Online-omslag – en styv, 3D-tryckt “ö” sitter ovanpå en töjbar polymer. För närvarande orsakar repetitiva och överdrivna påfrestningar att töjbar elektronik misslyckas, vilket begränsar deras praktiska användning. För att råda bot på detta har Yang et al. utvecklade pariserhjulsformade öar (FWI) som tål påfrestningarna av kontinuerlig sträckning, vridning, petning och skrynkling. Till skillnad från konventionella cirkel- och kvadratiska öar i mjuk polymermatris är de geometriskt konstruerade FWI:erna mycket hållbara. Yang et al.s tillvägagångssätt gäller ett brett utbud av töjbar elektronik och kan påskynda kommersialiseringen inom en snar framtid. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Sträckbar elektronik kan utvecklas genom att integrera styva komponenter i en mjuk polymermatris. Det är dock utmanande att eliminera sprickor i gränsytan mellan mjuka och styva material. I en ny rapport som nu publiceras och illustreras på försättssidan av Vetenskapens framsteg, Jun Chang Yang, Seungkyu Lee, och ett forskarteam inom materialvetenskap och maskinteknik vid Korea Advanced Institute of Science and Technology i Republiken Korea, utvecklade geometriskt konstruerade pariserhjulformade öar för att effektivt undertrycka sprickutbredning vid gränssnittet under olika deformationslägen. Den optimerade formen visade ökad belastning vid brott och utmattningslivslängd jämfört med konventionella former, inklusive cirkel- och kvadratiska öar. Teamet visade hur den elektroniska huden kunde särskilja olika taktila stimuli utan störningar samtidigt som de demonstrerade anmärkningsvärt förbättrad hållbarhet för att motstå dagliga användningsförhållanden.
Pariserhjulformade öar (FWI)
Sträckbar elektronik tillåter en mängd hittills okända funktioner genom att erbjuda olika formfaktorer som vanligtvis är inkompatibla med stel elektronik. Till exempel är töjbara displayer, batteripaket och logiska kretsar känsliga för sidopåkänning och kan skyddas mot mekanisk deformation via en mängd olika tekniska strategier. Men mekanisk oöverensstämmelse mellan stela öar och polymermaterial kan leda till gränssnittssprickor och enhetsdysfunktion. För att lösa detta har forskare tagit fram flera strategier. I detta arbete presenterade Yang et al geometriskt konstruerade stela öar med utmärkt mekanisk stabilitet vid gränssnittet.
Mekanistiskt undertryckte den sammankopplade strukturen hos den föreslagna FWI effektivt sprickutbredning vid gränssnittet. De optimerade geometriska formerna förlitade sig på de mekaniska egenskaperna hos de ingående polymermaterialen. Genom sin design förlängde den repetitiva sammanlåsningsstrukturen utmattningslivslängden mot olika deformations- och sträckningslägen. Teamet visade en mängd olika tillämpningar av arrayen, som de utvecklade med Ecoflex polymermaterial för att visa töjbar elektronik under olika deformationer och bildandet av elektronisk hud för att upptäcka taktila stimuli med hållbarhet för daglig användning med kommersiell livskraft.
FWIs inbäddade i Ecoflex-substrat för mycket hållbar töjbar elektronik. (A) Schematisk illustration av töjbar elektronik med FWI-arrayen i Ecoflex. (B) Vänster: schematisk illustration av töjbar elektronik som arbetar under olika deformationer; höger: schematisk illustration av elektronisk hud (e-skin) som upptäcker taktila stimuli. (C) Vänster: fotografier av PLA-öar inbäddade i Ecoflex; höger: fotografier som jämför den maximala sträckbarheten hos cirkelformade öar (CI) och FWI i Ecoflex-substrat. CI och FWI i Ecoflex sträcks till 75 respektive 175 %. (D) Digital bildkorrelation (DIC) bilder som visar utvecklingen av sprickutbredning för CI och FWI i Ecoflex under sträckning. (E) Stress mot töjning för CI (rött spår) och FWI (blått spår) i Ecoflex under stretching. (F) Töjningen vid brott enligt vinkeln. Öarna roteras i specifika vinklar, inbäddade i Ecoflex-matrisen och sträcks ut vertikalt. Skalstänger, 1 cm (C) och 5 mm (D). Fotokredit: JC Yang, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Utveckling av FWI inbäddad i Ecoflex-matrisen
Yang et al. använde 3D-utskrift för att ekonomiskt tillverka en mängd olika öformer. De bäddade in de tryckta öarna i en polymermatris, framställd med hjälp av polymjölksyra och Ecoflex, för att bilda en ö respektive polymer. FWI:erna undertryckte effektivt sprickutbredning för att öka sträckbarheten. Konstruktionerna bibehöll utmärkt töjbarhet jämfört med olika slumpmässigt genererade former. Under sträckning, för att förstå sprickutbredning vid gränssnittet, använde Yang et al digital bildkorrelationsanalys för att erhålla töjningsfördelningen av Ecoflex nära och på öarna. För att härleda FWIs undersökte teamet egenskaperna hos cirkulärt formade öar i förhållande till deras sträckbarhet, metoder för att implementera gränsytstyrka och potentialen att implementera mekanisk sammanlåsning i FWIs, för att förhindra progression av sprickorna via förankrade Ecoflex-regioner.
Forskarna 3D-printade flera olika FWI och analyserade dem för att bekräfta antalet “tänder” på enheten som antogs ha störst inverkan på designen, där sprickutbredningen skilde sig för varje form. De utvecklade en finita element-simuleringsmetod för att förstå effekten av ödesignerna på dess egenskaper och visade hur sprickutbredning kunde regleras mellan matrisen och ön för FWIs av olika materialbeståndsdelar. Yang et al testade tre material, inklusive Dragon skin, Ecoflex och Ecoflex gel, varav Ecoflex var bäst lämpad för att bilda töjbar elektronik.
Undersökning av gränssnittsfel orsakat av sprickutbredning. (A) Schematisk illustration av processen att härleda FWI. (B) Procentuellt bidrag från designfaktorerna (antal tänder, p/i-förhållande, a/b-förhållande och c/i-förhållande) till töjningen vid brott. (C) Experimentellt erhållen stam vid fel för CI, WMIs (n = 6 och 12) och FWIs (n = 6 och 12). (D) Schematisk illustration av FE-simulerad sprickutbredning mellan öar och Ecoflex-substrat. (E) Övergripande töjning kontra spricköppningsförskjutning (COD) för CI, WMI (n = 6 och 12) och FWI (n = 6 och 12). (F) FE-simuleringsbilder som visar processen för sprickutbredning när COD når 2,5 mm. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Mekanisk tillförlitlighet hos beståndsdelarna och E-hudbildning
Forskarna noterade det effektiva undertryckandet av sprickutbredning i enheten för förbättrad töjbarhet och förlängd utmattningslivslängd för konstruktionerna. De testade egenskaperna via utmattningstester för att förstå hur motståndet mot sprickutbredning bidrog till mekanisk stabilitet under en mängd olika 3D-deformationer. Resultaten visade hur geometriska konstruktioner påverkade töjbar elektronik för att driva enheter mot en mängd olika praktiska tillämpningar. Forskarna utvecklade den töjbara elektroniken i form av en array och kapslade in dem med Ecoflex. Konstruktionen fungerade bra över en rad deformationslägen för användarvänlighet och hållbarhet.
Materialet kan användas för en rad applikationer, inklusive virtuell förstärkt verklighet, människa-maskin-gränssnitt och robotik, under upprepad och överdriven mekanisk deformation. Yang et al använde fyra polypyrrolbelagda mikropyramidala, polydimetylsiloxanbaserade piezoresistiva trycksensorer på FWIs, tillsammans med två porösa kolnanorör och Ecoflex kompositbaserade piezoresistiva spänningssensorer belagda på Ecoflex. De inkluderade svepelektronmikroskopibilder och bekräftade utseendet på mikrostrukturerna. Som bevis på konceptet samlade teamet information om försökspersoners dagliga rörelser genom att använda enheten för att övervaka hälsovården via en sensor fäst vid knäet. Vid fastsättning kopplade teamet bort de komplexa taktila stimulierna med samtidig inmatning av belastning och tryck i realtid.
FWIs kompatibilitet med olika polymermaterial. (A) Schematisk illustration av två typer av fullständigt gränssnittsfel i FWI i polymersubstrat. (B till D) Töjning vid fel enligt p/i-förhållandets förändring av (B) Dragon Skin, (C) Ecoflex och (D) Ecoflex Gel. (E) Schematisk illustration av FWI med olika p/i-förhållanden. Varje låda representerar den optimerade FWI för varje polymer. (F) Experimentellt erhållen stam vid fel för CI (vita staplar) och FWI (blå staplar) i tre olika polymermatriser (Dragon Skin, Ecoflex och Ecoflex Gel). Skalstänger, 5 mm (B till D). Fotokredit: JC Yang, KAIST. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Sträckbar elektronik som består av styva komponenter som kan motstå olika deformationslägen. (A) Schematisk illustration, fotografi och SEM-bild av sträckbara Ag-flake/Ecoflex-elektroder tryckta på FWI i Ecoflex-substrat. (B) Resistans mot lateral töjning för Ag-flake/Ecoflex-elektroderna tryckta på CI och FWI i Ecoflex. Den vänstra insättningen visar att elektroden tryckt på CI i Ecoflex kopplades bort med 50 %. De mittersta och högra infällningarna visar att elektroden tryckt på FWI i Ecoflex var ansluten till 125 respektive 220 %. (C och E) Schematisk illustration och fotografi av (C) en töjbar LED-array och (E) töjbar batteripack med FWIs. Inkapslingsskiktet är Ecoflex. (D och F) Fotografier av (D) den töjbara LED-arrayen och (F) det töjbara batteripaketet som kan motstå olika deformationslägen (vridning, böjning, sträckning och skrynkling). Skalstänger, 1 cm [(A), left image]10 μm [(A), right image]3 cm (C) och 4 cm (E). Fotokredit: JC Yang, KAIST. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Outlook: Elektronisk hud
På så sätt utvecklade Jun Chang Yang, Seungkyu Lee och kollegor töjbar elektronik för hög hållbarhet. De konstruerade FWI med stark mekanisk stabilitet i gränssnittet med tillhörande mjuka polymerer. Konstruktionen förbättrade töjningen vid brott och förlängde utmattningslivslängden under en rad deformationslägen. FWI har betydande inflytande på substratets mekaniska stabilitet beroende på de mekaniska egenskaperna hos polymerbeståndsdelarna. Teamet använde konstruktionerna i praktiken som töjbar elektronik genom att skriva ut i sig töjbara elektroder och placera stela komponenter på FWI-arrayen, och de utvecklade den elektroniska huden för att skilja en mängd olika fysiska stimuli. Resultatet är tillämpligt för hög hållbarhet under varierande deformationslägen, för att underlätta kommersialiseringen av elektronskal eller töjbar elektronik inom en snar framtid.
Biologiskt inspirerad, högpresterande polyuretan utvecklad för töjbar elektronik
Mer information:
Jun Chang Yang et al, Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik som kan motstå olika deformationslägen, Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Sihong Wang et al, Hudelektronik från skalbar tillverkning av en i sig töjbar transistoruppsättning, Natur (2018). DOI: 10.1038/nature25494
© 2022 Science X Network
Citat:Geometriskt konstruerad stel ö-array för sträckbar elektronik (2022, 14 juni) hämtad 14 juni 2022 från https://techxplore.com/news/2022-06-geometrically-rigid-island-array-stretchable.html
Detta dokument är föremål för upphovsrätt. Bortsett från all rättvis handel i syfte att privata studier eller forskning, får ingen del reproduceras utan skriftligt tillstånd. Innehållet tillhandahålls endast i informationssyfte.
Håll kontakten med oss på sociala medieplattformar för omedelbar uppdatering klicka här för att gå med i vår Twitter och Facebook
