基于无机/有机复合设计的多层可延展结构与柔性电子器件研究

Research from all over the world has been focusing on flexible and stretchable electronics for 10 years. However, rare related products have been widely used in our life. The main reason is the reliability. If the real strain in applications is far from the limit of the stretchability, the reliability must be ensured. Hence, enlarging the stretchability is still the urgent affair to realize the applications of flexible and stretchable electronics. The achievement of the flexibility and stretchability of inorganic flexible electronics depends on the mechanical structure design, while materials of organic flexible electronics have considerable ability of deformation themselves. In this project, the strategy of composite interconnects consisting of inorganic and organic materials is proposed. The layer of organic material can suppress the localization of the layer of the metal, which, together with the stretchable structure design, can enhance the stretchability significantly. Moreover, the using of metal materials ensures the electric performance of the structure. The key challenges include: 1) the mechanical behavior and mechanism of multilayer composite interconnects with various parameters; 2) the design and mechanical analysis of multilayer stretchable structures; 3) the methods of fabrication and integration for multilayer stretchable structures and flexible electronics. This project is expected to advance the real applications of flexible electronics.

国际上大力开展柔性电子器件方面的研究已有十年，但真正“落地”的实用化柔性电子器件仍然凤毛麟角，主要原因是电路结构的可靠性问题，如实际应用中的变形远远小于结构的延展性极限值，其可靠性必然得到保障，所以提高结构的延展性仍然是柔性电子器件实用化的当务之急。力学结构设计是实现无机柔性电子器件延展性的保障，有机柔性电子器件的材料本身就具有较强的变形能力，本项目提出采用无机/有机复合导线替代无机柔性电子器件中自由存在的金属导线，利用有机材料层抑制无机金属层“局部化”的力学机理提高导线本身变形能力，结合可延展结构设计，器件延展性可能得到较大提升，同时设计中仍然采用无机金属材料保证了其良好的电学性能。关键挑战包括：1）不同参数下多层复合导线的力学行为和作用机理；2）多层可延展结构设计与力学分析；3）多层可延展结构与柔性电子器件的制备和集成方法。本研究可进一步推进柔性电子器件的实用化。

国际上大力开展柔性电子器件方面的研究已有十年，但真正“落地”的实用化柔性电子器件仍然凤毛麟角，主要原因是电路结构的可靠性问题，如实际应用中的变形远远小于结构的延展性极限值，其可靠性必然得到保障，所以提高结构的延展性仍然是柔性电子器件实用化的当务之急。力学结构设计是实现无机柔性电子器件延展性的保障，有机柔性电子器件的材料本身就具有较强的变形能力，本项目提出采用无机/有机复合导线替代无机柔性电子器件中自由存在的金属导线，利用有机材料层抑制无机金属层“局部化”的力学机理提高导线本身变形能力，结合可延展结构设计，器件延展性可能得到较大提升，同时设计中仍然采用无机金属材料保证了其良好的电学性能。本项目取得以下研究成果：1）通过理论及数值方法，揭示了无机/有机复合结构拉伸失效的力学机理，并且定量分析了几何、材料及界面等因素的影响规律；2）针对无机/有机复合结构导线，本项目创造性地提出一种过加载策略可使结构的弹性延展性提高至原来的两倍；3）针对多层无机/有机复合结构，本项目提出一种零牵引力模型，相对于以往常用的平面应变假设，该模型能够更准确给出多层结构的有效拉伸刚度和弯曲刚度；4）基于无机/有机复合结构，本项目研发了多种实用化的柔性电子器件，包括：柔性曲率传感器、柔性应变传感器以及红外柔性电子治疗贴等。本项目的研究不仅推动了无机/有机多层结构力学理论的发展，对柔性电子器件的设计及“产业化”具有重要意义。