Растягиваемая электроника , также известная как эластичная электроника или эластичные схемы, представляет собой группу технологий для создания электронных схем путем осаждения или встраивания электронных устройств и схем на растягиваемые подложки, такие как силиконы или полиуретаны , для создания завершенной схемы, которая может испытывать большие деформации без отказа. В простейшем случае растягиваемая электроника может быть изготовлена с использованием тех же компонентов, которые используются для жестких печатных плат, с жесткой подложкой, обрезанной (обычно в виде змеевика) для обеспечения растяжимости в плоскости. [1] Однако многие исследователи также искали внутренне растягиваемые проводники, такие как жидкие металлы . [2]
Одной из основных проблем в этой области является проектирование подложки и межсоединений, которые были бы растяжимыми, а не гибкими (см. Гибкая электроника ) или жесткими ( Печатные платы ). Обычно в качестве подложек или материалов для встраивания выбирают полимеры . [3] При изгибе подложки самый внешний радиус изгиба будет растягиваться (см. Деформация в балке Эйлера-Бернулли ) , подвергая межсоединения высокой механической нагрузке . Растягиваемая электроника часто пытается биомимикрию человеческой кожи и плоти , будучи растягиваемой, при этом сохраняя полную функциональность. Пространство для проектирования продуктов открывается с растягиваемой электроникой, включая чувствительную электронную кожу для роботизированных устройств [4] и имплантируемую in vivo губчатую электронику.
Кожа состоит из коллагеновых, кератиновых и эластиновых волокон, которые обеспечивают надежную механическую прочность, низкий модуль, сопротивление разрыву и мягкость. Кожу можно рассматривать как бислой эпидермиса и дермы. Эпидермальный слой имеет модуль около 140-600 кПа и толщину 0,05-1,5 мм. Дерма имеет модуль 2-80 кПа и толщину 0,3-3 мм. [5] Эта двухслойная кожа демонстрирует упругий линейный отклик при деформациях менее 15% и нелинейный отклик при больших деформациях. Для достижения конформности предпочтительно, чтобы устройства соответствовали механическим свойствам слоя эпидермиса при проектировании эластичной электроники на основе кожи.
Обычные высокопроизводительные электронные устройства изготавливаются из неорганических материалов, таких как кремний, который по своей природе является жестким и хрупким и демонстрирует плохую биосовместимость из-за механического несоответствия между кожей и устройством, что затрудняет применение электроники, интегрированной в кожу. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали метод создания гибкой электроники в виде сверхтонких слоев. Сопротивление изгибу материального объекта (жесткость на изгиб) связано с третьей степенью толщины, согласно уравнению Эйлера-Бернулли для балки. [6] Это означает, что объекты с меньшей толщиной могут легче изгибаться и растягиваться. В результате, даже несмотря на то, что материал имеет относительно высокий модуль Юнга, устройства, изготовленные на сверхтонких подложках, демонстрируют снижение жесткости на изгиб и позволяют изгибаться до малого радиуса кривизны без разрушения. Тонкие устройства были разработаны в результате значительных достижений в области нанотехнологий, изготовления и производства. Вышеупомянутый подход был использован для создания устройств, состоящих из кремниевых наномембран толщиной 100-200 нм, нанесенных на тонкие гибкие полимерные подложки. [6]
Кроме того, соображения структурного проектирования могут быть использованы для настройки механической стабильности устройств. Проектирование исходной структуры поверхности позволяет нам смягчить жесткую электронику. Выпучивание, островное соединение и концепция Киригами были успешно использованы для того, чтобы сделать всю систему эластичной [ [7] , [8] ] .
Механическое выпучивание может использоваться для создания волнистых структур на тонких эластомерных подложках. Эта особенность улучшает растяжимость устройства. Подход с выпучиванием использовался для создания нанолент Si из монокристаллического Si на эластомерной подложке. Исследование показало, что устройство может выдерживать максимальную деформацию 10% при сжатии и растяжении. [9]
В случае островного соединения жесткий материал соединяется с гибкими мостами, выполненными из различных геометрий, таких как зигзагообразные, змеевидные структуры и т. д., чтобы уменьшить эффективную жесткость, настроить растяжимость системы и упруго деформироваться под действием приложенных напряжений в определенных направлениях. Было показано, что змеевидные структуры не оказывают существенного влияния на электрические характеристики эпидермальной электроники. Также было показано, что запутывание межсоединений, которое препятствует движению устройства над подложкой, заставляет спиральные межсоединения растягиваться и деформироваться значительно больше, чем змеевидные структуры. [7] КМОП-инверторы, построенные на подложке PDMS с использованием технологий 3D островных межсоединений, продемонстрировали 140%-ную деформацию при растяжении. [9]
Kirigami построен на концепции складывания и разрезания 2D-мембран. Это способствует повышению прочности на разрыв субстрата, а также его деформации вне плоскости и растяжимости. Эти 2D-структуры впоследствии могут быть превращены в 3D-структуры с различной топографией, формой и контролируемым размером посредством процесса выпячивания, что приводит к интересным свойствам и приложениям. [7] [9]
Несколько растягиваемых устройств хранения энергии и суперконденсаторов изготавливаются с использованием материалов на основе углерода, таких как однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). Исследование Ли и др. показало растягиваемый суперконденсатор (состоящий из смятой макропленки SWCNT и эластомерных сепараторов на эластичной подложке PDMS), который выполнял динамическую зарядку и разрядку. [10] Основным недостатком этой технологии растягиваемого хранения энергии является низкая удельная емкость и плотность энергии, хотя это потенциально может быть улучшено путем включения окислительно-восстановительных материалов, например, электрода SWNT/MnO2. [11] Другим подходом к созданию растягиваемого устройства хранения энергии является использование принципов складывания оригами. [12] Полученная батарея оригами достигла значительной линейной и поверхностной деформации, большой скручиваемости и гибкости.
Растягивающаяся электроника может быть интегрирована в умную одежду для беспрепятственного взаимодействия с человеческим телом и выявления заболеваний или сбора данных о пациентах неинвазивным способом. Например, исследователи из Сеульского национального университета и MC10 (компания по производству гибкой электроники) разработали пластырь, который способен определять уровень глюкозы в поте и может доставлять необходимые лекарства по требованию (инсулин или метформин). Пластырь состоит из графена, пронизанного частицами золота, и содержит датчики, которые способны определять температуру, уровень pH, глюкозу и влажность. [13] Растягивающаяся электроника также позволяет разработчикам создавать мягких роботов, проводить минимально инвазивные операции в больницах. Особенно когда речь идет об операциях на мозге, где важен каждый миллиметр, такие роботы могут иметь более точный диапазон действий, чем человек.
Жесткая электроника обычно плохо подходит для мягких биологических организмов и тканей. Поскольку растяжимая электроника не ограничена этим, некоторые исследователи пытаются реализовать ее в качестве датчиков для прикосновения или тактильного восприятия. Один из способов достижения этого — создать массив проводящих OFET (органических полевых транзисторов), образующих сеть, которая может обнаруживать локальные изменения емкости, что дает пользователю информацию о том, где произошел контакт. [14] Это может иметь потенциальное применение в робототехнике и приложениях виртуальной реальности. [6] [7] [5] [8] [9]