Table of Contents

Гибкая электроника и носимые устройства меняют то, как люди взаимодействуют с технологией. От умных часов, которые контролируют частоту сердечных сокращений, до одежды, которая чувствует мышечную активность, эти инновации полагаются на материалы, которые могут изгибаться, растягиваться и выдерживать ежедневное использование. Добавочные полимеры появились в качестве основополагающего класса материалов для этих применений, предлагая уникальное сочетание гибкости, механической прочности, электрической изоляции и простоты обработки. В отличие от металлов или керамики, эти полимеры могут быть сформированы в тонкие пленки, узоры в цепи и интегрированы в сложные носимые системы, не жертвуя комфортом или производительностью. В этой статье исследуется химия дополнительных полимеров, свойства, которые делают их пригодными для гибкой электроники, их конкретные роли в носимых устройствах и продолжающиеся исследования, которые обещают раздвинуть границы этой технологии.

Понимание дополнительных полимеров: химия и общие типы

Добавочные полимеры представляют собой длинноцепочечные макромолекулы, образованные повторным добавлением мономерных звеньев без устранения какого-либо побочного продукта. Этот процесс, известный как полимеризация сложения, обычно требует инициатора для запуска цепной реакции. Полученный полимерный каркас состоит исключительно из углерод-углеродных одиночных связей, что придает высокую химическую стабильность и механическую целостность. Простота и эффективность полимеризации сложения делают его одним из наиболее широко используемых методов получения синтетических полимеров в промышленном масштабе.

Механизм дополнительной полимеризации

Наиболее распространенным механизмом является полимеризация со свободным радикалом присоединения. Он начинается с молекулы-инициатора, которая распадается на свободные радикалы под воздействием тепла или ультрафиолетового света. Эти радикалы атакуют двойную связь мономера (например, этилена или стирола), создавая новый радикал в конце растущей цепи. Этот радикал затем добавляет еще один мономер, и цепь продолжает распространяться, пока два радикала не объединятся, чтобы завершить реакцию. Живые методы полимеризации, такие как перенос атома радикальной полимеризации (ATRP) и обратимый перенос цепи сложения-фрагментации (RAFT), имеют дополнительно усовершенствованный контроль молекулярной массы и полимерной архитектуры, что позволяет точно проектировать полимеры для электронных применений.

Основные полимеры и их свойства

Несколько дополнительных полимеров стали основными в гибкой электронике:

  • Полиэтилен (PE): Простейший и наиболее широко производимый полимер. Полиэтилен низкой плотности (LDPE) предлагает отличную гибкость и используется в защитных пленках и слоях инкапсуляции.
  • Полипропилен (PP): Известен своей высокой прочностью на растяжение, химической стойкостью и усталостной стойкостью. PP часто используется в шарнирно-подобных структурах в носимых полосах и кожухах.
  • Поливинилхлорид (ПВХ): Может быть пластифицирован для достижения различной степени гибкости. Он используется в изоляции проводки и гибких подложках, хотя опасения по поводу воздействия на окружающую среду привели к сокращению использования в некоторых регионах.
  • Полистирен (PS) и его сополимеры: Полимеры на основе стирола, такие как полистирол-бутадиеновый каучук (SBR), обеспечивают баланс жесткости и эластичности, полезный в корпусах датчиков и растягиваемых межсоединений.
  • Полиэтилентерефталат (ПЭТ): Хотя технически ПЭТ является конденсационным полимером, ПЭТ обычно группируется с дополнительными полимерами в электронике из-за его широкого использования в гибких подложках.
  • Полиметилметакрилат (PMMA): Акриловое стекло с отличной оптической четкостью и УФ-стойкостью. PMMA используется в качестве защитного покровного слоя и световода в гибких дисплеях.
  • Полиимиды (PI): В то время как часто синтезируются посредством конденсации, некоторые полиимиды производятся с помощью дополнительных путей. Они обеспечивают выдающуюся термостойкость и механические свойства, что делает их необходимыми для высокотемпературных гибких схем.

Свойства, которые делают полимеры идеальными для гибкой электроники

Добавочные полимеры обладают комбинацией физических и химических атрибутов, что делает их уникально подходящими для требовательной среды носимых и гибких электронных устройств.Эти свойства настраиваются путем управления выбором мономера, молекулярной массой, ветвлением и сшиванием во время синтеза.

Гибкость и механическая устойчивость

Способность изгибаться, складываться и растягиваться без трещин является наиболее важным требованием для носимой электроники. Длинные, запутанные цепи сложения полимеров поглощают механическое напряжение через скольжение и ориентацию цепи, а не хрупкий перелом. Например, низкая температура стеклования полиэтилена (T]g) обеспечивает гибкость в широком температурном диапазоне. Аморфные полимеры, такие как поликарбонат (ПК) и сополиэфиры, также поддерживают гибкость даже при повторной циклической нагрузке, что необходимо для устройств, которые соответствуют коже или одежде.

Прозрачность и оптическая ясность

Многие дополнительные полимеры передают видимый свет с минимальным рассеянием, что делает их идеальными для оптоэлектронных интерфейсов. Прозрачные подложки, слои инкапсуляции и пленки покрытия должны поддерживать высокую четкость при защите основных компонентов. Полимеры, такие как PMMA и циклические олефиновые полимеры (COP), достигают передачи > 90% в видимом спектре. Это оптическое свойство имеет решающее значение для интеграции с органическими светоизлучающими диодами (OLED), фотодетекторы и сенсорные датчики, где свет должен проходить беспрепятственно.

Электрическая изоляция и диэлектрическая прочность

Добавочные полимеры являются отличными электрическими изоляторами из-за их насыщенного магистрального и отсутствия мобильных носителей заряда. Их высокая диэлектрическая прочность (часто превышающая 20 кВ/мм) предотвращает короткие замыкания между проводящими следами. В гибких печатных платах (FPCB) полиимидные пленки обеспечивают надежную изоляцию даже после тысяч циклов изгиба. Низкая диэлектрическая постоянная и малая потеря тангенса полимеров, таких как PTFE (Тефлон), также делают их ценными для высокочастотных антенн связи в носимых устройствах.

Обработка и масштабируемость

Добавочные полимеры могут быть обработаны различными способами: экструзия, литье под давлением, литье растворителя, спиновое покрытие и 3D-печать. Для тонкопленочной электроники, слот-дие покрытие, гравюрная печать и струйное осаждение позволяют производить рулонную печать на гибких веб-подложках. Эта масштабируемость имеет важное значение для коммерческого внедрения, поскольку она снижает стоимость и увеличивает пропускную способность. Способность формулировать полимеры в чернила или пасты с учетом вязкости дополнительно облегчает аддитивное производство датчиков и схем.

Долговечность и экологическая устойчивость

Носимые материалы подвергаются воздействию пота, влажности, колебаний температуры и механической истирания. Добавочные полимеры обеспечивают присущую устойчивость ко многим из этих стрессоров. Полипропилен сопротивляется кислотам, щелочам и органическим растворителям. Полиимиды демонстрируют исключительную термическую стабильность (непрерывное использование до 300 ° C). Фторполимеры, такие как ПТФЭ, отталкивают воду и масла. При сочетании с соответствующими добавками (уФ-стабилизаторы, антиоксиданты, антипирены), срок службы носимых устройств на основе полимеров значительно увеличивается, часто превосходя электронику, в которой они находятся.

Ключевые применения дополнительных полимеров в носимых устройствах и гибкой электронике

Практическое развертывание дополнительных полимеров охватывает почти каждый функциональный слой в гибком электронном устройстве. Ниже приведены наиболее значимые области, где эти материалы стали незаменимыми.

Гибкие субстраты и бэкпланы

Подложка представляет собой механический фундамент, на который наносятся или связываются электронные компоненты. Для носимых устройств подложка должна быть легкой, тонкой, сгибаемой и совместимой с последующей обработкой. Полиэтилентерефталат (ПЭТ) и полиэтиленнафталат (ПЕН) являются наиболее распространенными полимерными подложками для простых гибких схем. Для процессов более высокой температуры (например, аморфного осаждения кремния) используются полиимидные или полиарилатные пленки. Эти подложки могут быть металлизированы, узорчаты фотолитографией и склеены с гибкими межсоединениями без потери структурной целостности. Низкий коэффициент теплового расширения некоторых полимеров также обеспечивает стабильность во время теплового цикла.

Инкапсуляция и барьерные слои

Защита чувствительных электронных компонентов от кислорода, влаги и механических повреждений имеет решающее значение для долговечности устройства. Слои инкапсуляции полимеров служат как физическим барьером, так и диэлектрическим покрытием. Для органической электроники, которая быстро разлагается в присутствии воды и кислорода, используются многослойные стеки полимерных и неорганических пленок. Полимерные барьерные слои, такие как парилен (поли-п-ксилилен), осаждаются с помощью химического осаждения паров для формирования конформных, безконтактных покрытий, которые могут выдерживать повторный изгиб. Аналогично, гибкие эпоксидные и акриловые смолы ламинируются по печатным схемам для обеспечения защиты окружающей среды без добавления жесткости.

Примером недавнего прогресса является использование высокобарьерных полимерных пленок, которые достигают скорости передачи водяного пара ниже 10-5 г / м2 / день, сопоставимых со стеклом, оставаясь при этом гибкими.

Проводящие полимеры и композитные пленки

Создание гибких проводящих следов и электродов является ключевой задачей. Сами полимеры являются изоляторами, но их можно сделать проводящими путем смешивания с проводящими наполнителями (углеродные нанотрубки, серебряные нанопровода, графен) или с использованием внутренне проводящих полимеров, таких как поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). PEDOT:PSS представляет собой полимерный композит, который обеспечивает высокую проводимость, оптическую прозрачность и технологичность решения. Он широко используется в гибких сенсорных экранах, OLED-электродах и носимых датчиках. Полимерная матрица (полистиролсульфонат) обеспечивает механическую гибкость, в то время как проводящая сеть PEDOT несет ток.

Другой подход включает в себя встраивание металлических нанопроводов или углеродных нанотрубок в полимерную матрицу для создания растягиваемых межсоединений. Когда полимер растягивается, нанопровода скользят и переориентируются, поддерживая электрические пути. Эта концепция является центральной для растягиваемых исследований проводников для электронных текстилей и патчей мониторинга здоровья.

Датчики и актуаторы

Датчики на основе полимеров стали основой носимых мониторов здоровья. Емкостные датчики деформации, изготовленные из эластичных полимерных пленок (например, полидиметилсилоксан, PDMS или полиуретан) с проводящими покрытиями, могут обнаруживать совместное движение, дыхание и импульс. Пьезоэлектрические полимеры, такие как поливинилиденфторид (PVDF), генерируют напряжение при механической деформации, что делает их идеальными для датчиков давления и энергоуборщиков. Хемиресистивные датчики, где проводящая полимерная пленка изменяет сопротивление при воздействии определенного газа или пара, используются для анализа пота и мониторинга окружающей среды.

Приводы — компоненты, преобразующие электрическую энергию в движение — также полагаются на дополнительные полимеры. Приводы диэлектрического эластомера (DEA) используют тонкую полимерную пленку, зажатую между совместимыми электродами. При подаче напряжения электростатическое давление сжимает пленку, заставляя ее расширяться в области. Этот искусственный мышечный эффект исследуется для тактильной обратной связи в носимых интерфейсах и мягкой робототехнике.

Хранение энергии: Гибкие батареи и суперконденсаторы

Носимые устройства требуют одинаково гибких источников энергии. Традиционные литий-ионные батареи с жесткими корпусами непригодны. Исследователи разрабатывают тонкопленочные батареи с использованием полимерных электролитов и гибких электродных подложек. Твердые полимерные электролиты на основе полиэтилена (PEO) проводят ионы лития, обеспечивая при этом механическую гибкость. Аналогично, суперконденсаторы используют электроды с активированным углем или углеродными нанотрубками, покрытые полимерными сепараторами, такими как полипропилен. Эти гибкие устройства хранения энергии могут быть вплетены в ткани или ламинированы на кожеподобные пластыри, что позволяет действительно носимую мощность.

Технологии отображения

Экраны умных часов, фитнес-полос и складных телефонов стали возможными благодаря полимерным подложкам и инкапсуляции. OLED-дисплеи построены на полиимидных задних плоскостях, которые можно лазерно поднять с производственного носителя. Инкапсуляция тонкой пленки, используемая для защиты OLED от влаги, часто состоит из чередующихся слоев полимера и неорганических оксидов. E-бумажные дисплеи, которые имитируют чернила на бумаге, используют полимерные пленки в качестве подложки и гибкой матрицы микрокапсул. Эти полимерные дисплеи потребляют минимальную мощность и читаемы под прямыми солнечными лучами, что делает их идеальными для всегда на носимых устройствах.

Последние инновации и будущие направления

Исследования в области добавления полимеров для гибкой электроники быстро развиваются, что обусловлено необходимостью повышения производительности, экологической устойчивости и новых функций.

Самоисцеляющиеся полимеры

Механические повреждения, такие как царапины, порезы или трещины, могут вызвать отказ устройства. Самозаживляющиеся полимеры включают обратимые динамические связи (например, водородные связи, дисульфидные связи), которые могут реформироваться после разрыва. Например, диэлектрик на основе полиуретана с самовосстанавливающимися свойствами может восстановить свою изоляционную функцию после прокола, значительно продлевая срок службы носимой изоляции и сенсорных слоев. Эти материалы все еще находятся на стадии исследования, но обещают прочные, долговечные устройства.

Биоразлагаемые и устойчивые полимеры

Электронные отходы вызывают все большую озабоченность. Набирает внимание разработка биоразлагаемых дополнительных полимеров, которые могут безопасно разлагаться после срока службы устройства. Поли (молочная ко-гликолевая кислота) (PLGA) и поликапролактон (PCL) представляют собой синтетические полимеры, которые гидролизуются в нетоксичные продукты. Исследователи изучают их в качестве субстратов и слоев инкапсуляции для переходной электроники, которая растворяется в организме или компосте в окружающей среде. Хотя эти материалы часто имеют более низкую термическую стабильность, их интеграция с гибкой электроникой может уменьшить воздействие на окружающую среду.

Растяжимая электроника с проводящими полимерными смягченными

Новые смеси эластичных полимеров (например, стирола-этилена-бутилена-стирола, SEBS) с проводящими наполнителями или внутренне проводящими полимерами достигают высокой растяжимости (>100% деформации) при сохранении проводимости. Эти материалы позволяют полностью растягиваемые схемы, которые могут быть интегрированы в одежду или непосредственно на кожу. Недавняя демонстрация неформальной электроники для медицинских пластырей является прямым результатом этого исследования.

Интеграция с IoT и умными текстилями

По мере того, как носимые устройства становятся миниатюрными, растет потребность в беспроводной связи и обработке данных. Добавление полимеров облегчает интеграцию антенн, датчиков и микроконтроллеров в ткани и гибкие пластыри. Проводящие нити, покрытые полимером, могут быть вшиты в одежду для создания чувствительных к деформации текстильных изделий. Уборочные машины на основе полимеров могут отбирать энергию от движения тела или градиентов температуры, позволяя носимым устройствам без батарей, которые передают биометрические данные на смартфоны. Сближение науки о полимерах, текстиля и беспроводной электроники прокладывает путь для действительно ненавязчивого мониторинга здоровья.

Заключение

Добавочные полимеры перешли от простых упаковочных материалов к основным компонентам в самых современных гибких электронных системах. Их присущая гибкость, прозрачность, электрическая изоляция и технологичность отвечают основным требованиям носимых устройств, которые должны быть удобными, надежными и технологичными в масштабе. От гибких подложек и слоев инкапсуляции до проводящих пленок, датчиков и хранения энергии, эти полимеры интегрированы почти в каждый слой носимого устройства. Продолжающиеся исследования в самоисцеляющихся, биоразлагаемых и растягиваемых вариантах обещают преодолеть текущие ограничения, позволяя устройствам, которые являются более прочными, устойчивыми и тесно интегрированными в повседневную жизнь. По мере созревания поля синтез новых дополнительных полимеров с точно настроенными свойствами будет продолжать разблокировать инновационные приложения, делая технологию почти невидимой, одновременно повышая возможности человека.