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基于刚度可编程衬底的柔性电子制造

发布时间:2018-11-08 访问次数:303次 来源:高分子科学前沿 分享:

传统的柔性电子制造首先在硅片上制备器件功能层,然后将其转印到柔性可拉伸衬底,得到柔软、可延展的特殊电子器件。但受限于转印方法的效率和可扩展性,目前依然没有一种切合实际的柔性电子商业化制造方法。

清华大学航天航空学院的冯雪教授和浙江大学化学工程与生物工程学院的谢涛教授团队合作研发出一种无需转印直接制备柔性电子器件的新方法,该方法预先编程控制衬底的刚度,得到刚性区域与柔性区域相间分布的衬底,然后直接在衬底表面进行薄膜沉积与光刻等操作。其中,功能微单元位于刚性区域,在应变隔离的环境中稳定工作,而柔性区域则负责连接各功能微单元,使器件整体柔性可拉伸。

刚度可编程衬底

该功能衬底为通过硫醇-丙烯酸酯点击化学反应合成的聚硫化合物薄膜,被过氧化氢氧化后转变为聚砜化合物。为了实现特定区域的氧化,研究者使用图形化的无尘纸作为载体吸收过氧化氢水溶液(30%)覆盖于薄膜表面来完成氧化,区域氧化后薄膜的弹性模量提高了150倍。

材料的合成

基于刚度可编程衬底的柔性电子器件制备流程

衬底在经受拉伸时,由于弹性模量的巨大差别,未氧化区域即柔性区域被拉伸,而被氧化的部分即刚性区域的应变则几乎为0。


图b 印有米奇图案的刚度编程衬底拉伸前后对比  图c, d 沉积金属薄膜的刚度编程衬底拉伸前后对比

高性能可拉伸温度传感器

金属电阻式温度传感器具有精度高、响应快、分辨率高等优点,但对于柔性可拉伸温度传感器,应变同样会引起电阻的相对变化,进而影响温度测量的结果。利用基于刚度可编程衬底的柔性电子制造方法,可以将应变敏感的温度传感微单元布置于刚性区域,从而完美解决热阻效应与压阻效应耦合的难题。

图b 可拉伸温度传感器阵列

研究者们展示了可拉伸温度传感阵列在动态力学环境下的测温实验,实时监测手腕关节与膝关节在持续运动状态下的温度。

手腕运动状态下温度的实时测量

此外,研究者们还展示了柔性可拉伸LED灯链,减薄的LED芯片(15μm)位于刚性区域,当器件承受拉伸时,柔性区域的导电银胶导线随之变形。

柔性LED灯链拉伸前后的对比

基于刚度可编程衬底的制造方法与现有光刻制备工艺兼容,制备过程无需转印,极大降低了柔性电子器件制造的复杂度,是一种适用于柔性电子商业化生产的有效方法。

参考文献:

Y. Cao, G. Zhang, Y. Zhang, M. Yue, Y. Chen, S. Cai, T. Xie, X. Feng, Adv. Funct. Mater. 2018, 1804604.