清華新聞網(wǎng)3月17日電 隨著5G、大數(shù)據(jù)及萬(wàn)物互聯(lián)技術(shù)的普及，柔性電子技術(shù)被賦予了更加廣闊的應(yīng)用空間。該領(lǐng)域一直以來(lái)的一個(gè)研究焦點(diǎn)是如何解決器件延展率和功能密度相互制約的難題。尤其是當(dāng)柔性電子器件經(jīng)過(guò)封裝后，如何使其保持較高的延展率，是一個(gè)亟需克服的挑戰(zhàn)。
為提升無(wú)機(jī)柔性電子器件的延展率，前人提出了“島-橋”導(dǎo)線(xiàn)、蛇形導(dǎo)線(xiàn)、分型導(dǎo)線(xiàn)及三維螺旋導(dǎo)線(xiàn)等設(shè)計(jì)策略，但是這些策略在增加器件延展性的同時(shí)，是以降低器件的功能密度為代價(jià)（覆蓋率一般<80%）。前人也提出了將單層電路進(jìn)行折疊和層疊，提高柔性電子器件功能密度。但是，在經(jīng)過(guò)封裝后，由于封裝材料對(duì)導(dǎo)線(xiàn)變形的約束作用，為保持一定的延展率，其系統(tǒng)覆蓋率在此前研究中最高達(dá)到~76%，很難進(jìn)一步提高。
清華大學(xué)張一慧課題組提出了一種小型化、高集成度柔性電子器件的層疊網(wǎng)格封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兼具高延展率、高覆蓋率和類(lèi)皮膚力學(xué)性能的無(wú)機(jī)柔性電子器件，解決了經(jīng)封裝的柔性電子器件的高延展率與高覆蓋率之間的矛盾。該課題組將前期研制的仿生網(wǎng)狀軟材料作為封裝材料，在降低對(duì)導(dǎo)線(xiàn)約束的同時(shí)，利用網(wǎng)格的孔隙容納蛇形導(dǎo)線(xiàn)受拉伸之后的面外變形，以此提高延展性（圖1）；同時(shí)，將多個(gè)網(wǎng)格基底層疊，在不影響延展性的同時(shí)又提高了柔性電子器件的功能密度，實(shí)現(xiàn)了柔性電子器件的小型化集成與封裝。
圖1 網(wǎng)格封裝策略及其與傳統(tǒng)固體封裝在延展率方面的對(duì)比
A.雙層網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線(xiàn)；B，C：網(wǎng)格封裝與固體封裝后最大彈性延展率對(duì)比及循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果；D，E：一個(gè)基于疊層網(wǎng)格集成策略的五層柔性電子器件示例
基于理論研究與實(shí)驗(yàn)測(cè)量，該課題組分析了蛇形導(dǎo)線(xiàn)-網(wǎng)格封裝體系中關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)延展率的影響規(guī)律。揭示了網(wǎng)格封裝下蛇形導(dǎo)線(xiàn)的變形模式，提出了“約束因子”概念以定量刻畫(huà)器件的封裝材料與蛇形導(dǎo)線(xiàn)的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系對(duì)其延展率的影響（圖2）。在此理論指導(dǎo)下，研制了在一個(gè)指甲大?。?1×10mm2）面積上，集成包括微控制器等在內(nèi)的42個(gè)電子元件、80多條的蛇形導(dǎo)線(xiàn)的小型化多功能無(wú)線(xiàn)柔性電子器件，覆蓋率達(dá)到110%，且具有20%的雙向延展率。在此基礎(chǔ)上，展示了該器件作為無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)等在人機(jī)交互方面的應(yīng)用前景。
圖2. 基于網(wǎng)格封裝的柔性電子器件參數(shù)分析及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)
A，B：網(wǎng)格封裝蛇形導(dǎo)線(xiàn)參數(shù)分析及變形機(jī)理；C：實(shí)現(xiàn)的小型化多功能無(wú)線(xiàn)柔性電子器件實(shí)物圖；D：本研究與之前報(bào)道工作覆蓋率和延展率對(duì)比；E：無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)推箱子應(yīng)用演示
文章于3月16日在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）期刊以“基于層疊網(wǎng)格的高集成度小型化可拉伸電子器件”（Highly-integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials）為題發(fā)表，并被選為當(dāng)期封面（圖3）。
圖3. 該研究被選為《科學(xué)進(jìn)展》當(dāng)期封面及實(shí)現(xiàn)的高集成度小型化柔性電子器件三維圖
清華大學(xué)張一慧教授是該文章的通訊作者。清華大學(xué)航院博士后宋洪烈、訪(fǎng)問(wèn)博士生羅國(guó)全（來(lái)自哈工大2017級(jí)）為文章的共同第一作者。清華大學(xué)航院2019級(jí)博士生籍梓垚、2016級(jí)博士生白柯、2016級(jí)博士生劉建星、2017級(jí)博士生程旭、2017級(jí)博士生龐文博、2019級(jí)博士生沈張明，以及航院博士后柏韌恒、薛兆國(guó)等參與了此項(xiàng)研究。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委原創(chuàng)探索計(jì)劃、基金委創(chuàng)新研究群體和青年科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：李含
