2020年 03月 03日 星期二
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新型三维互连技术:让未来可穿戴电子产品变得

来源:未知     作者:威廉希尔     发布时间:2020-03-02 12:18         

  据韩国基础科学研究院官网近日报道,该研究院与蔚山国立科技大学研制出高导电率、可完全变形的超薄电极材料。这项研究通过更细的三维互连线,将帮助我们彻底革新智能装置的外观,并加强它们的技术功能。

  在手腕上戴一块智能手表,就能让自己看起来很酷,这样的日子似乎已经离我们远去了。近来,可穿戴生物技术产业显示出对未来主义物品永不满足的渴望。这些物品包括:监测脑电波的止痛护目镜、监测生命体征的贴纸、解读的眼镜等。

  可监测心率、呼吸、肌肉运动和其他健康数据并发送至智能手机的皮肤贴片(图片来源:大邱庆北科学技术院)

  虽然所有这些可穿戴原型产品是否都会流行起来还不确定,但有一点很清楚:可穿戴技术领域还会出现更多的产品。然而,这一伟大的潜力却受制于一项技术性约束:这些可穿戴产品从来没有让用户真正地感觉到“可穿戴”。

  尽管它们摸起来应该像是穿戴者的第二层皮肤,但是从技术角度来说,我们设计出的产品却无法在柔软、具有弧度的皮肤上舒适地弯曲与拉伸,并同时保持良好的数据记录能力。

  可穿戴智能设备通过将电极连接到皮肤表面,采集个人生理指标测量值。设备的内部是三维形状的电极连接线(也就是互连线),它们可以传递电信号。迄今为止,这些互连线只能在僵硬表面上形成,而且其成分都是易损、难以拉伸的金属,例如金、银、铝。

  位于韩国大田的基础科学研究院(IBS)纳米医学中心的 Jang-Ung Park 教授与位于韩国蔚山的蔚山国立科技大学(UNIST)的 Chang Young Lee 教授领导的科研团队,在《纳米快报(Nano Letters)》期刊上发表的一篇论文中,报告了可完全变形的高导电率电极材料。

  值得注意的是,这种新型复合材料超薄,直径为5微米,是传统连接线宽度的一半。这项研究通过这种更细的三维互连线,将帮助我们彻底革新智能装置的外观,并加强它们的技术功能。

  图1-1:这项研究的图形概要。以铂(Pt)修饰的碳纳米管与液态金属之间具有很高的亲合性(左),并导致碳纳米管在液态金属中均匀分布,形成可拉伸的金属复合材料(中)。这种可拉伸的金属材料的机械性能优于未经处理的液态金属,因此很适合被塑造为“始终如一的细(也就是说高分辨率)”的三维结构(右)。(图片来源:IBS)

  图1-2:液态金属的图片(左)、有碳纳米管无铂(Pt)的液态金属(右)、在碳纳米管表面上用铂修饰的可拉伸金属复合材料(右)。铂(Pt)可以使得碳纳米管在液态金属基体中均匀分布。

  研究团队采用液态金属(LM)作为主要基底,因为液态金属高度可拉伸,并具有与固态金属类似的相对较高的导电率。碳纳米管(CNT)均匀地分布其中,以改善液态金属的机械稳定性。论文第一作者 Young-Geun Park 表示:“为了让碳纳米管均匀地分布在液态金属中,我们选择了对于碳纳米管与液态金属来说都有很强亲合性的铂(Pt)作为混合剂,它的确起到了作用。”

  图2:可拉伸金属复合材料的三维印刷系统示意图。该印刷系统由一个连接墨水槽的尖嘴、一个压力控制器和可在x、y、z轴以及xy平面中其他两个倾斜轴上自主运动的五轴运动台组成。墨水槽中充满了可拉伸金属复合材料。

  这项研究也展示了一项新的互连技术,它可以在室温下形成高度导电的三维结构。为了具有高导电率,新系统不需要任何加热或者压缩过程。此外,这种新型电极的柔软与可拉伸的天性,也使之更容易通过直径很小的喷嘴。研究团队采用喷嘴直接印刷各种各样的三维图案结构,如图3所示。

  图3-1:在电子芯片般的柔性材料(硅胶)三维结构上印刷的可拉伸金属复合材料的立体显微照片。比例尺为100 微米。

  图3-2:印刷而成的可拉伸金属复合材料的各种三维结构示意图(左)和扫描电子显微镜图像(右)。三维互连可以交叠。比例尺为100 微米。

  Park 解释道:“对于使用各种柔性电子材料来说,在室温下形成高度导电的三维互连线是一项必要的技术。在现有电子器件中使用的这种打线技术,采用热量、压力或者超声波来形成互连线,有可能损坏与皮肤相似的柔性装置。在高性能电子器件制造工艺中,这些因素都带来了巨大的挑战。”他注意到,尖嘴也使得预印的图案重塑为各种三维结构,具有一个像“开关”一样工作的电极,从而打开和关闭电源。

  这种复合材料的高分辨率三维印刷,采用了直接印刷法,形成了无支撑的线状互连。具体来说,这种新的可拉伸的三维电气互连是由超薄线微米细)组成。之前,关于可拉伸金属的研究只能展示直径为几百微米的线。这种新系统比传统打线方法制造出的互连线更细。

  论文通讯作者 Jang-Ung Park 教授表示:“我们不久将可以与那些基于皮肤的庞大笨重的接口说再见,因为这种可变形的超薄三维互连技术将成为行业的重大突破,制造出小巧纤细的装置。这项新技术让人体与电气装置之间的界限变得模糊,将促进集成度更高、性能更好的半导体元器件的生产,应用于现有计算机和智能手机,以及柔性且可拉伸的电子器件。”

      威廉希尔