Gardets

Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik

Online-omslag – en styv, 3D-tryckt “ö” sitter ovanpĂ„ en töjbar polymer. För nĂ€rvarande orsakar repetitiva och överdrivna pĂ„frestningar att töjbar elektronik misslyckas, vilket begrĂ€nsar deras praktiska anvĂ€ndning. För att rĂ„da bot pĂ„ detta har Yang et al. utvecklade pariserhjulsformade öar (FWI) som tĂ„l pĂ„frestningarna av kontinuerlig strĂ€ckning, vridning, petning och skrynkling. Till skillnad frĂ„n konventionella cirkel- och kvadratiska öar i mjuk polymermatris Ă€r de geometriskt konstruerade FWI:erna mycket hĂ„llbara. Yang et al.s tillvĂ€gagĂ„ngssĂ€tt gĂ€ller ett brett utbud av töjbar elektronik och kan pĂ„skynda kommersialiseringen inom en snar framtid. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863

StrÀckbar elektronik kan utvecklas genom att integrera styva komponenter i en mjuk polymermatris. Det Àr dock utmanande att eliminera sprickor i grÀnsytan mellan mjuka och styva material. I en ny rapport som nu publiceras och illustreras pÄ försÀttssidan 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 grÀnssnittet under olika deformationslÀgen. Den optimerade formen visade ökad belastning vid brott och utmattningslivslÀngd jÀmfört med konventionella former, inklusive cirkel- och kvadratiska öar. Teamet visade hur den elektroniska huden kunde sÀrskilja olika taktila stimuli utan störningar samtidigt som de demonstrerade anmÀrkningsvÀrt förbÀttrad hÄllbarhet för att motstÄ dagliga anvÀndningsförhÄllanden.

Pariserhjulformade öar (FWI)

StrÀckbar elektronik tillÄter en mÀngd hittills okÀnda funktioner genom att erbjuda olika formfaktorer som vanligtvis Àr inkompatibla med stel elektronik. Till exempel Àr töjbara displayer, batteripaket och logiska kretsar kÀnsliga för sidopÄkÀnning och kan skyddas mot mekanisk deformation via en mÀngd olika tekniska strategier. Men mekanisk oöverensstÀmmelse mellan stela öar och polymermaterial kan leda till grÀnssnittssprickor och enhetsdysfunktion. För att lösa detta har forskare tagit fram flera strategier. I detta arbete presenterade Yang et al geometriskt konstruerade stela öar med utmÀrkt mekanisk stabilitet vid grÀnssnittet.

Mekanistiskt undertryckte den sammankopplade strukturen hos den föreslagna FWI effektivt sprickutbredning vid grÀnssnittet. De optimerade geometriska formerna förlitade sig pÄ de mekaniska egenskaperna hos de ingÄende polymermaterialen. Genom sin design förlÀngde den repetitiva sammanlÄsningsstrukturen utmattningslivslÀngden mot olika deformations- och strÀckningslÀgen. Teamet visade en mÀngd olika tillÀmpningar av arrayen, som de utvecklade med Ecoflex polymermaterial för att visa töjbar elektronik under olika deformationer och bildandet av elektronisk hud för att upptÀcka taktila stimuli med hÄllbarhet för daglig anvÀndning med kommersiell livskraft.

Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik
FWIs inbĂ€ddade i Ecoflex-substrat för mycket hĂ„llbar töjbar elektronik. (A) Schematisk illustration av töjbar elektronik med FWI-arrayen i Ecoflex. (B) VĂ€nster: schematisk illustration av töjbar elektronik som arbetar under olika deformationer; höger: schematisk illustration av elektronisk hud (e-skin) som upptĂ€cker taktila stimuli. (C) VĂ€nster: fotografier av PLA-öar inbĂ€ddade i Ecoflex; höger: fotografier som jĂ€mför den maximala strĂ€ckbarheten hos cirkelformade öar (CI) och FWI i Ecoflex-substrat. CI och FWI i Ecoflex strĂ€cks till 75 respektive 175 %. (D) Digital bildkorrelation (DIC) bilder som visar utvecklingen av sprickutbredning för CI och FWI i Ecoflex under strĂ€ckning. (E) Stress mot töjning för CI (rött spĂ„r) och FWI (blĂ„tt spĂ„r) i Ecoflex under stretching. (F) Töjningen vid brott enligt vinkeln. Öarna roteras i specifika vinklar, inbĂ€ddade i Ecoflex-matrisen och strĂ€cks ut vertikalt. SkalstĂ€nger, 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 inbÀddad i Ecoflex-matrisen

Yang et al. anvÀnde 3D-utskrift för att ekonomiskt tillverka en mÀngd olika öformer. De bÀddade in de tryckta öarna i en polymermatris, framstÀlld med hjÀlp av polymjölksyra och Ecoflex, för att bilda en ö respektive polymer. FWI:erna undertryckte effektivt sprickutbredning för att öka strÀckbarheten. Konstruktionerna bibehöll utmÀrkt töjbarhet jÀmfört med olika slumpmÀssigt genererade former. Under strÀckning, för att förstÄ sprickutbredning vid grÀnssnittet, anvÀnde Yang et al digital bildkorrelationsanalys för att erhÄlla töjningsfördelningen av Ecoflex nÀra och pÄ öarna. För att hÀrleda FWIs undersökte teamet egenskaperna hos cirkulÀrt formade öar i förhÄllande till deras strÀckbarhet, metoder för att implementera grÀnsytstyrka och potentialen att implementera mekanisk sammanlÄsning i FWIs, för att förhindra progression av sprickorna via förankrade Ecoflex-regioner.

Forskarna 3D-printade flera olika FWI och analyserade dem för att bekrĂ€fta antalet “tĂ€nder” pĂ„ enheten som antogs ha störst inverkan pĂ„ designen, dĂ€r sprickutbredningen skilde sig för varje form. De utvecklade en finita element-simuleringsmetod för att förstĂ„ effekten av ödesignerna pĂ„ dess egenskaper och visade hur sprickutbredning kunde regleras mellan matrisen och ön för FWIs av olika materialbestĂ„ndsdelar. Yang et al testade tre material, inklusive Dragon skin, Ecoflex och Ecoflex gel, varav Ecoflex var bĂ€st lĂ€mpad för att bilda töjbar elektronik.

Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik
Undersökning av grĂ€nssnittsfel orsakat av sprickutbredning. (A) Schematisk illustration av processen att hĂ€rleda FWI. (B) Procentuellt bidrag frĂ„n designfaktorerna (antal tĂ€nder, p/i-förhĂ„llande, a/b-förhĂ„llande och c/i-förhĂ„llande) till töjningen vid brott. (C) Experimentellt erhĂ„llen 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 nĂ€r COD nĂ„r 2,5 mm. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863

Mekanisk tillförlitlighet hos bestÄndsdelarna och E-hudbildning

Forskarna noterade det effektiva undertryckandet av sprickutbredning i enheten för förbÀttrad töjbarhet och förlÀngd utmattningslivslÀngd för konstruktionerna. De testade egenskaperna via utmattningstester för att förstÄ hur motstÄndet mot sprickutbredning bidrog till mekanisk stabilitet under en mÀngd olika 3D-deformationer. Resultaten visade hur geometriska konstruktioner pÄverkade töjbar elektronik för att driva enheter mot en mÀngd olika praktiska tillÀmpningar. Forskarna utvecklade den töjbara elektroniken i form av en array och kapslade in dem med Ecoflex. Konstruktionen fungerade bra över en rad deformationslÀgen för anvÀndarvÀnlighet och hÄllbarhet.

Materialet kan anvÀndas för en rad applikationer, inklusive virtuell förstÀrkt verklighet, mÀnniska-maskin-grÀnssnitt och robotik, under upprepad och överdriven mekanisk deformation. Yang et al anvÀnde fyra polypyrrolbelagda mikropyramidala, polydimetylsiloxanbaserade piezoresistiva trycksensorer pÄ FWIs, tillsammans med tvÄ porösa kolnanorör och Ecoflex kompositbaserade piezoresistiva spÀnningssensorer belagda pÄ Ecoflex. De inkluderade svepelektronmikroskopibilder och bekrÀftade utseendet pÄ mikrostrukturerna. Som bevis pÄ konceptet samlade teamet information om försökspersoners dagliga rörelser genom att anvÀnda enheten för att övervaka hÀlsovÄrden via en sensor fÀst vid knÀet. Vid fastsÀttning kopplade teamet bort de komplexa taktila stimulierna med samtidig inmatning av belastning och tryck i realtid.

Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik
FWIs kompatibilitet med olika polymermaterial. (A) Schematisk illustration av tvÄ typer av fullstÀndigt grÀnssnittsfel i FWI i polymersubstrat. (B till D) Töjning vid fel enligt p/i-förhÄllandets förÀndring av (B) Dragon Skin, (C) Ecoflex och (D) Ecoflex Gel. (E) Schematisk illustration av FWI med olika p/i-förhÄllanden. Varje lÄda representerar den optimerade FWI för varje polymer. (F) Experimentellt erhÄllen stam vid fel för CI (vita staplar) och FWI (blÄ staplar) i tre olika polymermatriser (Dragon Skin, Ecoflex och Ecoflex Gel). SkalstÀnger, 5 mm (B till D). Fotokredit: JC Yang, KAIST. Kreditera: Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863
Geometriskt konstruerad stel ö-array för töjbar elektronik
StrĂ€ckbar elektronik som bestĂ„r av styva komponenter som kan motstĂ„ olika deformationslĂ€gen. (A) Schematisk illustration, fotografi och SEM-bild av strĂ€ckbara Ag-flake/Ecoflex-elektroder tryckta pĂ„ FWI i Ecoflex-substrat. (B) Resistans mot lateral töjning för Ag-flake/Ecoflex-elektroderna tryckta pĂ„ CI och FWI i Ecoflex. Den vĂ€nstra insĂ€ttningen visar att elektroden tryckt pĂ„ CI i Ecoflex kopplades bort med 50 %. De mittersta och högra infĂ€llningarna visar att elektroden tryckt pĂ„ 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 Ă€r Ecoflex. (D och F) Fotografier av (D) den töjbara LED-arrayen och (F) det töjbara batteripaketet som kan motstĂ„ olika deformationslĂ€gen (vridning, böjning, strĂ€ckning och skrynkling). SkalstĂ€nger, 1 cm [(A), left image]10 ÎŒm [(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

PÄ sÄ sÀtt utvecklade Jun Chang Yang, Seungkyu Lee och kollegor töjbar elektronik för hög hÄllbarhet. De konstruerade FWI med stark mekanisk stabilitet i grÀnssnittet med tillhörande mjuka polymerer. Konstruktionen förbÀttrade töjningen vid brott och förlÀngde utmattningslivslÀngden under en rad deformationslÀgen. FWI har betydande inflytande pÄ substratets mekaniska stabilitet beroende pÄ de mekaniska egenskaperna hos polymerbestÄndsdelarna. Teamet anvÀnde konstruktionerna i praktiken som töjbar elektronik genom att skriva ut i sig töjbara elektroder och placera stela komponenter pÄ FWI-arrayen, och de utvecklade den elektroniska huden för att skilja en mÀngd olika fysiska stimuli. Resultatet Àr tillÀmpligt för hög hÄllbarhet under varierande deformationslÀgen, för att underlÀtta 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 motstÄ olika deformationslÀgen, Vetenskapens framsteg (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn3863

Sihong Wang et al, Hudelektronik frÄn skalbar tillverkning av en i sig töjbar transistoruppsÀttning, Natur (2018). DOI: 10.1038/nature25494

© 2022 Science X Network

Citat:Geometriskt konstruerad stel ö-array för strÀckbar elektronik (2022, 14 juni) hÀmtad 14 juni 2022 frÄn https://techxplore.com/news/2022-06-geometrically-rigid-island-array-stretchable.html

Detta dokument Àr föremÄl för upphovsrÀtt. Bortsett frÄn all rÀttvis handel i syfte att privata studier eller forskning, fÄr ingen del reproduceras utan skriftligt tillstÄnd. InnehÄllet tillhandahÄlls endast i informationssyfte.

HĂ„ll kontakten med oss ​​pĂ„ sociala medieplattformar för omedelbar uppdatering klicka hĂ€r för att gĂ„ med i vĂ„r Twitter och Facebook

BotĂłn volver arriba

Annonsblockerare upptÀckt

Du mÄste ta bort AD BLOCKER för att fortsÀtta anvÀnda vÄr webbplats TACK