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使用金和水蒸气等离子体改进柔性电子设备的制造

2021-12-25 16:17 浏览:

RIKEN紧急物质科学中心(CEMS)和RIKEN先锋研究集群(CPR)的研究人员开发了一种技术来提高超薄电子产品的灵活性,例如用于可弯曲设备或服装的电子产品。该研究发表在ScienceAdvances上,详细介绍了使用水蒸气等离子体将固定在单独的超薄聚合物薄膜上的金电极直接粘合,无需粘合剂或高温。

随着电子设备变得越来越小,以及对可弯曲、可穿戴和皮肤电子设备的需求增加,构建这些设备的传统方法已变得不切实际。最大的问题之一是如何连接和集成多个设备或设备的各个部分,每个设备都位于单独的超薄聚合物薄膜上。使用粘合剂层将电极粘在一起的传统方法会降低柔韧性,并且需要对超薄电子设备造成损害的温度和压力。可以使用直接金属对金属键合的传统方法,但需要非常光滑和干净的表面,这在这些类型的电子产品中并不常见。

由RIKENCEMS/CPR的TakaoSomeya领导的一组研究人员开发了一种新方法来保护这些连接,该方法不使用粘合剂、高温或高压,并且不需要完全光滑或干净的表面。事实上,这个过程在室温下只需要不到一分钟,然后等待大约12小时。这种称为水蒸气等离子体辅助粘合的新技术在使用热蒸发器印刷成超薄(千分之二毫米)聚合物片的金电极之间形成稳定的粘合。

RIKENCEMS/CPR的高级研究科学家KenjiroFukuda说:“这是首次展示了在没有任何粘合剂的情况下制造的超薄柔性金电子产品。”“使用这种新的直接键合技术,我们能够制造出灵活的有机太阳能电池和有机LED的集成系统。”实验表明,水蒸气等离子辅助粘合的性能优于传统的粘合剂或直接粘合技术。特别是,粘合的强度和一致性比标准表面辅助直接粘合实现的要大。同时,这种材料与弯曲表面的贴合度更高,并且比使用标准粘合剂技术所能达到的效果更耐用。

根据福田的说法,该方法本身非常简单,这或许可以解释为什么他们偶然发现了它。将金电极固定到聚合物片上后,使用机器将片的电极侧暴露在水蒸气等离子体中40秒。然后,将聚合物片压在一起,使电极在正确的位置重叠。在室温下等待12小时后,它们就可以使用了。该系统的另一个优点是,在使用水蒸气等离子体活化后,但在粘合在一起之前,薄膜可以在真空包装中储存数天。在考虑订购和分发预激活组件的可能性时,这是一个重要的实际方面。

作为概念证明,该团队集成了超薄有机光伏和LED光模块,这些模块印刷在单独的薄膜上,并通过五个额外的聚合物薄膜连接。这些设备经受住了广泛的测试,包括缠绕在棍子上以及被弄皱和扭曲到极致。此外,LED的功率效率没有受到处理的影响。该技术还能够将预封装的LED芯片连接到柔性表面。

“我们希望这种新方法能够成为下一代可穿戴电子设备的灵活布线和安装技术,可以附着在衣服和皮肤上,”福田说。“下一步是开发这项技术,用于更便宜的金属,如铜或铝。”