許多行業都希望創造出柔軟而有彈性的電子產品，但要製造這類設備，首先要有合適的底板。如果將電子電路壓印在柔韌和有彈性的底板上，將徹底改變一些行業，並使“智慧設備”無處不在。其中已設想的應用包括，可以檢測變質與否的食品包裝；可以治療感染的醫用繃帶；可以監視表面裂縫和其他結構損壞的塗料；可以像紙一樣折疊起來的電子屏；從太陽能到起搏器，到服裝，這些智慧應用就是所謂的“塑膠電子”：柔軟而有彈性。合適的底板必須以具有成本效益的方式大規模生產。
美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人員已經開發出一種新的可行性技術，能以較低成本大規模地生產柔性底板。新技術利用半導體濃縮碳納米管溶液生成了具有優良電屬性的薄膜電晶體網。研究人員用濃縮到99%的半導體單壁碳納米管溶液作底層，再結合一種高彈性的聚醯亞胺聚合物作基底，基底用鐳射切成邊長3.3毫米的六邊形蜂窩圖案，然後將矽和氧化鋁層沉積到基底上，底板就做成了。為了證明他們的碳納米管底板的效用，研究人員還製造了一個電子皮膚感測器，能夠感受到觸摸的感覺。
加州大學伯克利分校的電氣工程和電腦科學系教授阿裏•傑維（Ali Javey）說：“我們研製了柔軟有彈性的底板，將完全鈍化、高度統一的薄膜電晶體陣列，均勻地覆蓋在約56平方釐米的底板上。這項技術再與金屬噴墨列印相結合，在未來可製造成本低廉的柔韌而有彈性的電子設備。”
隨著塑膠電子產品的需求增加，過去十年中在這方面的研究和發展一直在緊鑼密鼓地進行著。出現了單壁碳納米管，作為塑膠電子產品的頂級半導體材料，主要是因為它們具有流動性高的電子，可衡量一個半導體導電的速度有多快。然而，單壁碳納米管可以採取半導體或金屬的形式，一個典型的單壁碳納米管包括三分之二的半導體和三分之一的金屬管。這種混合產生的納米管網顯示比較低的開/關電流比率（on/off ratio ），這成為電子應用領域的重大問題。此項研究報告的首席作者塔卡哈斯（Takahashi） 說：“在電子設備中，要求開/關電流比率越高越好，這樣感測器的圖元就越清晰。而99%的高純度提供了高達100的開/關電流比率。”
為了研製底板，該研究小組採用了單壁碳納米管的解決方案。高強度的聚合物具有卓越的柔韌靈活性，鐳射切割的基板，以及可拉伸的六邊形孔蜂窩圖案。塔卡哈斯說：“在某種程度上基板可以拉長60%。在未來，伸展性和方向性的程度，應通過改變孔的大小或優化網格設計的可調參數。”由此產生的單壁碳納米管薄膜電晶體底板被用來創建電子皮膚。電子皮膚由96個感測器圖元陣列組成，每個圖元由一個單一的薄膜電晶體控制，能感知24平方釐米範圍的空間壓力分佈。該電子皮膚可覺察0—15千帕的壓力。
塔卡哈斯說：“該電子皮膚的靈敏度比該實驗室去年研發的納米線電子皮膚感測器提高了三倍，這是因為提高了單壁碳納米管設備的靈敏度，在未來，我們應該能夠提高我們的底板技術，通過添加各種感測器或其他功能元件來拓展這種底板的應用，有望研發多功能的人造皮膚。此外，單壁碳納米管的底板可用於研製柔性顯示器。”
下一代柔性基板可打造超低成本智慧設備
美國能源部(U.S. Department of Energy, DoE)的勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)指出，一種嶄新的碳奈米管墨水配方，可望製造出更靈活、更快速、更便宜以及更加耐用的智慧設備。
柏克萊實驗室表示，這種新材料用途廣泛，可用於顯示器；或用於監測橋樑、建築物和飛機等裂縫的感測器；可更積極治療感染的醫療用繃帶；為一次性食用的食品檢測是否變質；甚至可將紡織品變身為太陽能板。
在塑料基板上使用柔性電子沉積與噴墨印刷技術，將可製造出能夠捲起、折疊的智慧型電子設備，甚至能開發出一次性使用的產品，因為運用這種技術，將可開發出超低成本的裝置。然而，當前用於印刷柔性電子的有機墨水都非常緩慢，而且在一般空氣中也有著生物分解(biodegradable)的問題。
為了呈現採用半導體技術的嶄新碳奈米管性能，Berkeley實驗室展示了覆蓋在智慧型棒球上的人工電子皮膚(e-skin)，它能感測到投擲和握等感覺，頗具體育應用潛力。
“我們製造了具備靈活機械性和可拉伸特性的主動式矩陣背板，這種背板是以完全鈍化和高度統一、採用單壁碳奈米管製造的薄膜電晶體陣列為基礎，”Berkeley實驗室的材料科學家暨加州柏克萊大學電子工程系教授Ali Javey說。他展示了與Kuniharu Takei和Toshitake Takahashi共同進行的研究成果。
這種新的墨水可製造出無須微影步驟的薄膜電晶體，其速度比有機電晶體更快，甚至可超越其他的柔性電子製造技術，Javey說。藉由將99%為半導電性質之奈米管的研磨漿料作為墨水，這個由柏克萊實驗室所製造出的棒球原型將能感測到 手指握住球的時候施加在其表面上的壓力。
新的電子皮膚在柔性的聚醯亞胺基板上製造，它使用雷射切割出六角形孔洞的蜂窩(honeycomb)架構，製造出可拉伸的柔性基板。在24平方公分的基板上總共有96個TFT感測器，而後這個柔性基板被覆蓋在棒球上。
電子工程專輯 2011/12/16 Joy Teng 編譯
相關連結
- Flexible substrates harness carbon (EETimes)
- New path to flex and stretch electronics: Researchers develop solution-based fabrication technique (Physorg)
- Carbon Nanotube Active-Matrix Backplanes for Conformal Electronics and Sensors (Nano Letters)
- 美研製出壓力感覺超靈敏的人造皮膚
沒有留言:
張貼留言