可伸縮電子與順應式可撓變能源元件(上)

刊登日期:2014/12/5
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軟性可伸縮電子是電子元件中的一個新興種類,除了可以彎折,還可以承受遠大於 1%張力的形變,並對應產生可逆的線性彈性行為,此種電子元件可以被扭曲、摺疊,並且可以包覆在任何彎曲表面上,不會因為形變伸張而導致機械疲勞或是明顯的性質改變。因此,軟性可伸縮電子技術同時具有傳統上以矽晶圓系統製備的電子元件性能以及如橡皮圈一般的機械性質。雖然目前為一新興技術,但在最近幾年,由於有許多團隊投入研究,此類技術已有迅速的發展。

可伸縮電子元件
典型的軟性可伸縮電子包含金屬導線、主動元件和高分子基板三個主要元素。在金屬導線部分,目前仍以金最為常見,另外為了符合特殊需求,透明石墨或是矽導線也曾經被報導過。在主動元件部分,製作仍以傳統半導體製程中的“Top-Down”為主要方式,因此常見的材料為半導體Si、GaAs、GaN等。而在可伸縮電子當中,最關鍵的角色莫過於能夠提供可伸縮性質的彈性體,目前文獻中使用的多是Polydimethylsiloxane ( PDMS ),由於 PDMS具有很低且可調控的 Young’s Modulus,因此可提供良好的彈性和拉伸性質。

以往對於可伸縮電子的性質研究多集中在其可伸縮性和形變程度,近年來有研究團隊 ( John A. Rogers et al. ) 發展出肌膚電子貼片( EES ),此種肌膚貼片所使用的彈性體具有非常低的 Young’s Modulus 和極薄厚度,因此可以任意地隨著肌膚輪廓產生形變伸展,且藉由凡得瓦力牢固地附著於皮膚表面,如圖一。


圖一、軟性可伸縮電子肌膚貼片

軟性可伸縮電子的製程大致上包括主動元件的製作、金屬導線的整合、網狀線路的形成、與彈性體的接合,以及電子元件的封裝。而形成可伸縮性質的主要關鍵為其機械性質的調控,常見的可伸縮電子設計如圖二所示,可由蛇形導線結構單獨形成網狀結構,也可由蛇形導線結構搭配島狀主動元件的配置。

在整個電子網路中,可以發現蛇形導線結構佔大部分比例,這是由於蛇狀結構可以藉由其振幅和波長的變動來吸收形變所造成的應力,使導線不會在外力拉伸的情形下產生斷裂或損壞。從橫截面觀察,不管是導線或是元件位置,皆需配置於中間位置以將所承受的應力降到最小。要製備蛇形導線結構,主要關鍵在於將網狀電子與預先拉伸的彈性體 PDMS 接合過程中,只在節點部分接合,因此可以使彈性體回彈鬆弛過程中,只有節點與彈性體不會分離,而造成導線部分為懸空狀態,扮演類似彈簧的角色,在後續應用中,提供可拉伸性質,如圖三。


圖三、軟性可伸縮電子蛇狀結構與拉伸性質

在可伸縮電子元件的研究發展中,以 Illinois 大學 John A. Rogers 教授為首的團隊為目前規模最大、技術也最先進,除了有許多 Paper 針對元件設計和製程中用到的機械理論和技術做深入探討,他們也以之前所發展出的蛇狀結構和製程技術為基礎做延伸,已經陸陸續續地發表,遍及生醫、感測、太陽電池、LED、食物安全檢測等領域的論文。例如此團隊將矽奈米薄膜二極體、由矽奈米薄膜製成的高靈敏度的應變感測器,以及具有模擬觸覺的彈性電容整合在一個彈性薄膜做成的指套上,如圖四。手指的彎折(圖五)和手指對於壓力(圖六)的感覺皆能感測。

順應式可撓變的能量儲存元件
由於近年來對於可伸縮、可撓曲電子元件的研究,使得有許多在健康照護監控或感測上的應用被發展出來。在實際的元件應用上,要達到能無線且獨立自主運作的元件功能,仍需要一個
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:劉子瑜/工研院材化所
相關閱讀:可伸縮電子與順應式可撓變能源元件(下)

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