金電極結合水蒸氣電漿改善軟性電子製造

作者 : 日本理化學研究所

日本RIKEN CEMS/CPR的研究人員開發了一種技術,能改善超薄電子裝置的柔韌性...

隨著電子裝置變得越來越小,以及對於可彎曲的穿戴式或貼身電子產品的需求增加,建構這些裝置的傳統方法已變得不切實際。最大的問題之一是如何連接和整合多個裝置或分別位於超薄聚合物薄膜上的裝置各個部份。使用多層黏合將電極黏在一起的傳統方法會降低柔韌性,而其所要求的溫度和壓力可能對於超薄電子裝置造成損害。雖然也可以使用金屬對金屬直接鍵合的傳統方法,但這需要非常光滑和乾淨的表面,而在這類型的電子產品中卻又不常見。

日本理化學研究所新興物質科學中心(RIKEN CEMS)和開拓研究本部(CPR)的研究人員開發了一種技術,能改善超薄電子裝置的柔韌性,例如用於可彎曲裝置或服裝的電子產品。 該研究發表在《Science Advances》期刊,詳細介紹了使用水蒸氣電漿,直接黏合固定於超薄聚合物薄膜上的金電極,而無需黏合劑或高溫。

由RIKEN CEMS/CPR教授Takao Someya帶領的研究團隊開發了一種新方法,能夠確保這些連接不必使用黏合劑、高溫或高壓,也不需要完全光滑或乾淨的表面。事實上,這個過程在室溫下只需要不到1分鐘,然後等待大約12小時即可。這種新技術稱為水蒸氣電漿輔助黏合,使用熱蒸發器印刷成超薄(0.002mm)聚合物片的金電極之間形成穩定黏合。

RIKEN CEMS/CPR的資深研究科學家Kenjiro Fukuda說:「這是首次展示在沒有任何黏合劑的情況下製造超薄軟性金電子產品。使用這種新的直接鍵合技術,我們能夠製造出整合軟性有機太陽能電池和有機 LED的系統。」實驗結果顯示,水蒸氣電漿輔助黏合的性能優於傳統的黏合劑或直接黏合技術。特別是,這種黏合的強度和一致性比標準表面輔助直接黏合所能實現的更大。同時,這種材料與彎曲表面的貼合度更高,而且也且比使用標準黏合技術所能達到的效果更耐用。

(A) 2μm厚聚對二甲苯基板上的蒸發金表面暴露於水蒸氣電漿。(B)水蒸氣電漿處理金的黏合是透過將兩個基板重疊並將其置於室溫幾秒鐘到幾小時而不施加任何壓力或熱量而實現的。(圖片來源:RIKEN)

根據Fukuda,該方法本身非常簡單,這或許可以解釋為什麼研究人員的偶然發現。將金電極固定到聚合物片後,使用機器將其電極側暴露在水蒸氣電漿中 40 秒。然後,將聚合物片壓在一起,使電極在正確的位置重疊。待置於室溫下12小時後就可以使用了。該系統的另一個優點是,在使用水蒸氣電漿活化之後而在黏合之前,薄膜可以儲存於真空包裝中數天。針對必須考慮訂購和分配預先啟動的元件,這是十分重要且實際的。

在不同的超薄基板上製造一個OPV、一個OLED和5個佈線膜,然後使用WVPAB進行整合。圖中顯示整合系統被包裹在棍子上(半徑為 10 毫米)。(圖片來源:RIKEN)

針對概念驗證,該團隊整合了分別在不同薄膜上印製的超薄有機光伏(PV)和 LED光模組,並以另外五個聚合物薄膜加以連接。這些裝置能夠承受廣泛的測試,包括纏繞棍棒以及弄皺和極度扭曲。此外,LED 的功率效率並未受到處理的影響。該技術還能夠將預封裝的 LED 晶片連接到軟性表面。

Fukuda說:「我們預期這種新方法能夠成為下一代穿戴電子裝置的軟性佈線和安裝技術,可以附著在衣服和皮膚上。研究人員的下一步是進一步開發這項技術,以便能用於更便宜的金屬,如銅或鋁。」

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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