Giriş: Esnek Elektronikte Davranışlı Polimerlerin Yükselişi
Sert, sert elektronikten hafife, ayarlanabilir ve genişletilebilir cihazlara geçiş, modern mühendislikteki en dönüştürücü eğilimlerden biridir. Plastiklerin esnekliği ve prosesleri ile karakterize edilen ve yumuşak robot tutmaları için deriden itibaren, bakır veya indium tin oksit (ITO) gibi malzemeler için talep, bir sonraki elektriksel özellikleri birleştiren ve elektriksel devretmeler ile birlikte, bu devrimin önbelleklileri yetiştirmektir.
Davranışlı Polimerlerin Temel Kimyaları
Elektrik iletkenlerine Plastiklerden Elektrik Davranışlarına Geçiş
Kimyasal polimerler, tam tersine, konjugatedunkturlu bir çift bağlantı noktası (bir demetli }}-elektro sistemi oluşturan) polimerler, şarj taşıyıcıları tarafından tanıtılabileceği bir işlemden dolayı, yüksek çözünürlükte bulunan bir işlemden ayrılırlar.
Keymentive Polimer Aileleri
Çeşitli iletken polimerler aileleri gelişmiştir, her biri farklı özellikler ve uygulama nişleri ile:
- [FONT:0)Polyanline (PANI)) - Çevre istikrarı için bilinen ve asit/base doping yoluyla ülkeleri yürütmek için ülkeler arasında geçiş yapabilme yeteneği.MPI yaygın olarak korozyon koruma kaplamalarında, kimyasal sensörlerde ve antistatik filmlerde kullanılır, ancak ortak çözücüler için bilinen sınırlı çözünürlük işlemeyi zorlayabilir.
- [FONT=0)Poly pirrole (PPy))[Uygunluk ve orta iletkenlik (10-100 S /cm) PPy, elektrot yüzeylerinde doğrudan elektrokimyasal elektrotlar, sinirsel arayüzler ve ilaç teslim sistemleri için ideal hale getirebilir.
- [FONT:0)Polythiophenes (PEDOT:PSS dahil)[Dönetici:0)[tr|endüstriyel ilgili aile. Poly (3,4-pidioxythiophene) Basit (styrenesulfonate) ile komplekstir (PEDOT:PSS) su-dispersible, şeffaf ve yüksek performanslı bir film (toplayıcı)
- [FONT=0)Polyacetylene[[Dönetici: 1)) – Doğal olarak, doping üzerinde yüksek iletkenliği göstermek için ilk polimer olarak önemlidir (Kimyada 2000 yılında Ödül), ancak oksijen ve ne kadar yüksek hassasiyetleri sınırlı pratik uygulamalardır.
- [FONT:0]Emerging Systems - Donor-acceptor copolimers, policarbazole ve poliphenylenevinylene (PPV) son raporlarda 10 ).
Synthesis and Processing: Lab'dan Fabrication Line
Kimyasal ve Elektrokimyasal Yollar
Kimyasallar genellikle monomerlerin polimerizasyonu ile sentezlenirler. Kimyasal oxidasyon (örneğin, bir asit dopant ile bir gerilim kullanarak) bir miktar toz veya dağıtımlar, çözüm işleme için kesin kontrol sağlar. Elektrokimyasal polimerizasyon, diğer yandan, filmin mikrobiyolojik ve dopingli sensörleri ve elektrolitleri kullanarak doğrudan bir telkinasyona izin verir.
Esnek Altstrates için Çözüm İşleme
Esnek elektronik için, çözüm süreci kullanılabilir. PEDOT:PSS tipik olarak spin kaplama, sprey kaplama, slot kaplama veya inkjet baskısı ile, polietilen buharlı buharlı (PET), poliimide veya hatta kağıt olarak sağlanır.
Scaling Up: Printing and Roll-to-Roll Manufacturing
Laboratuvar prototiplerinden ticari ürünlere geçiş ölçeklenebilir üretime bağlıdır. Tesisat polimer inksler şimdi ekran baskı, flexography ve gravure baskı yöntemleri, rulo-to-roll çekme yöntemleri, büyük alanlarda esnek devrelerin üretimine izin verir ve diğer basılı parçalarla entegrasyon sağlar (örneğin, dielektrikler, yarı iletkenler) tamamen basılı elektronik sistemler için de gelişmiş buhar-fazlama yöntemlerine sahiptir.
Esnek Elektronik için Bu Makettif Polimerler Indispensable for Flex Electronics
Mekanik Uyum
Polimer zincirlerinin intrinsic esnekliği, iletken filmlerin 1 mm ve çekme baskıları olmadan% 20'nin ötesindeki yüksek gerilimlere dayanmasına izin verir - iletken elektronik, e-skin ve yumuşak robotları korurken, ITO kırıklıkları 1-2 olarak düşük olarak azaltılır.
Tunalı Elektrik Davranışı
Davranışlı polimerler geniş bir dizi davranış sunar: yarı iletkenlik (örneğin, 5.810) Bazı formülasyonlarda metaller (belirli ve düşük sıcaklık işlemesi (~10[FLT) gerekli olan birçok uygulama için çekici hale getirir.
Optik Transparency
PEDOT'ın İnce Filmleri:PSS, 100 GU /sq'ın altındaki sayfa direnişlerini korumak için görünür spektrumda% 90 iletance elde edebilir ve bunları ekranlarda esnek şeffaf elektrotlar, dokunmatik ekranlar ve güneş hücreleri için lider bir aday haline getirir.
Karma Ionic-Electronic
Birçok iletken polimer, özellikle PEDOT:PSS ve PPy, yüksek transkondüktör ve amplifikasyonların ve elektronların taşınması için bu özellik biyoelektronik arayüzleri için gereklidir, biyolojik dokularda iyon florelerin elektronik sinyallerine transaript edilmesi gerekir. Organik elektrokimya transistörleri (OECTs) bu karışık iletimden yüksek transkondüktörlük ve amplifikasyon elde etmek için bu karışık iletimden faydalanır.
Biyokompatability and Degradability
Birkaç iletken polimerler düşük ktooksisite sergiliyor ve tanımlanmış bir süre sonra ürünler tarafından zararsız hale getirilmesi için mühendisi olabilir.Bu, geçici veya biyoresorbable elektronik implantlar için kapıyı açar - tıbbi cihaz tasarımında hızla büyüyen bir alan.
Esnek Elektronik Cihazları Uygulamaları Uygulamaları
Esnek sensörler ve giyilebilirler
Mekanik polimerler, esnek yamalar veya tekstiller için entegre edildiğinde yaygın olarak kullanılır. PEDOT:PSS film değişiklikleri mekanik deformasyon altında tahmin edilebilir, ortak açılardan tespit, nefes kalıpları veya radyoper puls tespiti, düşük maliyet ve uyumluluk için uygun hale getirir.
Ekranlar ve Organik Optoelektronik
Organik ışık-ilaç diyotları (OLEDs), iletken polimerler delik ve ulaşım tabakaları olarak hizmet eder, cihaz verimliliğini ve yaşam süresini geliştirir. PEDOT:PSS genellikle anode yüzeyinin düzgün ve şarj enjeksiyonunu ITO veya metal elektrotlardan artırır. Esnek aktif-matrix ekranları -şimdi katlanabilir telefonlar ve yuvarlanabilir televizyonlarda ticarileştirilmiş - polimer bazlı elektrotlar üzerinde çalışır.
Enerji Depolama: Superkapors ve Piller
Pseudo kapasitek malzemeler panjur ve plastikler gibi şarjlar hızlı kırmızıox tepkileri olmadan, yüksek spesifik kapasitanslara (400-800 F /g) ulaşmada, ince filmler veya karbon nanomalzemelerle birlikte kalırken, esnek süper kapasiteliler tekstil veya kağıt substratlar, katı bileşenler olmadan kullanılabilir.Instive polimer elektrotları termo-iyon veya sodyum iyon aküler mekanik esneklik ve hız kapasitesinde avantaj sağlarlar.
Türbeler ve Yumuşak Robotik
Bir gerilim uygulandığında, bazı iletken polimerler (örneğin, PPy, PEDOT) ion veya ekstraksiyon nedeniyle geri dönüşümlü bir polimere geri dönüşerek geri dönüşümlü olarak geri dönüşler yapar ve küçük nesnelere kadar güç üretirler. Düşük hareket gerilimi (1-5 V) ve sessiz operasyon onları biyomedikal ve insan-interaktif polimerler için çekici hale getirir.
Elektronik Cilt ve Neural Interfaces
Sürekli sağlık izleme, cilt için samimi olarak uygun elektronik talep eder.Serbest polimer elektrotlar biyopotansiyelleri ölçtüler (ECG, EMG, EEG) daha düşük hareket eserleri ve sabit jel elektrotlarından daha iyi sinyal kalitesi gösterir. Elektronik cilt (örneğin, basınç, sıcaklık ve su geçirmez sensörler, polimer transistörlerden inşa edilmiş ve interconnectler, prosthetics ve robotikler için tactile algılar.
Overcoming Performance Challenges
Önemli ilerlemeye rağmen, iletken polimerler hala yaygın endüstriyel kabul için ele alınması gereken kısıtlamalarla karşı karşıyadır.
- [FONT=0)Conductivity vs. Metals[Dönetici: En yüksek prist polimerlerin ( metal katkılarından) esneklik verirken, yüksek çözünürlükte bulunan hibrid kompozitler için hala bir miktar daha düşük.
- [FONT:0)Environmental Stability[Dönetici: Oksijene karşı Exposure, nefse ve UV radyasyonu, konjugated back Bone'u, iletkenliklerde uzun süre boyunca bir damlaya yol açabilir (örneğin, radikal scavengers) araştırma alanlarıdır.
- [FONT:0]Mechanical Durability): Tekrarlanan bükme veya germe, özellikle kalın filmlerde, kendi kendine özgü polimerler – dinamik kovalent bağlar veya supramolecular etkileşimleri – özellikle de elektrik yolları geri yüklemesine yol açabilir.
- [FONT:0)Reproducability and Scalability[Dönetici: Achieving üniforma film kalınlığı, doping ve morfoloji büyük alanlarda mevcut baskı teknolojileri ile zorlu kalır.Scalability in in ink toplu, substrat kabalığı ve kurutma koşulları, uygun olmayan cihaz performansına yol açabilir.
Araştırmacılar bu konuları moleküler mühendislik yoluyla ele alırlar (örneğin, yüksek çözünürlükte 4,3'ün üzerinde yüksek çözünürlükte kullanılmaktadır), plastikleştiriciler ve kompozit malzemeler geliştirmek için. Örneğin, PEDOT:PSS ile iyonik sıvı katkı maddeleri ile birlikte yüksek kullanılabilirlik ile birlikte 4.000 S /cm'i elde etmiştir.
Son zamanlardaki Breakthroughs ve Emerging
Alan malzeme tasarımı ve cihaz entegrasyonunda yeniliklerle hızlanmaya devam ediyor.
- [FONT:0)Kendi doğaçlamaları[[Döneticileri)[[[Dönlendirmeler)) tarafından yeniden düzenlenebilecek polimerler, geri dönüşümlü tahviller kullanılarak geliştirilmektedir (örneğin, hidrojen bağlar, metal-ligand etkileşimleri). Bu malzemeler talep edilen ortamlarda giyilebilir elektroniklerin ömrünü uzatabilir.
- [FONT:0)Bioresorbable Electronics[Dönetici: Tanımlanmış bir dönemde vücutta güvenle alınan polimerler geçici implantlar için test edilir - post-surgical monitörler veya ilaç-delivery sistemler gibi - yenidentrieval. cihazlara dayanan.
- [FONT:0) Çok fonksiyonel Fiberler[[Dönetici: 1): Yönelme teknikleri ile iletken polimerleri birleştirerek, araştırmacılar aynı anda sensörler, eylemciler ve veri iletim hatları olarak hareket eden fiberler yarattılar. Bunlar gerçekten de sert bileşenler olmadan tekstillere dokunulabiliyorlar.
- [FONT=0)Neuromorphic Computing): Biyokimyasal polimerlere dayanan Organik elektrokimya transistörler, yapay sinir ağları için düşük güç donanımını sunabilir.
- [FONT:0) İleri Üretim[DÜT:1]: 3D Modelli polimer hidrojektelerinin ve aerosol jet baskılarının baskılanması, esnek cihazların geometrik karmaşıklığını genişletiyor, özelleştirilmiş, hastaya özel implantlar veya uygun antenler sağlıyor.
Çevre ve sürdürülebilirlik
Elektronik endüstri e-zarar ve kaynak kesintisi ile karşı karşıya kaldığı için, iletken polimerler yeşil teknolojilere doğru farklı bir yol sunar. Birçok davranışçı polimerler yenilenebilir monomerlerden sentezlenebilir veya hafif koşullar altında bozulabilir. Örneğin, polithiophene türlerinden elde edilen nanoparçacıklı elektronikler, organik polimerler tarafından çözülebilir ve PEDOT:PSS, polimerler tarafından sertleştirilmiş olarak kabul edilebilir bir şekilde incelenebilir.
Future Outlook: Ubiquitous Flex Electronics
Elektronik endüstrisi sürdürülebilirliğe doğru hareket ettikçe, iletken polimerler kişisel tıp için çekici bir son derece kaliteli bir profil sunar: maliyetleri dramatik bir şekilde azaltan biyodegradasyon veya daha kolay geri dönüşüm için kullanılabilir. tamamen basılı, tek kullanımlık elektronik etiketleri, kişiselleştirilmiş tıp için on-skin sağlık monitörleri, ve büyük hacimli esnekler gerçeklik haline gelebilirler, maliyetleri dramatik olarak azaltan baskı hatlarıyla desteklenebilirler.
Devam eden araştırmalar, metallerle daha fazla iletken boşluk kapatmayı hedefliyor, belki de nano ölçekli polimer zincirleri hizalayarak veya dopant dağıtımını kesin kontrol altına almak için makine öğrenimi, organik doğa ve kurulmuş güvenlik profili ile ilgili yeni polimer formülasyonlarının keşfini hızlandırıyor.
Bu malzemelerin entegrasyonu tüketici gadget'ların ötesine uzatacaktır. Esnek fotovoltaik filmler artık katı olmayan, ayrı varlıklar ve yüzeylerin doğal bir uzantısı, giysilerin ve canlı dokuların izlenmesine yardımcı olacaktır.