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可拉伸电子产品的未来充满希望

已有 1228 次阅读 2021-2-22 21:33 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯

可拉伸电子产品的未来充满希望

诸平 

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据美国耶鲁大学(Yale University2021220日提供的消息,可伸缩电子电路对于软机器人、可穿戴技术和生物医学应用都是至关重要的。但是,当前制造它们的方法限制了它们的应用潜力。耶鲁大学丽贝卡·克莱默-波蒂格里奥(Rebecca Kramer-Bottiglio)实验室的一组研究人员,开发了一种材料和制造工艺,可以快速制造这些更可拉伸、更耐用、并且更接近准备进行批量生产的设备。相关研究结果于2021218日已经在《自然材料》(Nature Materials)杂志网站上发表——Shanliangzi LiuDylan S. ShahRebecca Kramer-Bottiglio. Highly stretchable multilayer electronic circuits using biphasic gallium-indium. Nature Materials, 2021, Published: 18 February 2021. https://doi.org/10.1038/s41563-021-00921-8

电子领域的最大挑战之一是如何将可拉伸导体与刚性材料可靠地连接起来,这些刚性材料用于市售电子组件,例如电阻器、电容器以及发光二极管(LED)等。

该论文的第一作者、丽贝卡·克莱默-波蒂格里奥实验室的前博士生刘善良子(Shanliangzi Liu音译)说:问题是很难将柔软的东西与刚性的东西连接起来。当可拉伸材料弯曲并伸长时,界面处会产生很大的剪切力,并且经常会撕裂连接导致电路无法使用。

一种可在室温下保持液态的被称为共熔镓-铟(eutectic gallium–indium简称eGaIn)的材料,已用于可拉伸电子设备的连接,但其高表面张力使之无法正确连接至刚性部件。虽然已使用各种策略来解决该问题,但是都以限制所得电路的可拉伸性和耐久性为代价。

丽贝卡·克莱默-波蒂格里奥实验室采用了不同的方法,即使用eGaIn纳米颗粒来开发一种新的材料-双相镓-铟(biphasic Ga-In简称bGaIn),该材料同时具有固体和液体要素。当加热到900 ℃时,eGaIn的纳米颗粒膜会改变形式,在顶部形成一层薄的固体氧化物层,并在液体eGaIn中嵌入厚的固体颗粒层。剥离后,将其转移到可拉伸的基材上,类似于临时纹身的工作方式。由于bGaIn和刚性电子元件之间的接口牢固,结果是即使在高水平的应变下,其可拉伸的电路板组件也能表现出与传统组件相同的性能。该方法为在包括软显示器和智能服装在内的各种工业应用中创建可伸展电路创造了机会。

为了演示该过程,该团队使用它构建了许多设备,包括可以扩展到其原始长度至少五倍的放大电路,可伸展的耶鲁” LED阵列以及与之集成的多层信号调节电路板,连接到用户衬衫袖子表面的可伸缩传感器。该电路还应用于乳胶气球,并手写在非常多孔的泡沫上。

丽贝卡·克莱默-波蒂格里奥实验室的博士生,也是上述论文的合作者狄伦·沙阿(Dylan Shah)说:关键在于整个电路是可拉伸的。以前在软机器人中使用的电路具有未拉伸的小区域,然后是可拉伸的区域的组合。由于我们的电路具有可伸展的导体和界面,因此它们的弹性和柔韧性要大得多。

对于这项研究,研究人员使用了转印法(transfer printing),这需要手动进行。刘善良子现在是美国西北大学(Northwestern University)的博士后研究人员,他说,此项研究的下一步步骤是修改bGaIn墨水的可印刷性,以便将其无缝集成到自动化电路生产线中。上述介绍仅供参考,更多信息请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

Stretchable electronic circuits are critical for soft robots, wearable technologies and biomedical applications. Development of sophisticated stretchable circuits requires new materials with stable conductivity over large strains, and low-resistance interfaces between soft and conventional (rigid) electronic components. To address this need, we introduce biphasic Ga–In, a printable conductor with high conductivity (2.06×106Sm−1), extreme stretchability (>1,000%), negligible resistance change when strained, cyclic stability (consistent performance over 1,500 cycles) and a reliable interface with rigid electronics. We employ a scalable transfer-printing process to create various stretchable circuit board assemblies that maintain their performance when stretched, including a multilayer light-emitting diode display, an amplifier circuit and a signal conditioning board for wearable sensing applications. The compatibility of biphasic Ga–In with scalable manufacturing methods, robust interfaces with off-the-shelf electronic components and electrical/mechanical cyclic stability enable direct conversion of established circuit board assemblies to soft and stretchable forms.




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