Растягивающаяся электроника
Растяжимая электроника , также известная как эластичная электроника или эластичные схемы, представляет собой группу технологий создания электронных схем путем нанесения или внедрения электронных устройств и схем на растягивающиеся подложки, такие как силиконы или полиуретаны , для создания законченной схемы, которая может выдерживать большие нагрузки без сбоев . . В простейшем случае растягиваемая электроника может быть изготовлена с использованием тех же компонентов, которые используются для жестких печатных плат, с вырезом жесткой подложки (обычно в виде змеевика), чтобы обеспечить возможность растягивания в плоскости. [1] Однако многие исследователи также искали растягивающиеся проводники, такие как жидкие металлы . [2]
Одной из основных задач в этой области является разработка подложки и межсоединений, которые будут растягивающимися , а не гибкими (см. Гибкая электроника ) или жесткими ( Печатные платы ). Обычно полимеры . в качестве подложек или материала для внедрения выбирают [3] При изгибе подложки внешний радиус изгиба растягивается (см. « Деформация в балке Эйлера-Бернулли» , подвергая межсоединения высокой механической нагрузке . Растягивающаяся электроника часто пытается биомимикрировать человеческую кожу и плоть , будучи растягиваемой, сохраняя при этом полную функциональность. Свободное пространство для дизайна продуктов открывает растягивающаяся электроника, включая чувствительную электронную оболочку для роботизированных устройств. [4] и in vivo имплантируемая губчатая электроника.
Эластичная электроника кожи
[ редактировать ]Механические свойства кожи
[ редактировать ]Кожа состоит из волокон коллагена, кератина и эластина, которые обеспечивают надежную механическую прочность, низкий модуль упругости, устойчивость к разрыву и мягкость. Кожу можно рассматривать как двухслойный слой эпидермиса и дермы. Эпидермальный слой имеет модуль упругости около 140-600 кПа и толщину 0,05-1,5 мм. Дерма имеет модуль упругости 2–80 кПа и толщину 0,3–3 мм. [5] Эта двухслойная оболочка демонстрирует эластичный линейный отклик при нагрузках менее 15% и нелинейный отклик при более высоких нагрузках. Для достижения совместимости при разработке эластичной электроники на основе кожи предпочтительно, чтобы устройства соответствовали механическим свойствам слоя эпидермиса.
Настройка механических свойств
[ редактировать ]Обычные высокопроизводительные электронные устройства изготавливаются из неорганических материалов, таких как кремний, который по своей природе является жестким и хрупким и демонстрирует плохую биосовместимость из-за механического несоответствия между кожей и устройством, что затрудняет применение встроенной в кожу электроники. Чтобы решить эту задачу, исследователи применили метод создания гибкой электроники в виде сверхтонких слоев. Сопротивление изгибу материального объекта (жесткость при изгибе) связано с третьей степенью толщины, согласно уравнению Эйлера-Бернулли для балки. [6] Это означает, что объекты меньшей толщины легче сгибаются и растягиваются. В результате, несмотря на относительно высокий модуль Юнга, устройства, изготовленные на сверхтонких подложках, демонстрируют снижение жесткости при изгибе и позволяют изгибать до малого радиуса кривизны без разрушения. Тонкие устройства были разработаны в результате значительных достижений в области нанотехнологий, производства и производства. Вышеупомянутый подход был использован для создания устройств, состоящих из кремниевых наномембран толщиной 100-200 нм, нанесенных на тонкие гибкие полимерные подложки. [6]
Кроме того, соображения структурного проектирования можно использовать для настройки механической устойчивости устройств. Разработка оригинальной структуры поверхности позволяет нам смягчить жесткую электронику. Выпучивание, островное соединение и концепция Киригами были успешно использованы, чтобы сделать всю систему эластичной. [ [7] , [8] ] .
Механическое выпучивание можно использовать для создания волнистых структур на тонких эластомерных подложках. Эта функция улучшает растяжимость устройства. Метод выпучивания был использован для создания нанолент Si из монокристалла Si на эластомерной подложке. Исследование показало, что устройство может выдерживать максимальную нагрузку в 10% при сжатии и растяжении. [9]
В случае островного межсоединения жесткий материал соединяется с гибкими перемычками, выполненными с различной геометрией, например, зигзагообразными, змеевидными структурами и т. д., чтобы уменьшить эффективную жесткость, настроить растяжимость системы и упруго деформировать под действием прилагаемые деформации в определенных направлениях. Показано, что змеевидные структуры не оказывают существенного влияния на электрические характеристики эпидермальной электроники. Также было показано, что перепутывание межсоединений, которые препятствуют движению устройства над подложкой, приводит к тому, что спиральные межсоединения растягиваются и деформируются значительно сильнее, чем змеевидные структуры. [7] КМОП-инверторы, построенные на подложке PDMS с использованием технологии 3D-островных межсоединений, продемонстрировали деформацию 140% при растяжении. [9]
Киригами построен на концепции складывания и разрезания 2D-мембран. Это способствует увеличению прочности подложки на разрыв, а также ее неплоской деформации и растяжимости. Эти 2D-структуры впоследствии можно превратить в 3D-структуры с различной топографией, формой и размером, управляемые с помощью процесса выпучивания, что приводит к получению интересных свойств и применений. [7] [9]
Энергия
[ редактировать ]Некоторые растягивающиеся устройства хранения энергии и суперконденсаторы изготовлены с использованием материалов на основе углерода, таких как одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ). Исследование Ли и соавт. продемонстрировали растягиваемый суперконденсатор (состоящий из изогнутых макропленок ОУНТ и эластомерных сепараторов на эластичной подложке из ПДМС), который осуществляет динамическую зарядку и разрядку. [10] Ключевым недостатком этой технологии растяжимого хранения энергии является низкая удельная емкость и плотность энергии, хотя это потенциально можно улучшить за счет включения окислительно-восстановительных материалов, например, электрода SWNT/MnO2. [11] Другой подход к созданию растягивающегося накопителя энергии — использование принципов складывания оригами. [12] Полученная батарея оригами имела значительную линейную и площадную деформируемость, большую способность к скручиванию и сгибанию.
Лекарство
[ редактировать ]Растягивающаяся электроника может быть интегрирована в умную одежду, чтобы беспрепятственно взаимодействовать с человеческим телом и выявлять заболевания или собирать данные о пациентах неинвазивным способом. Например, исследователи из Сеульского национального университета и MC10 (компания по производству гибкой электроники) разработали пластырь, который способен определять уровень глюкозы в поте и доставлять необходимые лекарства по требованию (инсулин или метформин). Пластырь состоит из графена, пронизанного частицами золота, и содержит датчики, способные определять температуру, уровень pH, уровень глюкозы и влажность. [13] Растягивающаяся электроника также позволяет разработчикам создавать мягких роботов для проведения минимально инвазивных операций в больницах. Особенно когда речь идет об операциях на головном мозге, где важен каждый миллиметр, такие роботы могут иметь более точный объем действия, чем человек.
Тактильное зондирование
[ редактировать ]Жесткая электроника обычно плохо приспосабливается к мягким биологическим организмам и тканям. Поскольку растягиваемая электроника этим не ограничивается, некоторые исследователи пытаются реализовать ее в виде датчиков прикосновения или тактильного восприятия. Один из способов добиться этого — создать массив проводящих OFET (органических полевых транзисторов), образующих сеть, которая может обнаруживать локальные изменения емкости, что дает пользователю информацию о том, где произошел контакт. [14] Это может потенциально использоваться в робототехнике и приложениях виртуальной реальности. [6] [7] [5] [8] [9]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ким Д.Х., Ан Дж.Х., Чой В.М., Ким Х.С., Ким Т.Х., Сонг Дж. и др. (апрель 2008 г.). «Растягивающиеся и складные кремниевые интегральные схемы» . Наука . 320 (5875): 507–511. Бибкод : 2008Sci...320..507K . дои : 10.1126/science.1154367 . ПМИД 18369106 . S2CID 5086038 .
- ^ Ян Дж.С., Мун Дж., Квон С.Ю., Пак С., Бао З., Пак С. (ноябрь 2019 г.). «Электронная кожа: последние достижения и будущие перспективы для прикрепляемых к коже устройств для мониторинга здоровья, робототехники и протезирования» . Продвинутые материалы . 31 (48): e1904765. Бибкод : 2019AdM....3104765Y . дои : 10.1002/adma.201904765 . ПМИД 31538370 .
- ^ Катальди П. (2020). «Графено-полиуретановые покрытия для деформируемых проводников и защита от электромагнитных помех» . Передовые электронные материалы . 6 (9): 2000429. arXiv : 2004.11613 . дои : 10.1002/aelm.202000429 .
- ^ Катальди П., Дуссони С., Чезераччу Л., Маггиали М., Натале Л., Метта Г. и др. (февраль 2018 г.). «Углеродное нановолокно в сравнении с растягивающимися емкостными сенсорными датчиками на основе графена для искусственной электронной кожи» . Передовая наука . 5 (2): 1700587. doi : 10.1002/advs.201700587 . ПМК 5827098 . ПМИД 29619306 .
- ^ Jump up to: а б Ким ДХ, Лу Н, Ма Р, Ким ЮС, Ким РХ, Ван С, Ву Дж, Вон СМ, Тао Х, Ислам А, Ю КДж, Ким ТИ, Чоудхури Р, Инь М, Сюй Л, Ли М, Чунг ХДж , Кеум Х, Маккормик М, Лю П, Чжан Ю.В., Оменетто Ф.Г., Хуан Ю., Коулман Т., Роджерс Дж.А. Эпидермальная электроника. Наука. 12 августа 2011 г.; 333(6044): 838-43. doi: 10.1126/science.1206157. Опечатка в: Наука. 2011, 23 сентября;333(6050):1703. PMID 21836009. https://www.science.org/doi/10.1126/science.1206157.
- ^ Jump up to: а б с «Лаборатория на коже»: обзор гибкой и растягивающейся электроники для портативного мониторинга здоровья Юхао Лю, Мэтт Фарр и Джованни Антонио Сальваторе, ACS Nano 2017 11 (10), 9614-9635 DOI: 10.1021/acsnano.7b04898 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b04898
- ^ Jump up to: а б с д Вэй Ву (2019) Растягивающаяся электроника: функциональные материалы, стратегии изготовления и применения, Наука и технология современных материалов, 20:1, 187-224, DOI: 10.1080/14686996.2018.1549460 https://www.tandfonline.com/doi/ полный/10.1080/14686996.2018.1549460
- ^ Jump up to: а б CS Материалы Lett. 2022, 4, 4, 577–599 https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.1c00799 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsmaterialslett.1c00799
- ^ Jump up to: а б с д Гибкие и растягивающиеся устройства от нетрадиционного трехмерного структурного проектирования, Ханбо Чжао, Мэнди https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/9783527820153.ch10 Хан
- ^ Ли Х, Гу Т, Вэй Б (декабрь 2012 г.). «Динамическая и гальваническая устойчивость растяжимых суперконденсаторов». Нано-буквы . 12 (12): 6366–6371. Бибкод : 2012NanoL..12.6366L . дои : 10.1021/nl303631e . ПМИД 23167804 .
- ^ Ли Икс (2012). «Простой синтез и сверхемкостное поведение гибридных пленок SWNT/MnO2». Нано Энергия . 1 (3): 479–487. дои : 10.1016/j.nanoen.2012.02.011 .
- ^ Сонг З., Ма Т., Тан Р., Ченг К., Ван Х., Кришнараджу Д. и др. (2014). «Литий-ионные аккумуляторы оригами» . Природные коммуникации . 5 : 3140. Бибкод : 2014NatCo...5.3140S . дои : 10.1038/ncomms4140 . ПМИД 24469233 .
- ^ Талбот, Дэвид (22 марта 2016 г.). «Контроль диабета с помощью кожного пластыря» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 8 ноября 2017 г.
- ^ Сомея Т., Като Ю., Секитани Т., Иба С., Ногучи Ю., Мурасе Ю. и др. (август 2005 г.). «Соответствующие, гибкие, большие по площади сети датчиков давления и температуры с активными матрицами органических транзисторов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (35): 12321–12325. Бибкод : 2005PNAS..10212321S . дои : 10.1073/pnas.0502392102 . ПМЦ 1187825 . ПМИД 16107541 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Центр микросистемных технологий (ЦМСТ)» . Бельгия: Гентский университет / IMEC.
- «Исследовательская группа Роджерса» . Северо-Западный университет.
- «Stretchable Circuits занимается разработкой растягиваемых электронных систем» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2018 года.