תכונות של Polymers מוליכים עבור מכשירים אלקטרוניים גמישים

מוליכים הם מעמד ייחודי של חומרים אורגניים המשלבים את התכונות החשמליות של מתכות עם היתרונות של עיבוד של פלסטיק.בניגוד למוליכים אורגניים מסורתיים, פולימרים אלה כוללים עמוד השדרה המחוספס המאפשר תחבורה המטען, בעוד המבנה המולקולרי שלהם יכול להיות מכוון באמצעות אלקטרוניקה כימית או מיזוג פעיל, לאורך שלושת העשורים האחרונים, פולימרים מוליכים עברו ממעבדות כדי חיוני באלקטרוניקה גמישה, לחץ על תכונות חשמליות, כדי לענות על פני השטח הגמישות, כדי לטפל בהם, מסוגלות קבועות, כדי לבצע חיישנים אלה.

תכונות מפתח של Polymers מוליכים

כדי להבין מדוע פולימרים מוליכים מתאימים לאלקטרוניקה גמישה, יש להבין תחילה את המאפיינים הבסיסיים השולטים בהתנהגותם.התכונות הקריטיות ביותר - מוליכות חשמלית, גמישות מכנית, חסכוניות, ויציבות סביבתית - הן קשורות הדדית ולעתים קרובות דורשות אופטימיזציה זהירה באמצעות כימיה חומרית והנדסת מכשירים.

יעילות חשמלית

[הסימן של פולימרים מוליכים הוא היכולת שלהם לנהל חשמל תוך שמירה מכנית על התנהגות חשמלית שלהם עולה ממערכת ⁇ -CMron מלוכדת, במצב הפולימרים שלהם, intrinsic Conductive פולימרים כגון פולימרים פולינפולניים (PANI), פולינול (PPy), ופולי (Fird) של 10Dird) מוליכים באופן דרמטי (Fic) (10picOS) (10piving) (10.

לעשות מכניזם ו Tunability

מינון בפולימרים מוליכים אינו מוגבל לשיטות כימיות; אלקטרוכימי doping, photoified doping, ואפילו מינון מכני באמצעות זנים הוכחו.היכולת לשלוט בדיוק ברמת ה מינון, בדרך כלל בין 0.1% ל-30% יחידות מונומר, מאפשר למהנדסים לעשות טובת התכונות החשמליות עבור יישומים ספציפיים.זה נוצות הוא יתרון גדול על פני מתכות מסורתיות, אשר מוליכות שלהם נקבע על ידי הרכב שלהם, עבור רמות נמוכות יותר, כמו גם עבור רמות טיפול עצמי מתאים עבור חומרים מחוסנים, כמו גם עבור חומרים מחוסנים לטווח קצר.

המונחים: Transport mechanism

תחבורה בפולימרים מוליכים מתרחשת באמצעות intrachain hopping לאורך עמוד השדרה המכוסה ו- Interchain ההיגוי בין שרשראות סמוכים.המורולוגיה של הסרט פולימרי – קריסטלליין לעומת האזורים הנטושים, גבולות דגנים, ונוכחות של מנגנוני הגנה על פני השטח - משפיעות רבות על התנהגות מקרוסקופית.

גמישות מכנית ויציבות

גמישות היא היתרון המכונן של פולימרים מוליכים על פני מול מול המנצחים אורגניים.בניגוד סנטימטרית אינפראנטי (ITO), אשר סדקים בזנים נמוך כמו 1–2%, פולימרים מוליכים רבים יכולים לעמוד שוב ושוב על פני קרינית של כמה מ"מ ועשרות זנים פורצים מעל 20%.

עקבו אחרי Twisting Performance

מדד המפתח לגמישות הוא השינוי בהתנגדות חשמלית תחת עיוות מכני.מצב-of-the-art PEDOT:PSS סרטים להראות פחות מ 10% עלייה בהתנגדות לאחר 1000 מחזורים מכווצים ברדיוס של 5 מ"מ עבור יישומים מתוחים, תערובת אלסטומרית של 2, למשל, PEDPSS יכול להיות משולב עם פוליאורגן רך או לינוקס (nrephy) אשר יכול גם להיות מורכב על ידי טיפול תרופתי (Ricirginicirgin) באופן קבוע על ידי 2.

חיים שומניים ועצמים

עמידות מבצעית לטווח ארוך היא קריטית עבור לבישים ושתלים רפואיים שצריכים לסבול תנועה מתמדת. עמידות שומנית בפולימרים מוליכים מושפעת ממשקל מולקולרי, צפיפות חוצה, ונוכחות של אג"ח דינמיים מסוימים עכשיו פולימרים מוליכים עכשיו לשלב כימאים עצמיים מוטבעים - כגון מגע מימן או תיאום מתכת-כמי - המאפשרים לחומר לתקן באופן אוטונומי עבור מקרים חמורים, בעיקר עם יכולת הפעלה עצמית מורכבת, לאחר שניות מתוחכמות זו, לאחר טיפולית, לאחר טיפולית, לאחר טיפולית קשה של תפקוד עצמי, במיוחד, לאחר טיפול תרופתי, אשר יכול להפחתת אמצעית, במיוחד, לאחר טיפול תרופתית, לאחר טיפולית, לאחר טיפול תרופתית קשה של אמצעי זהירות, כמו אמצעי זהירות, כמו אמצעי זהירות, כמו אמצעי זהירות, הוא ממושכות, במיוחד, לאחר טיפול תרופתי או תיאום מתכת-מחץ, במיוחד, כמו אמצעי זהירות, לאחר טיפול תרופתי או מתכת-מחץ, אשר מאפשר את היכולת שלו הוא לעתים קרובות, אשר מאפשר את היכולת שלו הוא מוגבל של תפקוד עצמי קשה, במיוחד, לאחר טיפול עצמי קשה, לאחר זמן קצר יותר ויותר, לאחר טיפול עצמי, לאחר טיפול תרופתי, לאחר טיפול עצמי, לאחר טיפול עצמי, לאחר טיפול עצמי, לאחר טיפול עצמי מתמשך של תפקוד עצמי מתמשך של תפקוד עצמי, כגון מגע

תהליך ושחיתות

אחד היתרונות המשכנעים ביותר של פולימרים מוליכים הוא תאימות שלהם עם טכניקות ייצור מבוסס פתרון.בניגוד תחמוצות מתכת, אשר בדרך כלל דורשות תנודה ואקום וטמפרטורה גבוהה annealing, פולימרים התנהגותיים ניתן להפקיד מ aqueous או אורגני באמצעות הדפסה, ציפוי, ורסס שיטות דהור.זה להפחית באופן דרמטי את עלויות הייצור ומאפשר גדול, רול-toroll-toroll על ייצור מפלסטיק.

עיבוד פתרונות ו Scalability

(EDOT:PSS הוא פולימר המוליכים המסחרי ביותר בעיקר בגלל יכולת התהלוכה המעולה שלו.הוא יוצר פיזור יציב במים ויכול להיות מודפס באמצעות דיוג'ט, הדפסה מסך, או הדפסה מטוס אווירוסול עם החלטות למטה לעשרות מיקרומטרים. אחרים מוליכים פולימרים, כגון פוליני קו פוליניאק ופוליפיראטול, הם פחות מפולטים נפוצים אבל ניתן לעבד אותם בצורתם של תרופות פוליפרקטיבית:

הדפסה ישירה ו 3D הדפסה

מעבר להדפסה קונבנציונלית, טכניקות ייצור מתקדמות מרחיבות את שטח העיצוב עבור אלקטרוניקה גמישה.לייזר הנגרמת על ידי לייזר מאפשר מיקרו-פטרינג של פולימרים מוליכים ללא מסכות או עיבוד לאחר.יתר על כן, פולימרים מוליכים ניתן extruded לתוך filaments עבור פיזור אלקטרוניקה משולבת מודל (FD) הדפסה 3D, המאפשר יצירת מורכבת של שלושה מבנים מרכזיים עם פונקציונליות חשמלית מוטבעת, לדוגמה, יש הפעלה משולבת של פונקציות מתוחכמות של עיבוד מכנית תאים מותאם אישית של תאים מגנטיים.

יציבות סביבתית ודהגרדציה

הביצועים ארוכי הטווח של פולימרים מוליכים בסביבות העולם האמיתי תלויים ההתנגדות שלהם לחמצן, לחות, קרינת UV ותנודות טמפרטורה. פולימרים מוליכים מוקדם, כגון פוליצילין, היו ידועים לשמצה לא יציבים ומחוסנים בתוך שעות של חשיפה לאוויר.

« « « קיבולת ושכבות גדר

כדי להפחית את ההשפלה הסביבתית, מכשירים אלקטרוניים גמישים לעתים קרובות לשלב שכבות של לכידת סרטים דקים שנעשו מחומרים אורגניים כגון תחמוצת אלומיניום או סיליקון חנקן שהופקדו על ידי שכבת אטומית, או משכבות מחסום אורגניות כמו parylene. מחסומים אלה יכולים להפחית את קצבי השידור של מים מתחת 10FLT:0-5FLT:1 g/2 יום, מספיק עבור יישומים תרמיים, בנוסף לאטומים גמישים (למשל, 000) כדי לשפר את רמת החמצן) עבור אטומים (אוקס) עבור אטומים חכמים (או מינרלים).

Degradation Mechanisms ו- Mitigation אסטרטגיות

הפחתת הפולימרים המוליכים בדרך כלל מתקדמת באמצעות שני מסלולים: השפלה כימית של עמוד השדרה המחוספסת וניתוק הנגרמת על ידי אובדן או תגובה של דחפונים דונט. Dedoping היא בעייתית במיוחד עבור חיישנים הפועלים בסביבות נוזליות, שבו ions יכול לנתק סביבות חומר ייצוב או לחץ דם זה כולל שימוש במוליכים קשיחים כגון פוליסטרון פוליסטרון פוליסטרון (S) או חסימת מעגל חשמלי.

מערכות חומר מפתח

בעוד מאות פולימרים מוליכים מסונתז, רק מעטים הגיעו לבגרות מסחרית עבור אלקטרוניקה גמישה.ה להלן הם המשפחות החומריות שנלמדו ביותר מנוצל, כל אחת עם פרופילים נפרדים של רכוש.

PEDOT:PSS

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) פוליסטיילסטין sulfonate (PEDOT:PSS) הוא תקן התעשייה עבור אלקטרודות גמישות, ציפויים אנטי-סטטיים, ואלקטרוניקה אורגנית.ה מוליכות גבוהה שלה (עד 3,000 / ס"מ לאחר טיפול), שקיפות מעולה בסרטים דקים (>90%), והתאמה עם עיבוד רול-to-to-to-roll זה לעשות את זה עבור תאים חשמליים גמישים (Opatic)

פוליאנילין (PANI)

Polyaniline מוערך עבור מנגנון הפינג הייחודי שלה המאפשר לו לעבור בין insulating (בסיס אדניד) ומוליכים (מלח אדמירלדין) טפסים באופן רציני, המאפשר יישומים בחיישנים גז, supercapacitors, ו- אלקטרומגנטית הגנה מפני התערבות. PANI יכול להיות מעובד מפתרונות חומציים ומציג התנהגות מתונה (עד 10 / ס"מ) ויציבות תרמית מעולה עד 300 מעלות צלזיוס היא נמוכה יותר.

Polypyrrole (PPY)

Polypyrrole הוא אחד הפולימרים הוותיקים ביותר וידוע בזכות הקלות של סינתזה אלקטרוכימית ויציבות סביבתית טובה.זה נפוץ נרחב בפועלים, שרירים מלאכותיים ומערכות משלוח תרופות בשל יכולתו לעבור שינויים בנפח במהלך רכיבה על אופניים ב-PPD. בדרך כלל להציג מוליכות בטווח של 1–100 S/cm, בהתאם לתנאי dopant וסינתזה חכמים כגון חומצות שומן.

מערכות בלתי אפשריות אחרות

Poly(3-hexylthiophene) הוא פולימר סמי-מעבד בעל ניידות גבוהה (עד 0.1 ס"מ / Vs) והוא בשימוש נרחב ב photovoltaics אורגני ו- שדה-אפקט טרנזיסטורים (למרות לא כמו PEDOT:PS, תכונות אופטיקוניים מצוינות שלה ותהליך יכול להפוך אותו אבן הפינה של חומרים אלקטרו-אופטימיים כגון Nbenth) באיכות גבוהה (nODoxy) בהתאמה) (nponoDoxy) בהתאמה) (npon-p) בהתאמה) ו-T) שלהם (nODoxyDoxy (nODoxy (nODoxyDoxyDoxyDoxy (OT) בהתאמה) בהתאמה) בהתאמה) בהתאמה) בהתאמה) חומרים מתקדמים (np) ותהליך גבוהה תהליכים (np) שלהם (np) ותהליך בדיקה גבוהה (npDoxyDoxy (np) שלהם (nODoxy גבוהה (noxyDoxyDoxy גבוהה תהליך חקירה בהתאמה) הם גם כן (noxyDoxyDoxyDoxyDoxy גבוהה תהליך חקירה (nODoxy (np) הם גם כן (np) ותהליך בדיקה גבוהה תהליך חקירה) בהתאמה) בהתאמה) בהתאמה) הם גם כן

יישומים ב-Creative Electronics

השילוב הייחודי של מוליכות חשמלית, גמישות מכנית ותהליכיות פתרון אפשר לפולימרים מוליכים לחדור מגוון רחב של יישומים אלקטרוניים גמישים.

עקבו אחרי Health Monitor

חיישנים מבוססי פולימרים יכולים לזהות אותות פיזיולוגיים כגון קצב לב, טמפרטורת הגוף, הזיעה תוך כדי להיות נוח ללבוש לתקופות מורחבות.לדוגמה, PEDOT:PSS אלקטרודות משולבות בטקסטיל או כתמים בעור יכול למדוד אלקטרוקרדיולוג (ECG) ואלקטרומיולוגרמה (EMG) אותות עם יחס נמוך וסימן גבוה לדלקתי אותות, המאפשרים גם לחץ ולחצים עבור חיישנים חזותיים המכילים חיישנים מתקדמים.

תצוגות גמישות תאורה

אור אורגני פולט דידות (OLEDs) להסתמך על אלקטרודות מוליכים שקוף כדי להזריק ספקים ביעילות. בעוד indium tin oxide (ITO) נשאר תקן עבור תצוגות קשיחות, המהירויות שלה מגבילות את השימוש שלה במכשירים גמישים. pEDOT:PSS סרטים דקים הופיעו כתחליף בר קיימא, המציע עמידות דומה (כ -100 ⁇ /q) עם גמישות רבה של צינורות פולימרים לשימוש זהה.

אחסון אנרגיה וסגירה

סוללות גמישות ו supercapacitors ליהנות מ אלקטרודות פולימרים מוליכים שיכולים להכיל עיוות מכני תוך שמירה על יכולת גבוהה. Polyaniline ו PEDOT:PSS משמשים בדרך כלל כחומרים אלקטרודה supercapacitor בשל התנהגות פסאודופטית שלהם ואת שיעורי טעינה מהירה טעינה. תאים סולאריים גמישים המבוססים על P3HT:PCM רובה heteroions השיגו כוח המרה מוגברת של תאים להישאר מעל 10, 000 תפקוד תאים פונקציונליים פונקציונליים, 000 קריטיים, כמו גם כן, 000 תפקוד יעיל של תאים סולאריים קריטיים קריטיים.

בשרות חכמים וכוח לביש

הגדלת פולימרים מוליכים לתוך בדים יוצר "טקסטיל חכם" המסוגל לחישה, חימום ותקשורת. Polypyrrole-coated תצוגות כותנה נמוך מספיק עבור חיישני מגע קיבוליים, בעוד PEDOT:PS-S-coated פוליסטר יכול לשמש כמו תנורי חום עמידים לנוחות תרמית.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות היתרונות הרבים שלהם, פולימרים מוליכים להתמודד עם כמה מכשולים כי יש להתגבר על אימוץ נרחב של מכשירים גמישים מסחריים אלקטרוניקה.אחד האתגרים הגדולים ביותר הוא התנהגות חשמלית נמוכה יחסית בהשוואה מתכות וננו-חומרים פחמן, בעוד PEDOT:PSS יכול להגיע יישומים פונקציונליות על מנת של אלפי אחמונים לסנטימטר, זה עדיין קצר של נחושת (5x10, 000 LT5), במיוחד כדי למנוע שינויים פיזיים או מטבוליזם ארוך.

עלויות והיקף גם נשארים חששות, במיוחד עבור פולימרים מוליכים הדורשים סינזזות מורכבות או מונומרים אקזוטיים. עם זאת, הזמינות הגוברת של PEDOT מסחרי:PSS ניסוחים וההתבגרות של תהליכי הייצור הם עלויות נהיגה למטה. כיוונים עתידיים כוללים את הפיתוח של פולימרים מוליכים ביולוגיים מוליכים עבור אלקטרוניקה טראנס, אשר יכול להתמוסס בבטחה לאחר חייהם התפעוליים, ואת השילוב של בינה מלאכותית כדי להאיץ את התכונות של חומרים מזיקים חדשים עם חומרים מזיקים כדי להיות משולב עם חומרים פולימרים.

לסיכום, פולימרים מוליכים הוכיחו את עצמם כאבני בניין צדדיות עבור מכשירים אלקטרוניים גמישים, המציע תערובת ייחודית של תכונות חשמל, מכניות ועיבוד.האבולוציה המתמשכת שלהם באמצעות הנדסה חומרים ואינטגרציה מכשירים מבטיח לפתוח יישומים אפילו יותר מתוחכם, מן העור האלקטרוני ועד ממשק אנושי חלק. כמו התקדמות מחקר, אנו יכולים לצפות פולימרים התנהגותיים לשחק תפקיד מרכזי יותר ויותר בעיצוב העתיד של גמישות, בר קיימא אלקטרוניקה.