柔性電子工程的案例
一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
來源 | Journal of Energy Chemistry
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背景介紹
隨著電子設備小型化和集成化的蓬勃發展，用于高級計算的微處理器的功率密度急劇增加。電子設備產生的大量熱量積聚在設備內部，例如集成電路。過熱引起的溫度升高會限制電子設備的工作適應性，導致頻繁的故障甚至自燃。因此，開發提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料(Phase change materials, PCMs)作為一種高效的熱管理材料，可以通過固-液相變過程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導熱系數低、剛性強等固有缺陷，嚴重制約了其進一步的實際應用。大多數PCMs都表現出脆性和易碎性。當用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現象會產生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產生不利影響。
柔性PCMs被認為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
02
成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯的PDMS/BN網絡包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結構。年輪結構有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達98%的高尺寸保留率。
展開 液態金屬紙基柔性電子電路轉印技術問世
【前言】
紙張是人們日常生產生活中最為常見的一種材料，近年來在紙基材料上制作柔性電路的研究不斷涌現，并且紙基電子作為一種低成本的柔性電子產品，在智能傳感、可穿戴設備、生物醫療以及教育領域具有廣闊的應用前景。
【成果簡介】
近日，來自清華大學醫學院、中科院理化所及北京夢之墨科技有限公司的劉靜教授團隊成功研發出一種基于液態金屬的紙基轉印柔性電子的制備技術，并探索了其在柔性電子、紙基機器人等領域的應用可行性。該研究成果以“適應于在較寬范圍基底上制造柔性電子的液態金屬一步轉印法”（One-Step Liquid Metal Transfer Printing: Toward Fabrication of Flexible Electronics on Wide Range of Substrates）為題發表在國際知名期刊Advanced Materials Technologies上，論文第一作者為博士生國瑞，通訊作者為清華大學劉靜教授和理化所饒偉研究員。
研究小組發現，液態金屬鎵銦合金暴露在空氣中被氧化后，其表面形成的氧化膜在不同材料表面的粘附力存在明顯差異。一般而言，液態金屬在紙張材料上的粘附性往往較差，同時，大量實驗則發現，液態金屬在一種高分子聚合物材料——聚丙烯酸甲酯（PMA）基底上卻具有異常高的粘附力。
展開 用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術的發展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設備的“新載體”。運用柔性電子設備結合無線通信技術可以提高信號采集的準確性和多樣性，在臨床檢測和精準醫療中有巨大應用潛力。
然而，柔性電路工作時會產生并積累焦耳熱，導致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應同樣會對柔性傳感系統的信號采集造成干擾。因此，開發可以與柔性電子設備良好結合的柔性材料，實現器件散熱、抗環境干擾等功能成為目前國際學界及工業界關注的前沿課題。現有的熱管理技術主要以基于熱傳導和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設備中。
02
成果掠影
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。
展開 用于電子器件熱管理的高導熱性和低導電性的柔性薄膜
電子系統，包括化工生產中的電子控制器，具有更高的和對小型化、集成化、智能化。但是，電子設備的高度集成通常是伴隨著功率密度的增加和更多的熱量產生，在運行過程中熱量的積累這是很難消散的。過多的熱量積累可能導致電子設備性能下降，甚至因熱失控而損壞設備，嚴重時可能威脅到人的生命財產安全。因此，迫切需要開發更先進、更適用于集成電子設備的熱管理技術和材料。
相變材料(PSMs)通過相變來儲存和釋放熱能，由于其能量密度大、體積變化小、相變溫度相對恒定等特點，在熱管理領域具有很大的應用前景。PCMs憑借其優良的溫度控制和熱管理特性，被公認為過熱保護和電子器件的最佳熱管理材料。然而，固-液相變材料固有的導熱系數低、泄漏、剛性大是制約其在電子設備、5G等高端熱管理領域應用的關鍵問題。
此外，熱管理材料的導電性也應考慮在內電子設備。電子產品中有大量的電路集成芯片中，這將不可避免地產生漏電流。熱管理材料往往由于含有高導電性石墨烯、碳納米管(CNTs)等導電性高的導熱填料，因此容易引起短路。那么如何使相變材料具有優異的傳熱性能，同時能保持低的電導率下和優異的柔性是目前面臨的挑戰之一。
02
成果掠影
大連理工大學唐炳濤教授在制備具有高導熱和低電阻、以及優異的柔性的熱管理材料方面取得新進展。本文提出了一種新型的柔性熱管理相變薄膜PCPU/mCNTs。作者將烷基化改性碳納米管（mCNTs）設計成相變聚氨酯（PCPU）體系。基于高電阻和mCNTs的導熱性能，制備出的PCPU / mCNT薄膜表現出增強的導熱性和高電阻。
展開 
被美國空軍看上，柔性電子將掀一場市場革
柔性混合電子技術正展開從實驗室走向市場的嶄新旅程，展現其橫跨航空、消費電子、醫療保健、機器人和工業自動化等領域的成果；而在這些領域的許多單位與業者也試圖透過這項新技術發掘自家的利基市場...
在NextFlex研發聯盟位于美國硅谷的制造研究中心，柔性混合電子技術正展開從實驗室走向市場的嶄新旅程。該制造研究中心是在2015年底成立的，募集了大約1.65億美元的私人和公共資金，用于推動結合柔性基板印刷電路和超薄芯片的技術進展。
多達50種產品展現柔性電子在橫跨航空、消費電子、醫療保健、機器人和工業自動化方面的成果。這些成果來自于波音（Boeing）和通用電氣（GE）等久負盛名的巨擘、大型合約制造商Flex和Jabil以及眾多學術研究部門，各單位均試圖在該新興技術領域挖掘屬于自己的利基市場。
美國空軍（U.S. Air Force）算是早期采用者，它與NextFlex連手進行大約9項研究計劃。根據一名美國空軍研究人員描述，在NextFlex所進行的研究任務將有助于加速使這一技術成熟。該中心大約有80家成員的商業計劃正在進行中。
NextFlex執行董事Malcolm Thompson表示：“我們的進展十分順利，現在已經不再僅僅忙著與研發團隊打交道，業務部門也正緊鑼密鼓地搭建中。”
美國空軍材料與制造部門執行總監Charles Ormsby說：“我們有50名人員服務于9個NextFlex項目小組，并提供了230萬美元的資金。”
美國空軍的目標是使用柔性混合電子，為飛行員和飛機打造實時顯示器，以監測其健康情況。柔性混合電子也將用于控制電子裝置，減輕從小型無人機到最大商用飛機等各種設備的重量。
展開 印度與英國研究人員研發出柔性電子自我修復新技術
電柔性電子器件在可穿戴設備等小型裝置中應用潛力巨大，但彎折一段時間后里面的電路容易損壞，導致可靠性變差。印度和英國的研究人員日前宣布，他們聯合發明了一種可使柔性電子具有自我修復功能的技術，從而解決這一難題。柔性電子是一種把電子器件安裝在柔性、可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術的通稱，柔性電子器件在一定范圍形變，例如彎曲、折疊、壓縮或拉伸的條件下仍能工作，應用領域非常廣泛。
通電后產生的電流和熱量使銅制微球移動形成鏈型簇。圖片來自網絡
如果能進一步改善其穩定性將大大拓展這種技術的應用場景印度科學研究所和英國劍橋大學的聯合研究團隊在美國期刊《物理評論應用》上發表論文說，他們將半徑為5微米的銅制微球懸浮在作為絕緣體的硅油中，并在硅油中浸入一個斷開的電路，以模擬損壞的電路。當在斷開的電路兩端加上電壓，懸浮的銅制微球開始移動并最終形成一個松散的鏈型簇，從而將斷開的電路連接。
研究人員表示，通電后產生的電流和熱量使銅制微球移動形成鏈型簇，并讓該鏈型簇保持穩定，從而構成類似電線的連接。這種銅制微球鏈的連接具有柔性和伸展性，該方法對電路的修復不需要其他稀有材料或添加任何復雜電路。
不過研究人員同時表示，該技術在應用到微電子設備上前還需要經過更多實驗驗證。
展開 材料｜Picosun推出柔性有機電子顯示產品用新型涂層解決方案
CINNO Research產業資訊，由于可折疊手機和其他未來電子產品的快速迭代需要更輕、更可靠并能夠折疊和拉伸的設備材料，有機電子產品的設計和制造過程中對材料涂布或沉積方法的改進有著急切地需求。考慮到這些需求，薄膜封裝溶液的使用在有機電子產品的制造中變得越來越普遍。
根據外媒Picosun官網報道，眾所周知，近些年可折疊手機慢慢以商用產品地形式進入大眾視野，其中一些制造商已經進入了好幾代產品的設計和生產周期。與傳統封裝方法不同，薄膜封裝解決方案 (TFE，Thin Film Encapsulation) 在有機電子產品的設計制造 (OEM) 中的使用變得越來越普遍，因為它們更輕且能夠實現電子設備的折疊和拉伸性能。這些商業需求為開發高質量、可靠性和工藝集成度的TFE方案帶來了巨大的推動力。
在薄膜封裝領域，無機薄膜一直以來最受歡迎，例如那些通常與原子層沉積 (ALD) 工藝相關的薄膜。由于它們可以為制造方案提供多種優異特性，這些薄膜現在已經成為眾多電子設備的重要組成部分。原子層沉積 (ALD) 技術已被證明是半導體行業眾多應用的首選涂層解決方案。使用ALD設備沉積的致密的無機納米層可以增強產品對水汽的阻隔性能，而使用有機或混合分子層沉積 (MLD) 層又可以增強產品的柔性性能。
展開 浙江大學賈錚《AFM》用于柔性離子電子環境和機械穩定的離子凝膠
這項工作中報道的離子凝膠可能會導致軟離子電子學和性能穩定的可穿戴設備的發展。
參考文獻
：
doi.org/10.1002/adfm.202102773
版權聲明
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高分子材料科學
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柔性電子 | 日本開發出高抗氧化性的銅鎳金屬復合物墨水
CINNO Research產業資訊，日本國立物質材料研究機構（NIMS）于2022年2月22日宣布，開發出了一種具有更好的抗氧化性印刷電子墨水，這種新墨水能以自組方式形成銅鎳核殼結構。有望作為一種價格低廉且穩定的金屬墨水被推廣使用。
目前主要用于印刷電子產品的銀納米粒子墨水價格昂貴，并且存在阻焊性低、容易產生遷移等缺點。另一方面，價格低廉的銅納米粒子墨水極易被氧化，用于印刷電子產品時，在生產和印刷過程中都需要特殊的設備和工藝。
NIMS研究小組，著眼于研究在大氣條件下可穩定使用的金屬復合物墨水。通過混合不同金屬的復合物，研究小組發現，根據墨水的組成和條件等，有可能將多層核殼結構打印到合金上。
根據這一原理，研究小組使用混合了銅及鎳復合物的墨水進行打印，以自組的方式形成了銅鎳核殼結構。銅鎳印刷線路的電阻率高達19μΩ?cm，這與傳統的金屬墨水的電阻率相當。
使用SEM（掃描式電子顯微鏡）對銅鎳墨水印刷的線路進行元素映射，觀測到銅粒子外圍覆蓋著鎳的核殼結構。使用HRTEM（高分辨率透射電子顯微鏡）觀測顯示，銅和鎳分別呈結晶狀態，通過一個明顯的界面結合在一起。
(上圖)通過SEM對銅鎳印刷線路的元素映射
(下圖）使用HRTEM進行的觀測
研究小組還發現，銅鎳墨水對柔性基板有很好的附著力，對焊料有很強的耐受性。
銅鎳墨水印在各種柔性基板上
基于這項研究成果，NIMS正在與住友金屬礦山和NIMS投資的priways合作開發添加到墨水中的精細銅粉。這兩家公司將于近期出貨樣品。
價格低廉且穩定的金屬墨水走向商業化，預計將會進一步促進印刷電子的普及。此外，通過采用該研究方法，還將會推動具有新功能墨水的研發。
- END -
展開 一種普適性柔性電子器件快速制備技術
近年來液態金屬取得了突破性進展，其在現代柔性電子領域顯示出巨大的應用前景。
基于半液態金屬墨水及其在不同基底表面的選擇性粘附機理，劉靜清華理化所聯合實驗室提出了一種具有普適性的柔性電子超快速制造技術——SMART (semi-liquid metal and adhesion-selection enabled rolling and transfer)，相關工作發表在Science China Materials上。該技術成本低，可用于制備大面積高精度液態金屬線路，且制造速率遠遠超過經典電子制造及液態金屬電路打印技術。
圖1 半液態金屬選擇性黏附滾動涂覆與轉印(SMART)流程圖
圖2 一系列大面積導電圖案
劉靜等人制備了一系列具有優良的電學穩定性和適應性的柔性、可拉伸電路，如多層電路、大面積電路以及拉伸傳感器等。此外，基于該技術制備的液態金屬電路具有可回收的優點。該技術的實施無需復雜設備，有望在今后的工業生產和個人消費電子領域發揮重要作用。
該研究論文最近發表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9400-2。
展開 全球柔性電子皮膚進展梳理 它離真正的人體皮膚還有多遠？
三、柔性電子皮膚的未來
對人造皮膚的追求激發了材料的創新，包括機械耐久性和拉伸性，生物降解性。簡單說，電子皮膚是由輕薄、可彎曲、可拉伸、有彈性的材料制成的柔性電子器件，是傳感器技術、微機電技術、新材料技術等多項技術相互融合的成果。未來，隨著工程技術的發展，電子皮膚將實現更加真實復雜的多尺度功能感知，并有可能進一步增強甚至擴充人類感官能力，例如觸覺、嗅覺以及味覺等的增強，對磁場、電場以及輻射等的感覺擴充。
參考文獻
1 Kim, D. H. Epidermal electronics (vol 333, pg 838, 2011). Science 333, 1703-1703 (2011).
2 Son, D. et al. Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nature nanotechnology 9, 397-404, doi:10.1038/nnano.2014.38 (2014).
3 Kang, S. K. et al. Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain. Nature 530, 71-76, doi:10.1038/nature16492 (2016).
4 Khodagholy, D. et al.
展開 
呂堅教授課題組《ACS AMI》:雙穩態驅動器snap出柔性電子新功能
在眾多應用場景中，電子器件通常無法重構進而改變其功能。在一些特殊場合，例如太空或海底，電子設備需要利用有限的空間，以不同的三維構型發揮不同的功能。近年來，三維自組裝、3D打印技術、智能導電材料為三維電子的可重構提供了新的思路。然而，就現有的可重構三維電子器件而言，主要研究目標是簡化復雜的驅動機制和降低對導電材料的苛刻要求。
圖1. 雙穩態驅動器和可重構 3D 電子設備的制備示意圖。
香港城市大學國家貴金屬工程研究中心博士后陳舟和太赫茲及毫米波國家重點實驗室博士生孔商成，利用柔性雙穩態結構實現了三維電子器件的結構重構和功能拓展。雙穩態結構具有特殊的力學行為，已被廣泛用作軟執行器、能量吸收裝置、智能開關、微透鏡表面等。在這項工作中，拱形雙穩態軟結構的一側經過紫外線/臭氧 (UVO) 處理后成為了一種智能雙穩態驅動器。由于UVO處理層和未處理層對不同屬性的溶劑有溶脹反應，因此致動器能夠在溶劑作用下表現出快速突跳（snap-through和snap-back）行為。柔性雙穩態結構能夠驅動鍵合于其上的柔性電路板在原始彎曲構型和三維屈曲構型之間反復切換，豐富了電子器件的三維構型，擴展了電子器件的功能，如圖1所示。這一思想不僅提供了一種重構三維電子器件的方法，而且豐富了三維電子器件的功能設計思路。
圖2.
展開 哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Hayward教授 PNAS：基于離電子結的柔性溫度傳感器
然而傳統電阻式溫度傳感器和熱電偶以硬材料為主，這大大地限制了其在復雜工程結構、生物組織等重要場景的應用。近幾十年來，軟材料的快速發展推動了柔性電子領域的興起，而柔性傳感器則被視為下一代可穿戴設備、智能織物、軟體機器人等發展的關鍵。
最近，哈佛大學鎖志剛教授與科羅拉多大學Ryan C. Hayward教授合作開發了一種基于離電子結的新型柔性溫度傳感器。該傳感器的傳感單元由離子導體、電子導體和介電層組成（圖1）。離子積聚在離子導體與介電層的界面處，而電子則積聚在介電層與電子導體的界面處。通常，積聚的離子數與電子數并不相等，因而在離子導體中會形成具有一定厚度（分子尺度）的離子云。當溫度發生變化時，離子云的厚度發生變化，繼而產生隨溫度變化的電壓。該溫度傳感器具有靈敏度高（~1 mV/K）、響應時間短（~10 ms）、自供電等優良特性，同時還具有多種傳感構型，能夠滿足不同的應用需求。由于離子導體、電子導體和介電層皆可為軟材料，該溫度傳感器具有柔性、可拉伸、透明等特點，可被廣泛應用于不規則物體表面溫度的精準測量。
圖1 工作原理
根據離子導體、電子導體和介電層的不同組合方式，溫度傳感器可設計成多種構型。當離子導體與電子導體不發生化學反應時，不需要引入介電層。首先，他們使用一種包含兩個離電子結的傳感構型，以含氯化鈉水凝膠為離子導體，納米銀導電織物為傳感端電子導體，金片為參考端電子導體，對溫度傳感的基本原理與特性進行了系統的研究（圖2）。研究發現傳感器靈敏度與離子濃度和傳感端電子導體種類高度相關，其響應時間大約為10毫秒。
展開 寧波圓芯孫俊峰：印刷柔性半導體技術為電子紙提供低成本背光替代方案
寧波圓芯電子有限公司 技術總監 孫俊峰
作為特邀嘉賓，寧波圓芯電子有限公司技術總監孫俊峰向與會領導及同仁詳細介紹了基于卷對卷印刷的柔性半導體及傳感電子器件技術，以實現可卷曲、可折疊、可彎曲的特性，能夠為電子紙的應用提供高性能、低成本的背板替代解決方案。
寧波圓芯電子有限公司是一家集研發、生產和銷售于一體的平臺化印刷柔性電子生產企業。針對柔性電子行業技術痛點，寧波圓芯電子團隊研發了多種類印刷電子功能墨水（導電墨水、半導體墨水、high-k介電墨水等）、R2R印刷柔性電子產線設備及印刷柔性集成電路工藝。其中，半導體墨水、介電墨水、R2R印刷柔性電子產線設備填補了國內印刷產業的技術空白。
寧波圓芯電子聚焦集成電路及傳感器領域，通過將柔性電子印刷技術與傳感器深度融合，創新研發生產一系列可用于脈搏檢測，胎心監測，壓力檢測等產品，解決重大慢病檢測、健康養老、日常保健等社會問題提供新的技術與方案。
例如壓電式柔性薄膜壓力傳感器擁有獨一無二的特性，作為一種動態應變傳感器，非常適合應用于人體皮膚表面或植入人體內部進行生命信號監測。而且由于其極高的靈敏度以及特殊的檢測原理，足以隔著衣物對人體脈搏進行檢測，非常適合用于健康觀測和運動監測。
陣列分布式柔性薄膜壓力傳感器是通過精密的印刷工藝，將力敏感材料、銀漿等材料以納米級別印刷到柔性薄膜基材上，經紅外干燥固化而制成。由于其量程大，精度高，以及響應速度快，易彎折，可隨意定制外形等特點，可廣泛應用智能床墊，智能穿戴，以及庫存管理等場景。
電子紙智慧辦公應用市場分析報告
第一章 電子紙智慧辦公產業概述
1. 產品介紹與解決方案
1.1 產品介紹
1.2 解決方案
2. 產業發展歷程
第二章 市場現狀和趨勢
1.
展開 ：可原位印刷的導電納米粘土/液態金屬基柔性電子
液態金屬的可流動性和高導電性被廣泛應用于柔性電子器件制造，然而過大的表面張力導致液態金屬易團聚成球，難以保持理想的電路狀態。低成本的絲網印刷及噴墨打印很難用于構造液態金屬基柔性電子。此外，由于液態金屬的粘附力弱，柔性電子的基底可供選擇的余地很小。
受到活字印刷術與生活中郵戳的啟發，浙江大學賀永教授團隊設計了新型的納米粘土/液態金屬墨水，可在皮膚表面原位印刷柔性電子，相關工作以“Recyclable conductive nanoclay for direct in-situ printing flexible electronics”發表于“Materials Horizons”，武鵬程碩士生為第一作者，賀永教授與姚鑫驊副教授為共同通訊作者。
研究人員設計了一種可回收、自修復的導電納米粘土和匹配的印刷工藝。首先，為了使液態金屬更好地附著并易于印刷，研究人員使用液態金屬代替了潮濕粘土中的水，從而獲得了導電納米粘土，該墨水優點是制造方式簡單，僅通過攪拌液態金屬和納米粘土混合物即可制備，可以直接用作印泥用于印制導電圖案。在印刷過程中，納米粘土團塊充當連接基材和液態金屬的“支點”，這使得導電納米粘土對柔軟的基材（如有機硅彈性體和水凝膠）具有更好的親和力（如圖1C-D所示）。與之前基于液態金屬研究的其他柔性電子制備工藝相比，例如轉移印刷，獲得導電圖案的時間大大縮短，僅幾秒鐘。
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