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X-Doctor | “薄大精伸”:黄永安教授的柔性电子创新之旅

已有 624 次阅读 2024-4-13 08:42 |个人分类:杂文评论|系统分类:观点评述

【X-Doctor】2024年,iCANX推出X-Doctor专栏,聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现,每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路,独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力,见证这些创新的力量。第14期,X-Doctor将带你走近华中科技大学黄永安教授,感受一下他在柔性电子领域的创新之旅。

黄永安教授是在柔性电子领域中熠熠生辉的科学家,他不仅在理论研究中不断创新,同时也在实际应用中不断突破,努力将“有趣”与“有用”的研究完美结合,让柔性电子技术展现出巨大的潜力和价值。

黄永安是华中科技大学机械科学与工程学院教授,智能制造装备与技术国家重点实验室副主任。作为一位80后青年学者,曾获得国家杰出青年科学基金、“科学探索奖”、湖北省自然科学奖/技术发明一等奖等多项荣誉,先后发表了150余篇SCI论文,出版了4部中英文著作,授权了100余项国家发明专利,并实现转化部分成果。他的研究领域涵盖了柔性电子设计(飞行器智能蒙皮、机器人电子皮肤、穿戴式表皮电子)和柔性电子制造(高分辨率喷印、激光剥离/巨量转移、柔性显示制造)等研究方向。黄永安团队的研究成果,不仅推动了柔性电子学术的创新发展,也为柔性电子产业提供了有力支撑。

17年前,当柔性电子技术还处于鲜为人知的萌芽阶段,黄永安便与柔性电子结下了不解之缘。彼时的他坚信柔性电子技术将引领一场科技革命,柔性电子制造技术也将成为未来的重要发展方向。在这份坚持和远见的信念支撑下,他和团队在柔性电子研究的道路上不断探索和突破,推动了柔性电子技术的快速发展。现如今,面对已经成为科技领域热门话题的柔性电子,黄永安团队无疑是这一领域具有特色标志的先行者和领军人物。

飞行器“随机智变”的柔性电子智能蒙皮

柔性电子技术作为一种新兴的电子制造技术,相较于传统硬质微电子制造技术具有超轻薄、大面积、高精度、可拉伸的“薄大精伸”特点,在显示、传感、健康、医疗等领域具有广泛应用前景。

黄永安团队率先将柔性电子与飞行器融合,解决飞行器智能蒙皮的难题,不仅能够测量气动载荷,还能够集成电磁超材料和天线探测等功能结构,为实现飞行器跨越式发展提供支撑。黄永安团队在气动载荷柔性传感技术方面做了许多开创性工作,仿造飞鸟的皮肤系统,开发了飞行器柔性电子智能蒙皮,可以将大规模、超薄的多功能柔性传感器应用于飞行器表面,并集成了近传感器片上系统、数据重构人工智能算法,如同为飞行器“穿上了魔法衣”,可以实现在不改变飞行器本体结构表面形貌的情况下,对飞行载荷和结构状态的实时监控,实现像鸟一样的“Fly-by-Feel”飞行。

与传统的测量方式相比,黄永安所提出的柔性智能蒙皮技术在测量过程中不破坏机身结构,减轻了重量,并且能够一次性同时测量出包括温度、热流、摩阻、压力、应变、脉动压力等多个物理量,在航空领域得到了广泛应用,同时也为其他工业领域中的健康监测提供了新的解决思路与方案。该技术也代表了飞行器研究制造的最新发展方向,推进飞机蒙皮的数字化、精准化、柔性化水平。

飞行器柔性电子智能蒙皮:集成有表面风压、压电、壁面剪应力、温度和应变传感器,能够感知外部多种流场变化,并监测内部结构健康状况,实现像鸟一样的“Fly-by-Feel”飞行。

大幅面柔性微纳结构电流体喷印技术

电流体喷印技术是一种利用外部电场驱动流体喷印的方法,可以实现亚微米级别的图案化结构多模式喷印制造。黄永安团队提出了电流体喷印新原理,开发了“按需点喷/力控直写/雾化制膜”多模式喷印新工艺,研制了电流体喷印系列化装备,实现了在平面和曲面上直接喷印复杂电子功能结构。

电流体喷印技术可以在二维平面衬底上,实现高分辨率的图案化结构喷印制造,通过精确控制如电场强度、喷嘴与基板的距离、喷印速度等喷印参数,可以制造出高分辨率、高均匀性的功能图案,进而制造出超拉伸压电传感器、柔性印刷电路板、柔性显示像素层、超薄触摸屏等功能器件。

大面积微纳结构电流体喷印装备:实现高分辨率(100nm-100μm)、高粘度材料(1-10000cps)、多模式(按需点喷、力控直写、雾化制膜)喷印制造。

对于飞行器智能蒙皮等曲面电子应用,电流体喷印技术同样展现出其独特的制造优势。将喷印系统与多轴运动系统或机器人结合,集成等离子体/激光、电流体喷印、原位红外/光子烧结、转印贴装等关键技术,开发曲面共形喷印成套工艺,在复杂曲面上均匀喷印高精度功能结构,实现3D结构表面复杂电路的高效高精制造。

3D曲面共形制造装备:集成等离子体/激光、电流体喷印、原位红外/光子烧结、转印贴装等关键技术,实现大面积共形电路、通孔互连、芯片贴装、固化烧结等工艺。

超薄器件激光剥离与巨量转移技术

柔性电子器件剥离与转移是器件制造的关键制程之一,例如柔性传感器需要将柔性电子器件从刚性平面衬底上剥离下来实现柔性化,MicroLED显示需要将大规模的微薄芯片转印实现显示面板集成制造。面对柔性电子器件剥离与转移的迫切需求,黄永安团队提出了激光剥离工艺,通过精确控制激光的能量和作用时间,可以在不影响柔性电子器件性能的同时,将超薄柔性电子器件从硬质基板上无损剥离下来,实现了1微米厚度的柔性电子剥离,为大面积超薄柔性电子器件的工业生产提供了技术支撑。

超薄柔性电子器件激光剥离装备:集成准分子激光、匀光系统、运动平台、机器视觉等模块,实现超薄(~1μm)柔性电子器件的干法、无损剥离。

此外,黄永安团队深入研究了激光界面加工机理,提出了激光投影接近式巨量转移技术(LaserPPT),将微薄芯片高效高精转移到目标基板上的过程,拓展到MicroLED显示的制造,并已经成功开发出巨量转移装备样机,力争攻克MicroLED显示中最重要的制造难题。

大规模微薄芯片巨量转移装备:集成紫外+红外激光、匀光系统、运动平台、转印拾取等模块,实现MicroLED等芯片的高效率转移与集成验证。

STAR文化激励团队砥砺前行

黄永安所在的华中科技大学机械科学与工程学院,培养了一批批优秀人才,取得了显著的成就,更以其实际行动践行着核心价值观:将科研成果转化为具有市场价值的实际产品,不断满足社会需求,推动科技进步。这里闪耀着“STAR”文化——“自强不息(Striving)、团结协作(Teamwork)、快速反应(Agility)、尽职尽责(Responsibility)”。在这样的文化氛围下,全体师生们始终保持着一种深切的责任感和使命感。他们深知,学术成果的发表并非研究的终点,而是一个新的起点,最终目标是将这些成果转化为能够实际应用的技术和产品。这种理念促使研究人员在追求学术卓越的同时,也致力于解决现实世界中的问题。尽管追求学术成果产业化落地应用的过程异常艰辛,但面对着国家发展与社会前进的历史责任,却能带来更为深远的影响。

黄永安团队的研究成果不仅发表在学术期刊上,还紧密与生产制造过程相结合,得到了学术领域的认可,经受了实际应用的检验,为我国柔性电子技术的发展做出了应有的贡献。

2021-01-29 iCANX Talks 第39期,黄永安教授带来了《Enabling Design and Manufacturing for Flexible Hybrid Electronics 柔性混合电子使能设计与制造技术》的分享。扫码可查看回放。

重磅通知

iCANX2024达沃斯科学峰会将于2024年7月11日-12日举行。本次大会将邀请数百名国际著名科学家、行业专家、政策制定者及知名投资人参会,在将近20个分论坛上,就创新、科学、技术、投资、管理和创业等多个话题分享和展示各自的最新成果,探讨行业未来的发展方向。

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