוזלית

מתכות נוזליות מבוססות גליום (למשל, גירוטקטיות גליום-indium, EGaIn) מבטיחות לחיבורים מתוחים מאוד.הם נשארים במצב נוזלי בטמפרטורת החדר, ומאפשרות עיוות בלתי מוגבל ללא כשל חשמלי.הם יכולים להיות מוזרקים לתוך ערוצים או מודפסים ישירות.אתגרים כוללים חמצון משטח (אשר מגביר את הסטיות) וסיכון דליפות.

חומרי דיאלקטרי ו- Encapsulation

מעבר למוליכים ומוליכים, אלקטרוניקה גמישה דורשת דיאלקטריות שער עבור טרנזירים, בידוד שכבות בין עקבות מעגליים, ו encapsulation מגן. חומרי דיאלקטרי חייב להיות גמיש, ללא הפסקה, ויש להם כוח התמוטטות גבוה.

  • (FLT:0) פוליומר דיאלקטרי:FLT:1 חומרים אורגניים כגון פולי(methyl methacrylate) (PMMA), פוליווין פלואוריד (PVDF), ופרלילן יכול להיות פתרון מעובד בטמפרטורות נמוכות.הם מציעים קבועים דיאלקטריים בינוני (2-10) והם משמשים טרנזירים רזים גמישים.
  • (FLT:0) גבוה Inorganic Dielectrics:cioFLT:1 ; שכבות דק של Al2O3, HfO2, או ZrO2 מופקד על ידי שכבת אטומית (ALD) לספק צפיפות גבוהה קיבולת ותכונות מחסום טוב. עם זאת, תחמוצת הפחמן האלה הם רזים; סדקים יכולים לפתח תחת מטמון חמור.
  • (FLT:0) שכבות של איסוף:FLT:1 כדי למנוע לחות וחמצן ingress, סרטי מחסום רב-שכבות מועסקים.אדריכלות נפוצה משנה שכבות של אל2O3 ו-UV-cured acrylate. ערימה זו יכולה להשיג WVTR מתחת 10-5 g2 / יום, עמידה בדרישות עבור OLED גמיש.

אתגרים בבחירה ואינטגרציה חומרית

למרות מגוון רחב של חומרים זמינים, שילוב אותם לתוך מכשיר גמיש אמין מציג כמה אתגרים.

המונחים: barles

מכשירים גמישים מורכבים משכבות מרובות שהופקדו באופן משמעותי.כוח אדמדן בין תת-התחסין, המוליכים, דיאלקטרי, ו-capsulation חייב לעמוד על אופניים מעוקלות ומדליקות ירודה מוביל לדיכאון, אשר גורם לכשלון המכשיר.

Fatigue ו-Cracking

התכווצות חוזרות או מתיחה גורמת לעייפות בסרטים מתכתיים ומדמוצת-חמצני. Microcracks propagate מעל אלפי מחזורים, בסופו של דבר להרוס רציפות חשמל.הבנת מנגנוני עייפות ואימוץ עיצובים של לחץ-כמו מבנים ווטאליים או תנוחת מטוס נייטרלי - הם חיוניים לאמינות ארוכת טווח.

עלויות סקלאלה וייצור

חומרים מתקדמים רבים (למשל, גרפן, מיושר CNTs) יקרים לייצר בקנה מידה. ייצור רול-טו-roll דורש חומרים שניתן לחבוש או להדפיס באופן אחיד על אזורים גדולים.תנאי תהליכים כגון טמפרטורה, תאימות פותרת, ושעת ריפוי חייב להיות תואם עם תת-התחבת שנבחרה.

יציבות סביבתית וסובלנות

כמה חומרים שעולים בתנאים נוחים. PEDOT:PSS הוא Hygroscopic ויכול להיות ניזוק על ידי לחות. מתכות נוזליות עלולות להיות מחמצן.יתר על כן, השימוש באלמנטים רעילים או נדירים (למשל, Indium in ITO) מעלה חששות קיימות.מחקר לתוך חומרים ביו-דידתיים ו bioderated אינו אלא מאץ, אך הביצועים שלהם עדיין מאחורי אפשרויות קונבנציונליות.

שיטות זיהוי ובדיקה

כדי להבטיח כי חומרים עומדים בדרישות של אלקטרוניקה גמישה, פרוטוקולי בדיקה קפדניים מועסקים.בדיקות מכניות סטנדרטיות כוללות:

  • (FLT:0) בדיקות בדיקה: FLT:1 דגימות כפופות רדיוס מסוים (למשל, 5 מ"מ, 2 מ"מ) והתנגדות חשמלית שלהם נמדדת לפני, במהלך ואחרי נביחות דינמית בדיקות החל מחזורים (למשל, 100,000 חזרות) כדי להעריך עייפות.
  • בדיקה אחרונה ב-6 ביולי 2010. ^ ^ "FLT: 1 Uniaxial or biaxialמתי as Monitoring Conductivity andפציפation.Theמקסימום elongation Before Fail and the Change in the גיליון Resistance (R/R0).
  • בדיקה אחרונה ב-17 במאי 2010. ^ "FLT:0.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.10.
  • (FLT:0) ביצועי ברייר: בדיקת קלוריות 1:1 או בדיקת ירידה בסידן חשמלית מודדת WVTR וקצב העברת חמצן (OTR).
  • (FLT:0) ניתוחי דם: FLT:1 הניתוחים התרמו-מכניים (TMA) וסורקים את calorimetry (DSC) קובעים את טמפרטורת המעבר של הזכוכית, CTE ויציבות תרמית.

שיטות אלה מאפשרות למפתחים חומריים למדוד יצירות חדשות נגד סטנדרטים קיימים ולחזות חיי אדם למכשיר בתנאים.

כיוונים עתידיים וחומרים מתעוררים

תחום האלקטרוניקה הגמישה מתפתח במהירות, עם חומרים חדשים ומושגים שנועדו להתגבר על המגבלות הנוכחיות.

חומרי ההולכה עצמית

בהשראת מערכות ביולוגיות, פולימרים ומוליכים עצמיים יכולים לתקן נזק מלחץ מכני. אג"ח דינמי קוהנדסי או אינטראקציות העליונות מאפשרות לסדקים לסגור את היישום של חום, אור או לחות. מרכיבים התנהגותיים עצמיים המשלבים מיקרודרופונים מתכת נוזלי עם גישה פוליגרפית טיפול חשמלי ללא גירוי חיצוני.

אלקטרוניקה ברת קיימא ו- Sustainable Electronics

חששות סביבתיים מניעים את הפיתוח של אלקטרוניקה גמישה שיכולה לטבול לאחר השימוש. substrates המיוצרים מ cellulose, משי, או חומצה פולילאקטית (PLA) נחקרים.ביצוע עקבות של אבץ, מגנזיום או חומרים המבוססים על פחמן ניתן לתכנן כדי להתמוסס במים או באדמה. מכשירים כאלה הם מבטיחים במיוחד עבור שתלים רפואיים וחיישנים סביבתיים.

3D-Printed Flexated Electronics

טכניקות ייצור אדקטיבית, כולל הדפסה דיוג'ט, הדפסה מטוס אווירוסול, וכתיבה ישירה דיו, מאפשרות הדבקה מהירה והתאמה אישית של מעגלים גמישים. מוליכים, דיאלקטריים, וחרקים מוליכים למחצה הם תחת התפתחות רציפה. 3D הדפסה גם מאפשר שילוב של אלקטרוניקה עם צורות 3D מורכבות, כגון חיישנים תואמים על פני משטחים מעוקלים.

סוללות מתחדשות ו- Energy Harvesters

כוח נשאר צוואר בקבוק עבור מכשירים גמישים באמת לא מעודכנים.סוללות מתוחות באמצעות ארכיטקטורות נחשין או אי גשר מפותחים, יחד עם supercapacitors גמישים ו קצירי אנרגיה (למשל, nanogenerators triboelectric, סרטים ⁇ electric) חומרים כגון הידרוגלס ו MXenes להראות הבטחה לאחסון אנרגיה גמיש.

מסקנה

בחירת חומרים מתאימים למכשירים אלקטרוניים גמישים דורש איזון תאימות מכנית, ביצועים חשמליים, יציבות תרמית, תכונות מחסום, ומיומנות. פולימרים, מתכות, ננו-חומרים פחמן, ופולימרים מוליכים כל אחד מציעים יתרונות נפרדים, אבל שום חומר אחד עונה על כל הדרישות.אינטגרציה מוצלחת של מכשירים לעתים קרובות לדבוק מחסנים קפדניים - שילוב חומרים במגוון רב-שכבות, ארכיטקטורות היברידיות שנועדו להפיץ זנים רגישים ורגישים כדי לספק חומרים אלקטרוניים, כמו גם חומרים אלקטרוניים, ימשיך להיות יעיל יותר, יעיל יותר, כמו גם חומרים אלקטרוניים, יעיל יותר, אשר יהיה מסוגל לספק חומרים אלקטרוניים, 000 יעיל יותר טוב יותר, 000, 000, 000.