Forscher des RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) und des RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) in Japan haben eine Technik entwickelt, um die Flexibilität von ultradünner Elektronik zu verbessern, wie sie beispielsweise in biegsamen Geräten oder Kleidung verwendet wird. Die in Science Advances veröffentlichte Studie beschreibt den Einsatz von Wasserdampfplasma, um Goldelektroden, die auf separaten ultradünnen Polymerfilmen befestigt sind, direkt zu verbinden, ohne dass Klebstoffe oder hohe Temperaturen erforderlich sind.
Da elektronische Geräte immer kleiner werden und der Wunsch nach biegbarer, tragbarer und auf der Haut getragener Elektronik zunimmt, sind herkömmliche Methoden zur Herstellung dieser Geräte unpraktisch geworden. Eines der größten Probleme ist die Verbindung und Integration mehrerer Geräte oder Teile eines Geräts, die sich jeweils auf separaten ultradünnen Polymerfolien befinden. Herkömmliche Methoden, bei denen Klebeschichten verwendet werden, um Elektroden zusammenzukleben, verringern die Flexibilität und erfordern Temperaturen und Druck, die für die superdünne Elektronik schädlich sind. Herkömmliche Methoden der direkten Metall-Metall-Verbindung sind zwar verfügbar, erfordern aber vollkommen glatte und saubere Oberflächen, die für diese Art von Elektronik nicht typisch sind.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Takao Someya am RIKEN CEMS/CPR hat eine neue Methode zur Sicherung dieser Verbindungen entwickelt, die ohne Klebstoff, hohe Temperaturen oder hohen Druck auskommt und keine völlig glatten oder sauberen Oberflächen erfordert. Das Verfahren dauert bei Raumtemperatur weniger als eine Minute, danach muss man etwa 12 Stunden warten. Das neue Verfahren, das so genannte wasserdampfplasmagestützte Kleben, schafft stabile Verbindungen zwischen Goldelektroden, die mit Hilfe eines thermischen Verdampfers in hauchdünne - 2 Tausendstel Millimeter - Polymerfolien gedruckt werden.
"Dies ist die erste Demonstration von ultradünner, flexibler Goldelektronik, die ohne Klebstoff hergestellt wurde", sagt Senior Research Scientist Kenjiro Fukuda von RIKEN CEMS/CPR. "Mit dieser neuen Direktbond-Technologie konnten wir ein integriertes System aus flexiblen organischen Solarzellen und organischen LEDs herstellen." Die Experimente zeigten, dass das wasserdampfplasmagestützte Kleben besser funktioniert als herkömmliche Klebe- oder Direktklebetechniken. Insbesondere die Festigkeit und Konsistenz der Verbindungen war höher als bei der herkömmlichen oberflächenunterstützten Direktverklebung. Gleichzeitig passte sich das Material besser an gekrümmte Oberflächen an und war haltbarer als bei der Verwendung einer Standard-Klebetechnik.
Laut Fukuda ist die Methode selbst überraschend einfach, was erklären könnte, warum sie sie zufällig entdeckt haben. Nach dem Aufbringen der Goldelektroden auf die Polymerfolien werden die Elektrodenseiten der Folien 40 Sekunden lang mit einem Wasserdampfplasma beaufschlagt. Dann werden die Polymerfolien zusammengepresst, so dass sich die Elektroden an der richtigen Stelle überlappen. Nach einer Wartezeit von 12 Stunden bei Raumtemperatur sind sie einsatzbereit. Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, dass die Folien nach der Aktivierung mit Wasserdampfplasma, aber vor dem Zusammenkleben, tagelang in Vakuumverpackungen gelagert werden können. Dies ist ein wichtiger praktischer Aspekt, wenn es um die Möglichkeit geht, voraktivierte Komponenten zu bestellen und zu vertreiben.
Zum Nachweis des Konzepts integrierte das Team ultradünne organische Photovoltaik- und LED-Lichtmodule, die auf separate Folien gedruckt und durch fünf zusätzliche Polymerfolien verbunden wurden. Die Geräte hielten umfangreichen Tests stand, unter anderem wurden sie um einen Stock gewickelt und bis zum Äußersten zerknittert und verdreht. Auch die Leistungseffizienz der LEDs wurde durch die Behandlung nicht beeinträchtigt. Mit dieser Technik konnten auch bereits verpackte LED-Chips mit einer flexiblen Oberfläche verbunden werden.
"Wir gehen davon aus, dass diese neue Methode zu einer flexiblen Verdrahtungs- und Befestigungstechnologie für die nächste Generation von tragbarer Elektronik wird, die an Kleidung und Haut angebracht werden kann", sagt Fukuda. "Der nächste Schritt besteht darin, diese Technologie für die Verwendung mit billigeren Metallen wie Kupfer oder Aluminium zu entwickeln."
Weitere Informationen finden Sie unter:
https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/pr/2021/20211223_1/index.html [This is automatically translated from English]