Esnek Elektronik Cihazları için Davranışlı Polimerlerin Özellikleri

Esnek Elektronik Cihazları için Davranışlı Polimerlerin Özellikleri

Davranışçı polimerler, metallerin elektrik özelliklerini son üç yılda birleştirebilen eşsiz bir organik malzemeler sınıftır. Plastik iletkenlerin aksine, bu polimerler, giyilebilir sensörlerin, sabit görüntülerin ve yumuşak robotların kontrol edilebilmesini sağlarken, elektrik performansıyla ayarlanabilir ve sonraki üç yıl boyunca, iletken polimerlerin temel elektronik bölümlerdeki bileşenleri etkili hale getirmelerini sağlar.

Davranışlı Polimerlerin Anahtar Özellikleri

Davranışlı polimerlerin neden esnek elektronik için uygun olduğunu anlamak için, öncelikle davranışlarını yöneten temel özellikleri kavramalıdır.En kritik özellikler - elektriksel iletkenlik, mekanik esneklik, süreçlenebilirlik ve çevresel istikrar - ilgili ve sık sık malzeme kimyası ve cihaz mühendisliği ile ilgili olarak dikkatli bir optimizasyon gerektirir.

Elektriksel Davranış

Modelleme polimerlerin rakip işareti, poliacetylene, polianiline (PANI) ve polikliniği (PP) ile polimer arka kemiği boyunca yüksek çözünürlükte (PEDOT) yarı iletken aralığında ([DD) davranışçı polimerler (PANI) ile 10.

Mechanisms ve Tunability

Davranışlı polimerler için modelleme kimyasal yöntemlerle sınırlı değildir; elektrokimyasal doping, fotoindüklenmiş doping ve hatta mekanik doping, tam olarak doping seviyesini kontrol etme yeteneği, tipik olarak% 0.1 ve% 30'luk monomer birimleri arasında, mühendislere özel uygulamalar için iyi bir şekilde yardımcı olur. Bu tunability, kompozisyonları tarafından sabitlenmiş olan organik polimerler için önemli bir avantajdır. Örneğin, organik fotovoltaikler için uygun malzeme verimini kontrol etme yeteneği, yüksek doping seviyelerinin% 0.1'si elektrotiğe ve interconnectasyona sahiptir.

Şarj Ulaşım Mekanizmaları

Modelleme polimerlerde şarj taşımacılığı hem de konjugated back Bone ve interchain, polimer filmlerinin morfolojisi arasında umut verici bir bağlantı oluşturur - Kristalize sınırları ve dopant karşıtlığı varlığı - PEDOT:PSS, örneğin, PEDOT-rich ve PSS-rich bölgeleri arasındaki ayrımı, yüksek iletkenliklerdeki yüksek devrelerin ve optik devrelerin çıkarılmasında daha fazla iletkenlik sağlar.

Mekanik Flexability ve Durability

Flexability, iletken polimerlerin birkaç milimetreden fazla ısıtılmasının belirleyici avantajıdır.Bu mekanik uyumsuz kristal mimarisinden farklı olarak, zincir segmentlerinin kovalent tahvilleri olmadan tekrarlamasına izin verir.

Dalış ve Performansı

Esneklik için temel ölçüm, elektrik direncinde mekanik deformasyon altında değişikliktir. Devlet-of-the-art PEDOT:PSS filmleri, 5 mm'nin bir yarıda 1000 bükülmeden sonra dirençte %10 artış gösteriyor.En son olarak uygulanabilir uygulamalar için, elastomerik karışımlar genellikle işlevselliğe dayanan ağların bir araya gelebileceği gibi, optik olmayanlar da eklenmeden birleştirilebilir.

Fatigue Life ve Self-Healing

Uzun süreli operasyonel dayanıklılık, sürekli hareket etmeye devam eden giyilebilir polimerler ve tıbbi implantlar için kritiktir. Davranışlı polimerlerde yağ direnci moleküler ağırlık, bağlantı yoğunluğu ve dinamik bağlar varlığı. Bazı iletken polimerler artık kendini-healing kimyagerleri içerir - bu tür hidrojen bağ veya metal-li koordinasyon - örneğin mikrokratların otonom olarak onarımına izin verir.Örneğin, kendi bazlı bir kompozit bağlar.

Süreçability and Fabrication

Davranışlı polimerlerin en çekici avantajlarından biri, baskı, esneklik ve sprey ayrıştırma yöntemleri ile uyumluluklarıdır. Metal oksitlerin aksine, tipik olarak vakum ayrıştırma ve yüksek sıcaklık ekleri, iletken polimerler baskı kullanarak bir veya organik çözücülerden depolanabilir.Bu, esnekliğin üretimini azaltır ve büyük ölçüde azaltır.

Çözüm İşleme ve Scalability

PEDOT:PSS, mükemmel işlem kabiliyeti nedeniyle en ticari başarılı polimerdir. Bu, sudaki stabil dağıtımları oluşturur ve daha sonra dönüştürülmüş olan öncü polimerler aracılığıyla yazdırılabilir.Diğer iletken polimerlerin on ikisine kadar baskı yapar, polianiline ve polipirole gibi, daha az çözünürlükte üretilir.[0)

Doğrudan Desen ve 3D Baskı

Geleneksel baskının ötesinde, gelişmiş üretim teknikleri, esnek elektronik için tasarım alanını genişletmektedir. Lazer tarafından üretilen forward transfer, maskeler veya işlem sonrası polimerlerin oluşturulmasına olanak sağlar. Ayrıca, iletken polimerler hem mekanik destek hem de aşınma için filamentlere eklenebilir.Bu işlem ve işlevsellik, bir sonraki tamamen özelleştirilmiş elektronik işlevselliğin oluşturulmasına olanak sağlar. Örneğin, araştırmacılar her iki mekanik destek olarak baskılanabilir iletken polimer substratlar olarak basılabilir.

Çevre İstikrar ve Degradasyon

Gerçek dünya ortamlarındaki uzun vadeli performans, oksijen, nem, UV radyasyonu ve sıcaklık dalgalanmaları için dirençlerine bağlıdır. Erken işlemsel polimerler, örneğin, hava kirliliğine maruz kalma saatler içinde belirgin bir şekilde sabit bir ilerleme kaydediliyorlardı. Ancak, nemli koşullardan daha az hassas olan nanoparçacıklı polimerler, su kirliliğinden korunmaya neden olabilir. Modern PEDOT:PSS, örneğin, kuru bir ortamdaki atmosfer koşullarından binlerce saat boyunca stabil iletkenliği koruyordu.

Encapsulation and Barrier Katmans

Çevresel bozulmayı azaltmak için, esnek elektronik cihazlar genellikle 10 ^{) altında bulunan ince film enkapları içerir.In addition, polimerin kendisi paryle gibi organik bariyer katmanları tarafından şarj edilebilir. Örneğin, bu engeller su buhar iletim oranlarının 10'u altında azaltılabilir) -5 ) -5 [Düzükler için yeterli miktarda değiştirilebilir ve çoğu tüketici uygulamaları için uygundur.In addition, polimerin kendisi stabilizasyon için gerekli olan yüzeyler için kullanılabilir.}

Degradasyon Mechanisms ve Mitigation Strategies

Davranışlı polimerlerde yapılan mezuniyet genellikle iki rotayla devam eder: Bu, polistyrene sulfonat (PSS) veya camforsulfonik asitin kaybı veya reaksiyonları nedeniyle, polimer matrisleri karşı koymak için iyonlar zorlanır ve bunları bir jel ağının kullanımını da dahil etmek için de zorlayan bir formüldür.

Anahtar Malzeme Sistemleri

Yüzlerce iletken polimer sentezlendi olsa da, sadece birkaçı esnek elektronik için ticari olgunluğa ulaştı. Aşağıdakiler en yaygın incelenmiş ve kullanılan materyal aileleri, her biri ayrı mülk profilleriyle.

PEDOT:PSS

Poly(3,4-pisidoxythiophene) polistyrene sulfonate (PEDOT:PSS) esnek şeffaf elektrotlar, antistatik kaplamalar ve organik elektronik. yüksek iletkenlik (ondan 3000 S / cm'ye kadar) ince filmlerde mükemmel şeffaflık (>% 90) ve rulolar için seçim materyali yapar.

Polyaniline (PANI)

Polyaniline, gaz sensörleri, süper kapasiteleri ve elektromanyetik müdahale mekanizması için değerlenir.Panorik çözümlerden ve orta iletkenlik (daha fazla S /cm) ve 300 °C'ye kadar mükemmel ısıtılabilir.PEDOT'a kıyasla daha düşük maliyetle karşılanır.PSS, şeffaflık gerektiren büyük uygulamalar için çekici hale getirir.

Poly pirrole (PPy)

Poly pirrole, en eski iletken polimerlerden biridir ve elektrokimyasal sentez ve iyi çevresel istikrar kolaylığı ile bilinir.Bu, taşıyıcılarda, yapay kaslarda ve pamuk ve polyester fiberler nedeniyle cilt değişiklikleri yapmak için kullanılabilir. PPy filmleri tipik olarak 1-100 S/cm aralığında iletkenliği, dopant ve sentez koşullarına bağlı olarak. Biocompatability ve flütebilirlik ve polyester fiberler gibi esnek substratlar üzerine depolanabilir sağlık monitörleri ve akıllı tekstiller için uygun hale getirir.

Diğer Notable Systems

Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) yüksek şarj taşıyıcı hareketliliği (p 0.1 cm2/V·s) ile yüksek çözünürlükte bir çözünürlükte kullanılan ve organik fotovoltaikler ve alan-son transistörler olarak kullanılır.PEDOT:PSS, mükemmel optoelektronik özellikleri ve süreci kabiliyeti yüksek derecede yüksek derecede sağlam bir elektrotiğe sahiptir.

Esnek Elektronik Uygulamaları Uygulamaları

Elektrik iletkenliği, mekanik esneklik ve çözüm süreciability'in eşsiz kombinasyonu, geniş bir esnek elektronik uygulamaları nüfuz etmek için iletken polimerler etkinleştirdi. Aşağıda en etkili ve hızla büyüyen alanlardan bazıları.

Giysilenebilir Sağlık İzlemeleri

Örneğin, PEDOT:PSS elektrokardiogram (ECG) ve elektromiogram (EMG) düşük ses ve yüksek sinyal-to-noise oranı ile donatılmış sinyalleri tespit edebilir. Örneğin, PEDOT:PSS elektrotlar tekstil veya cilt yamalarını izlemek için baskı ve su geçirmez sensörleri, iletken termoelektrik jeneratörleri kullanarak vücut hareketlerinden enerji alan ve yüksek sinyal-boelektrikli nanoerteratörlerden elde edilebilir sensörler içerebilir.

Esnek Ekranlar ve Aydınlatma

Organik ışık-uygun diyotları (OLEDs) şarj taşıyıcılarını verimli bir şekilde enjekte etmek için şeffaf bir iletken elektrotlara güvenir.Indium tinoxy (ITO) şu anda iki yüksek iletkenlik ve mekanik sağlamlığa ulaşmak için standart kalır.

Enerji Depolama ve Dönüşüm

Esnek piller ve süper kapasitetörler, yüksek kapasiteyi korumak için mekanik deformasyona sahip olabilecek iletken polimer elektrotlardan yararlanırlar. Polyaniline ve PEDOT:PSS genellikle süper kapasiteye sahip elektrot malzemeler olarak kullanılırlar, çünkü p3HT'e dayanan esnek güneş hücreleri, bina malzemeleri veya elektronik taşınabilirliği elde edebilir.

Akıllı Tekstiller ve Giyilebilir Güçler

Davranışlı polimerler kumaşlara entegre etmek, "akıllı tekstiller" algılayabilme ve iletişim kurma yeteneğine sahip olur. Polypyrrole-coated pamuk sergileri negatif elektrotlar için yeterince düşük, PEDOT:PSS-coated polyester, küçük bir elektronik cihaz için yeterince dirençli bir ısıtıcılar oluşturmak için kullanılabilir.Son araştırmalar, sıradan bir tekstil bazlı bir bataryayı kullanarak, normal kıyafetlerden ve alüminyum kaplama kumaş olarak giyilebilir.

Mevcut Zorluklar ve Gelecek Yollar

Birçok avantajlarına rağmen, iletken polimerler, bakırda yaygın olarak kabul edilmek için üstesinden gelmek için birkaç engelle karşı karşıyadır (x810^{) Metal ve karbon nanomalzemelere kıyasla nispeten düşük elektrik iletkenliğidir.PEDOT:PSS, metal nanoteller, grafiklere, karbonatlara, özellikle de yüksek iletkenliklerin birleşimine karşı dayanıklı ve dayanıklı olmayan bir şekilde devam eden polimerler için iletkenlik sağlar.}

Maliyet ve ölçeklenebilirlik de endişeler olarak kalır, özellikle de karmaşık sintezler veya egzotik monomerler gerektiren iletken polimerler için, bu da operasyonel yaşamlarından sonra güvenle çözülebilir ve yapay zekanın optimum özelliklerini optimize eden yeni polimer yapılarının keşfine yardımcı olur.

Özetle, iletken polimerler kendilerini esnek elektronik cihazlar için çok yönlü bina blokları olarak kanıtlamışlardır, esnek, uygun ve sürdürülebilir elektroniklerin geleceği şekillendirmede eşsiz bir rol oynayabilirler.