Esnek elektronik cihazlar hızla tüketici elektronik, sağlık ve endüstriyel algılama alanını değiştirir. Esnek elektronik cihazlara uygun olan derileri katlanabilir akıllı telefonlar ve yuvarlanabilir ekranlara uygun olarak, bu cihazlar, performansları olmadan tekrarlanan malzemeleri talep eder ve karmaşık bir şekilde tekrarlanırlar.Bu nedenle, uygun malzemelerin seçimi, bu nedenle, esnek elektronik ürünlerin kullanımı için pazar, esnek elektroniklerin yaygınlaştırılması için kritik bir bakış sunar - 2030 yılına kadar 70 milyar dolar artırmayı talep eder - malzeme ve malzeme bilim adamları ve malzeme bilim adamları ve malzeme değişikliklerinin yanı sıra, elektrik performansı, dayanıklılık ve maliyetle ilgili olarak, bu makale, elektronik olarak kullanılan elektronik ve maliyetle ilgili temel özellikleri genişletir.
Esnek Elektronik için Anahtar Malzeme Özellikleri
Esnek elektronik cihazlar için tasarlanmış malzemeler, mekanik, elektrik ve çevresel özelliklerin eşsiz bir kombinasyonunu sergilemelidir. Geleneksel katı elektronikler, sertlik ve termal iletkenlik önceliklendirirken, esnek sistemler genellikle çelişkili olan özellikleri gerektirir - yüksek kapasiteli yüksek iletkenliği anlamak için önemlidir.
Flexability and Bend Radius
Flexability, bir malzemenin, 1 mm'den daha az radıygar veya aşağılayıcı olmadan bükme yeteneği anlamına gelir. Esnek cihazlar için, minimum viraj yarıçası - en küçük bir malzemenin birkaç mikrometreye kadar incelendiğinde sadece milimetrenin üzerinde eğilebilir.
Değişkenlik ve Elastic Recovery
Elastik bir malzeme bükmekten farklıdır, ancak genişletilmiş bir malzeme, elektronik cilt olarak gömülür ve aşınma edilebilir su sensörlerinin% 50 veya daha fazla malzemeye eklenebilir. Malzemelerin ayrıca elastik iyileşme göstermesi gerekir - deformasyondan sonra orijinal boyutlara geri dönme yeteneği - kalıcı mekanik hasardan kaçınmak.Eksiyonel ağlar gibi, elastomerlerde gömülü olarak, iletkenliği korumak için% 100 susabilir.
Mekanik Strain altında Elektriksel Davranış
Bir malzeme elektrik iletkenliği genellikle iyi veya genişletildiği zaman değişir. Güvenilir cihaz çalışması için, güçlü bağlantılar ve esnek devrelerde elektrotlar için güçlü adaylar yapmalıdır. Metal filmleri, yüksek iletkenler, grafikler gibi çatlaklarda çatlaklarda çatlaklarda çatlaklarda çatlaklara eğilimlidir.
Termal Stability ve Co effective of Thermal expand
Esnek elektronik, üretim sırasında sıcaklık varyasyonlarına dayanmalıdır (örneğin, satılan, ek olarak) ve operasyon. Yüzeyler arasındaki polietilen beton (PET) deform 70-80°C, yüksek sıcaklık proseslerinde kullanımlarını sınırlandırabilir. Polyimide, diğer yandan, 300 °C'yi aşarak, bu riski kullanarak ısınabilir.
Moisture ve Oksijene karşı bariyer özellikleri
Birçok esnek cihaz - özellikle organik ışık-eating diyots (OLEDs) ve organik fotovoltaikler - nem ve oksijene karşı son derece hassas olmalıdır. Perme oranları, cihaz uzunluğu sağlamak için son derece düşük olmalıdır. bariyer filmlerinden, genellikle alternating katmanların (örneğin, Al2O3, SiO2) ve organik polimerler için zor bir hedef, gerekli koruma sağlar.
Yaygın Alttaş Malzemeler
substrat esnek bir elektronik cihazın mekanik temeli olarak hizmet eder. Esnek, pürüzsüz ve sonraki işleme adımları ile uyumlu olmalıdır. Birkaç substrat materyali sınıfları yaygın olarak kullanılır.
Polimer Altstrates
Polimer filmleri düşük maliyet, hafif doğa ve işleme kolaylığı nedeniyle esnek substrat pazarına hükmediyor. Ortak seçimler şunları içerir:
- [FONT:0)Polyimide (PI): ) Mükemmel termal istikrar (400 °C'ye kadar), iyi kimyasal direnç ve yüksek çekme gücü. Yüksek sıcaklık işleme ve esnek baskılı devreler için kullanılır (FPCBs).
- [FONT:0)Poly ESP Terephthalate (PET): [Dönetici: 0:0) Düşük maliyet, iyi optik şeffaflık ve orta esneklik. 80°C civarındaki en yüksek hizmet sıcaklığı, kullanımlarını düşük sıcaklık proseslerine sınırlar.
- [FONT=0)Poly ESP Naphthalate (PEN): [Dönetici: 0,5C'ye kadar) PET'den daha iyi ısı direnişi (Dört boyutlu stabilite için bir substrat olarak kullanılır.
- [FONT=0)Polydi Meselfo (PDMS): [DÜT:1) Aşırı dönüştürülebilirlik (yüzde 500'e kadar) ve biyokompatlanabilirlik için kullanılır.
Metal radyatörler
İnce metal folyolar (örneğin, paslanmaz çelik, alüminyum, bakır) mükemmel termal iletkenlik, hismetic engeller ve yüksek sıcaklık toleransı sunar. esnek güneş hücreleri ve yüksek güç esnek elektronikte kullanılırlar. ana sınırlaması çok ince olmalıdır; folyolar anlamlı esneklik elde etmek için çok ince olmalıdır ve yüzey kabalığı planlayıcılığı gerektirebilir.
Kağıt ve Tekstil Altstrates
Kağıt tabanlı substratlar ucuz, biyodegrad edilebilir ve akıllı paketleme ve teşhis testleri gibi tek kullanımlık elektronikler için uygundur. tekstil substratları, dokuma ve dokunma kumaşlar dahil, gerçekten giysileri entegre ederek elektronikleri giyebilir.Bu substratlar yüzey kabalığı, nemsiyonu ve boyutsal stabilite eksikliği gibi sorunlar sunar.
Esnek Devreler için malzeme
Davranışlı malzemeler elektrik sinyalleri ve esnek cihazlarda güç taşır. onların seçimi gerekli iletkenlik, mekanik uyumluluk, süreç uyumluluk ve maliyete bağlıdır.
Metalik İnce Filmler ve Nanoyapılar
Gümüş, bakır ve altın gibi metaller, yüksek elektrik iletkenliği sağlar. ince filmler (tipik olarak 10-100 nm kalın) ve esnek bir substratla birlikte, tekrarlanan veya sıkı bükme altında, çatlaklar formunu oluşturmak için.To improve Flex, Metal nanoteller -özellikle de gümüş nanoteller - popüler bir alternatif olarak, percolasyon ağları şekillendirilir.
Karbon bazlı malzemeler
Karbon allotropes iletkenlik ve esneklik arasında zorlayıcı bir ticaret sunar:
- [FONT:0)Graphene: [DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTÜSİAD: [DÜDÜDÜSTÜSİAD: 0:1] Son derece yüksek taşıyıcı hareketliliği ve teorik şeffaflığı olan karbon atomlarının tek bir katmanı. Kimyasal buharlaştırma (CVD) yüksek kaliteli filmler üretir, ancak esnek substratlara transfer etmek zorlanır.
- [FONT:0)Carbon Nanotüps (CNTs): Her iki tek duvarlı (SWCNT) ve çok duvarlı (MWCNT) nanotüpler, sabit filmlere göre çözümlenebilir ve germe altında kullanılabilirler ve elektrotlar, ve esnek transistörler olarak aktif kanal malzemeleri olarak kullanılabilirler.
- [FONT:0)Carbon Black:[Dönetici: Düşük maliyetli bir dolum, plastik ve elastomerler, iletken kompozitler oluşturmak için kullanılır. Davranışlar metallerden veya CNTs'den daha düşük, ancak baskı sensörleri ve antistatik kaplamalar için uygundur.
Davranışlı Polimerler
PEDOT:PSS (poli(3,4-pidioxythiophene) polistyrene sulfonate) intrinsically esnektir ve çözümden yazdırılabilir. PEDOT:PSS, esnek kablolar ve solar hücreler için şeffaf bir elektrode kullanılır.
Sıvı Metaller
Gallium tabanlı sıvı metaller (örneğin, eutectic galium-indium, EGaIn) oldukça yoğun bağlantılar için umut vericidir. Oda sıcaklığında sıvı durumda kalırlar, sınırsız deformasyona izin vermeden doğrudan kanala veya baskıya enjekte edilebilirler.
Dielektrik ve Enkapsülasyon Malzemeler
Kombinasyon ve substratların ötesinde, esnek elektronik, transistörler için kapı dielektrikleri gerektirir, devre izlerinin arasında tabakalar ve koruyucu encaplarülasyon. Dielektrik malzemeleri esnek, pin demsiz ve yüksek bozulma gücü vardır.
- [FONT=0)Polymer Dielektrikler: [Dönder: [Dönder: 1) Katı (ortalama) (PMMA), polivinydene fluoride (PVDF), ve parylene düşük sıcaklıklarda çözüm işlemez.
- [FONT:0) Yüksek Inorganik Dielektrikler: [DÜDÜT:1] Al2O3'ün İnce tabakaları, HfO2 veya ZrO2 atom tabakaları tarafından depolanır (ALD) yüksek kapasiteli yoğunluk ve iyi bariyer özellikleri sağlar; ancak bu oksitler sert bir bükme altında gelişebilir.
- [FONT:0)Encapsulation Katmanlar: [Dönetici: 0D: 1] Miktar ve oksijen ingresyonu önlemek için, çok katmanlı bariyer filmleri işe alınır. Ortak bir mimari, ezilmiş Al2O3 ve UV destekli acrylate polimer katmanlarıdır.
Materyal Seçme ve Bütünleştirmede Meydanlar
Mevcut malzemelerin geniş yelpazesine rağmen, onları güvenilir bir esnek cihaza entegre etmek birkaç zorluk sunar.
Katmanlar arasındaki bağlantılar
Esnek cihazlar birden çok tabakadan oluşuyordu, yüzey tedavilerine (örneğin, oksijen plazması, silane ajanlar) sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık bükülme ve termal bisiklete karşı koymaya devam etmelidir. Zavallı adhesion, bu da cihazın başarısızlığına yol açıyor.
Mekanik Fatigue ve Cracking
Tekrarlanan bükme veya germe metalik filmlerde ve brittle oksitlerde yorgunluka neden olur. Microcracks binlerce döngüyü ortaya çıkarır, sonunda elektrik sürekliliğini yok eder. yorgunluk mekanizmaları ve güçlendirici tasarımları benimseme - dalgalar veya nötr uçak pozisyonu gibi - uzun vadeli güvenilirlik için gereklidir.
Scalability and Manufacturing Cost
Birçok gelişmiş malzeme (örneğin, grafikene, hizalanan CNTs) ölçeklendirmek için pahalıdır. Roll-to-roll üretimi, geniş alanlarda kaplanabilir veya basılı olabilir. Sıcaklık, çözücü uyumluluk ve tedavi süresi gibi süreçler, seçilmiş substratlarla uyumlu olmalıdır. Örneğin, PET metal oksit yarı iletkenleri için gerekli olan yüksek ek sıcaklıklara dayanamaz.
Çevre İstikrarı ve Zehirlilik
Bazı malzemeler ortam koşullarında bozulabilir. PEDOT:PSS hiposkopikdir ve geleneksel seçeneklerin arkasındaki performansları hala artabilir. Ayrıca, toksik veya nadir elementlerin kullanımı (örneğin, ITO'da) sürdürülebilirlik endişelerini artırır. Araştırmayı biyodegrad edilebilir ve biyo-konomiktik olarak hızlandırılabilir.
Karakterizasyon ve Test Yöntemleri
Malzemelerin esnek elektronik talepleri ile tanışmasını sağlamak için, titiz test protokolleri kullanılır. Standart mekanik testler şunları içerir:
- [FONT:0)Bend Test:[Dönetici:[Dönetici: 0,2 mm) ve elektrik direnci daha önce ölçüldü ve bükmeden sonra (örneğin, 100.000 tekrar) yorgunluk değerlendirmek için.
- [FONT=0]Stretch Test:[Dönetici:[Dönekli veya piyonel germeyi izleme ve çatlakları izlemeden önce en yüksek elongasyon ve sayfa direnişi (R/R0) rapor edilir.
- [FONT=0)Adhesion Test:[Döntme:[Döntgen: 0) Bant kabuğu testleri veya çiz testleri tabaka adhesionini ölçmektedir.
- [FONT:0)Barrier Performansı: [Dönetici: [Dönetici: [Düzücük Performansı: [Dönetici: [DüzDÜT: 1) Gıda test veya elektrik kalsiyum bozulma testi WVTR ve oksijen iletimi oranı (OTR).
- [FONT:0) ⁇ Analizi: [DÜDÜT:1] Termo-mekanik analiz (TMA) ve ayırıcı tarama calorimetri (DSC) cam geçiş ısısını, CTE ve termal stabiliteyi belirlemektedir.
Bu yöntemler, materyal geliştiricilerinin mevcut standartlara karşı yeni kompozisyonları karşılaştırmasını ve kullanım koşulları altında cihaz ömrünü tahmin etmesini sağlar.
Future Yol ve Gelişen Malzemeler
Esnek elektronik alanı hızla gelişmektedir, yeni malzemeler ve konseptler mevcut sınırlamaların üstesinden gelmek için hazırlanıyor.
Kendi kendine özgü malzemeler
Biyolojik sistemler tarafından ilham alın, kendi kendine özgü polimerler ve iletkenler mekanik stresden zararları onarabilir. Dinamik kovalent bağlar veya supramolecular etkileşimleri, ısı, ışık veya nemser metal mikrobülleri dış uyaran bir polimer matris yaklaşımı ile kapatmaları sağlar.
Biyodegradable ve Sürdürülebilir Elektronik
Çevre endişeleri, kullanımdan sonra bozulabilecek esnek elektroniklerin geliştirilmesini sağlıyor. Hücresel, ipek veya polilactic asit (PLA) özellikle tıbbi implantlar ve çevresel sensörler için umut verici olabilir.
3D-Yazdırılmış Esnek Elektronik
Inkjet baskı, aerosol jet baskı ve doğrudan ink yazma dahil olmak üzere, esnek devrelerin hızlı prototiplenmesi ve özelleştirmesi sağlar.Inkjet baskı, aerosol jet baskı ve direkt baskı, aynı zamanda 3D yüzeylerdeki konforsal sensörler gibi elektroniklerin entegrasyonuna olanak sağlar.
Çığlı Piller ve Enerji Veterinerleri
Güç gerçekten de esnek olmayan cihazlar için bir şişenck kalır. yılani- veya ada-bridge mimarlıkları esnek enerji depolamaları için söz veriyor gibi çizilebilir bataryalar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Esnek elektronik cihazlar için uygun malzemeler seçmek mekanik uyum, elektrik performansı, termal stabilite, bariyer özellikleri ve manufacturability. Polimerler, metaller, karbon nanomalzemeler ve iletken polimerler her bir teklif farklı avantajları sunar, ancak tek bir malzeme tüm gereksinimleri karşılar. Başarılı cihaz entegrasyonu genellikle dikkatli bir şekilde pompa mühendisliğine bağlıdır - implante edilebilir malzemelerden gelen daha iyi üretim yapan ve hassas bileşenlerinin en iyi şekilde kullanılmasını sağlar.