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日本利用金和水蒸气等离子体改进柔性电子器件的制造

2021-12-31 11:40:29 日本理化学研究所 阅读:
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。

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。mHIednc

日本理化学研究所新兴物质科学中心(CEMS)和日本理化学研究所开创性研究集群(CPR)的研究人员开发了一种技术,可以提高超薄电子产品的柔韧性,例如用于可弯曲设备或服装的电子产品。 该研究发表在《Science Advances》杂志上,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。mHIednc

由 RIKEN CEMS/CPR 的 Takao Someya 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。mHIednc

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(A) 2 μm 厚聚对二甲苯基板上的蒸发金表面暴露于水蒸气等离子体。(B) 水蒸气等离子体处理金的粘合是通过将两个基板重叠并将它们在环境空气中存放几秒钟到几小时而不施加任何压力或热量来实现的。来源:日本理化学研究所mHIednc

RIKEN CEMS/CPR 的高级研究科学家 Kenjiro Fukuda 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。mHIednc

根据Fukuda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。mHIednc

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在不同的超薄基板上制造一个 OPV、一个 OLED 和五个布线膜,然后使用 WVPAB 进行集成。在这张照片中,集成系统被包裹在一根棍子上(半径为 10 毫米)。来源:日本理化学研究所mHIednc

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。mHIednc

“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,”Fukuda说。“下一步是开发这项技术,用于更便宜的金属,如铜或铝。”mHIednc

Demi Xia编译mHIednc

责编:DemimHIednc

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