4-1 衬底材料在线视频

材料的应用无处不在 从人造皮肤

航天飞船到柔性电子器件

日新月异的材料发展在不断升级

我们的科技应用

优化我们的生活体验

一代材料一代器件

材料是电子器件最重要的

基础之一

柔性电子技术的发展同样伴随着

柔性材料和柔性材料技术本身的

发展

在未来 随着柔性电子技术不断

拓展电子器件的应用场景

具有不同物理特性的柔性材料

将推动柔性电子器件的发展

更加突破想象

大家好

我是来自清华大学的冯雪

我们经常说一代材料

一代器件 材料在器件的发展过程中

起到重要的作用

今天我给大家介绍一下

柔性电子材料

柔性电子技术伴随着柔性材料

和它技术本身的发展

根据材料作用来分

可以分成衬底材料

功能材料和封装材料三类

我们接下来逐一介绍一下

同时也给大家介绍一下这些柔性

电子材料的主要特点和发展趋势

首先我们来看柔性衬底材料

在电子器件中

顾名思义衬底的主要作用是对

功能电路进行结构支撑

并提供相应的功能

传统电子器件为了保证电子性能

的稳定可靠

通常采用刚硬的衬底来保证电路

不发生变形

而柔性器件则恰好相反

要求衬底材料必须具备可弯曲或

可拉伸的基本特性

根据变形形式的不同

柔性衬底可简单的分为可拉伸衬底和

可弯曲衬底两大类

首先我们来看一看可拉伸衬底

可拉伸衬底是指弹性应变极限

较大的材料

通常需要达到20%以上

变形后材料形状可恢复

具备这种性质的材料主要是

弹性有机聚合物

它们的杨氏模量较低

弹性极限应变大

常见的主要有橡胶材料

硅胶材料等 下面介绍几种研究中

经常使用的可拉伸衬底材料

聚二甲基硅氧烷

英文缩写PDMS是最常使用的

一类可拉伸衬底材料

PDMS是一种硅橡胶聚合物

通常有两种组分混合配制

杨氏模量在一兆帕量级

最大拉伸量大于300%

PDMS疏水

有化学惰性

不易燃

无毒

生物兼容性好

它是透明的

透光性好

因此可用于制备各种类皮肤

可拉伸器件

微流体通道以及光学透镜等

PDMS衬底和柔性电子的渊源可以

追溯到1998年

研究者将PDMS薄膜放在

真空腔中直接沉积金薄膜

发现金属薄膜在PDMS表面

形成褶皱的图案

2003年有人把这层褶皱的

金薄膜作为可拉伸的导线

在2006年

John Rogers教授课题组通过将

长条形硅薄膜晶体管转移到预拉伸的

PDMS衬底上

制备出可拉伸晶体管结构

同样基于预应变的PDMS衬底

他们在2008年实现了可拉伸

硅晶体管阵列电路

这个成果被认为是开创了

无机柔性电子技术的代表性进展

利用PDMS良好的可拉伸性和

透光性

有研究将PDMS衬底制备成

半球形的曲面

通过拉平后在其上集成光电

传感器阵列

从而制备出感光成像面可变形的

半球形电子眼

可以通过改变物理成像面曲率

调节可视范围和聚焦位置

从而改善平面成像时图像边角的

畸变问题

还有研究将PDMS用来作为

复眼相机的衬底

它既作为球面成像单元的衬底

同时也作为每个成像像素点的

光学透镜

展现了可拉伸柔性器件的多种

可能形态

Ecoflex

(共聚酯)是另一种被广泛研究的

柔性衬底材料

Ecoflex的弹性生长率超过

900%

弹性非常好

弹性模量为几十千帕

接近人体皮肤的模量

和PDMS相比

Ecoflex的模量更低

拉伸率更高

更适合制备与皮肤集成的

柔性器件

比如利用Ecoflex在

在3D构型表面固化成型

可制备大变形三维柔性器件

比如包裹在心脏表面的多功能

柔性监测器件结构

首先

研究者通过3D打印准备一个

心脏的3D模型

然后在其表面浇筑一层Ecoflex

溶液

通过自然流延条件下

在心脏模型表面自然形成一个

Ecoflex的套膜

然后在其表面集成相应传感器

可研制得到多功能心脏监测

柔性器件

除此以上举例提到的可拉伸柔性

衬底以外

还有一些别的可拉伸材料

比如聚氨酯 英文缩写PU

水凝胶等 PU具有较高的

拉伸率

可以达到700% 不透光

水凝胶是一种可以通过改变三维

交联结构

调节水分含量和薄膜性质的

生物兼容材料

形态介于固体和液体之间

含水量高时像液体一样

完全脱水的时候

又可以像固体一样

水凝胶柔性衬底

多用于制备具有生物组织兼容

特性的生物电子器件

可与生物组织

组织液深度融合

实现生物及信息的长期监测与

主动调控

下面我们来简单介绍一下可弯曲

柔性衬底

首先根据前面介绍的柔性器件

结构设计理论

我们知道降低结构的厚度

可以降低器件的最大弯曲应变

使得器件可以承受更大的弯曲

变形能力

因此可弯曲柔性衬底

一方面要求材料的韧性较好

在偶然过载时不至于使得器件

立即断裂破坏

另一方面也要求设计的衬底层

不能过厚

这里我们简单介绍有金属箔结构

聚合物薄膜以及可降解衬底

制备柔性器件的原理和特点

金属本身具有较好的韧性

在厚度降低到足够薄后

比如100个微米或更低

具有较好的弯曲特性

金属箔片

同时具有良好的电磁屏蔽特性

高导热特性

耐高温特性

氧气水分隔绝特性

是薄膜晶体管器件制备的

优异衬底 画面显示就是研究者展示在

不锈钢箔片制备出的柔性显示屏

金属箔可弯曲衬底的缺点是容易

发生尖锐的折痕

导致破坏 聚合物衬底是研究最多的

可弯曲柔性衬底是当前实现

产业化柔性显示屏的衬底选择

聚合物衬底的优点是模量低

韧性较金属箔高

适用卷对卷大面积

大规模制造 成本低

缺点是它对水氧的隔绝效果差

热稳定性较差

但电子器件制备要求低热膨胀

系数

及高玻璃态转变温度

常见的柔性聚合物衬底

还有聚酰亚胺 英文缩写PI

聚萘二甲酸乙二酯 英文缩写PEN

聚对苯二甲酸乙二醇酯

英文缩写PET 其中PI薄膜的优点是

玻璃化温度高

一般大于400摄氏度

热稳定性好

可适应更高温的制备工艺

但缺点是吸湿率高 可达1.8%

高于PET和PEN 以PI为衬底

可直接生长金属电极

作为柔性传感器或电路电极

利用这一特性

有研究在超薄PI薄膜上制备

阵列型传感电极

它能与大脑沟壑自然贴合

实现高密度

高精度电位图谱的测量

由于PI的化学稳定性高

耐温特性好

更兼容工业生产条件

适合卷对卷制备工艺

现已被广泛运用于制备柔性印刷

电路板

PEN和PET薄膜

具有更低的热膨胀系数和吸湿率

相较于PI薄膜 PEN和PET

具有更高的透光性

更利于制备光学器件

但它们的缺点是玻璃转化温度低

一般低于120度

工艺的温度受限

在极薄的PEN或PET薄膜上

我们通过印刷

转印等方式可以制备有机晶体管

或电路

比如有研究成果

展示了厚度不到两微米的

柔性触觉传感器阵列和柔性太阳能

电池薄膜器件

它们比羽毛还轻

可任意包裹在手背上或微小的

头发丝上

另一类重要的柔性衬底材料是

具有特定性能的特殊衬底材料

比如可降解特性或可主动变形

特性

其中可降解电子器件是生物电子

的一个发展趋势

器件在完成既定任务后

在生物体内可逐渐降解

可降解衬底是可降解器件的

基本材料之一

在众多报道中

丝纤蛋白超薄衬底是比较理想的

可降解衬底

也有研究通过镁/氧化镁薄膜结构

超薄硅结构

在丝纤蛋白上制备了包含

传感驱动和无线功能的电子系统

然后演示在液体环境以及生物

体液环境下器件完全降解掉

展现了可降解器件的技术可行性

和生物体降解场景

随着柔性电子技术不断拓展

电子器件的应用场景

电子器件和机器人可以集成一体

向着智能结构

电子的方向发展

逐渐变得越来越重要

具有主动变形特性的形状记忆

聚合物衬体正好契合了

这一发展

研究者通过在形状记忆高分子

网络中引入可逆共价键

获得具有多种中间构型的形状

记忆聚合物材料

基于这些形状记忆聚合物的衬底

首先在平直状态下制备出具备

功能的电子器件

然后根据化学相变原理

精确控制器件的几何结构形态

最终实现器件几何结构

甚至功能性能的可重构

可以简单对以下内容作一个小结

首先柔性电子器件要求衬底材料

具有可弯曲或可拉伸的基本特色

聚合物薄膜材料是柔性衬底的

主要发展方向

不同性能的柔性衬底适用不同的

应用场景

具有各自的优势

比如延展性

透光性

耐温性

吸湿性

可降解特性等 合适的衬底材料

需要根据具体的应用需求

进行选择