Altın ve Su Buharı Plazması Kullanılarak Geliştirilmiş Esnek Elektroniklerin İmalatı
Japonya’daki RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) ve RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) araştırmacıları, bükülebilir cihazlarda veya giysilerde kullanılanlar gibi ultra ince elektroniklerin esnekliğini artırmak için bir teknik geliştirdiler.
Science Advances’te yayınlanan çalışma, ayrı ultra ince polimer filmlere sabitlenmiş altın
elektrotları yapıştırıcılara veya yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duymadan doğrudan bağlamak için su buharı plazmasının kullanımını detaylandırıyor.
Elektronik cihazlar küçüldükçe ve bükülebilir, giyilebilir ve cilt üstü elektroniklere sahip olma isteği arttıkça, bu cihazları meydana getirmenin geleneksel yöntemleri daha pratik hale geldi.
Ancak en büyük sorunlardan biri ise, her biri ayrı ultra ince polimer filmler üzerinde bulunan
birden fazla cihazın veya bir cihazın parçalarının nasıl bağlanacağı ve entegre edileceğidir. Elektrotları birbirine yapıştırmak için yapışkan katmanları kullanan geleneksel yöntemler esnekliği azaltır ve süper ince elektroniklere zarar veren sıcaklık ve basınç gerektirir.
Doğrudan metalden metale bağlamanın geleneksel yöntemleri mevcuttur, ancak bu tür elektroniklerde tipik olmayan mükemmel pürüzsüz ve temiz yüzeyler gerektirir. RIKEN CEMS/CPR’de Takao Someya liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu bağlantıları sabitlemek için yapıştırıcı, yüksek sıcaklık veya yüksek basınç kullanmayan ve tamamen pürüzsüz veya temiz yüzeyler gerektirmeyen yeni bir yöntem geliştirdi.
Aslında, işlem oda sıcaklığında bir dakikadan az sürer ve ardından yaklaşık 12 saat beklenir. Su buharı plazma destekli bağlama adı verilen yeni teknik, bir termal buharlaştırıcı kullanılarak milimetrenin binde 2’si kalınlığında ultra ince polimer levhalara basılan altın
elektrotlar arasında kararlı bağlar oluşturur.
RIKEN CEMS/CPR’den Kıdemli Araştırma Bilimcisi Kenjiro Fukuda, “Bu, herhangi bir yapıştırıcı kullanılmadan üretilmiş ultra ince, esnek altın elektroniğin ilk gösterimi” diyor.
“Bu yeni doğrudan bağ teknolojisini kullanarak, esnek organik güneş pilleri ve organik LED’lerden oluşan entegre bir sistem üretebildik.”
Deneyler, su buharı plazma destekli yapıştırmanın, geleneksel yapıştırıcı veya doğrudan yapıştırma tekniklerinden daha iyi performans gösterdiğini gözler önüne serdi. Özellikle, bağların gücü ve tutarlılığı, standart yüzey destekli doğrudan bağlamanın elde ettiğinden daha büyüktü.
Aynı zamanda, malzeme kavisli yüzeylere daha iyi uyum sağladı ve standart bir yapıştırma tekniği kullanılarak elde edilebilecek olandan daha dayanıklıydı.
Fukuda’ya göre, yöntemin kendisi şaşırtıcı derecede basit, bu da onu neden tesadüfen keşfettiklerini açıklayabilir. Altın elektrotları polimer levhalara sabitledikten sonra, levhaların elektrot taraflarını 40 saniye boyunca su buharı plazmasına maruz bırakmak için bir makine kullanılır.
Ardından, polimer levhalar, elektrotların doğru yerde üst üste binmesi için birbirine bastırılır. 12 saat oda sıcaklığında bekledikten sonra kullanıma hazırdır. Bu sistemin bir başka avantajı, su buharlı plazma ile aktivasyondan sonra, ancak birbirine bağlanmadan önce filmlerin günlerce vakumlu paketlerde saklanabilmesidir.
Bu, önceden etkinleştirilmiş bileşenleri sipariş etme ve dağıtma potansiyeli düşünüldüğünde önemli bir pratik yöndür. Konseptin kanıtı olarak ekip, ayrı filmlere basılmış ve beş ek polimer filmle birbirine bağlanan ultra ince organik fotovoltaik ve LED ışık modüllerini entegre etti.
Cihazlar, bir çubuğa sarılmak, buruşmak ve aşırı derecede bükülmek de dahil olmak üzere kapsamlı testlerden geçti. Ek olarak, LED’lerin güç verimliliği, işlemden etkilenmedi. Teknik ayrıca önceden paketlenmiş LED çiplerini esnek bir yüzeye birleştirmeyi başardı.
Fukuda, “Bu yeni yöntemin, giysilere ve cilde takılabilen yeni nesil giyilebilir elektronikler için esnek bir kablolama ve montaj teknolojisi olmasını bekliyoruz” dedi. “Bir sonraki adım, bu teknolojiyi bakır veya alüminyum gibi daha ucuz metallerle kullanım için geliştirmek.”
Kaynak:
Materials provided by RIKEN.
Journal Source: Masahito Takakuwa, Kenjiro Fukuda, Tomoyuki Yokota, Daishi Inoue, Daisuke Hashizume, Shinjiro Umezu, Takao Someya. Direct gold bonding for flexible integrated electronics. Science Advances,2021; 7 (52) DOI: 10.1126/sciadv.abl6228 RIKEN. “Fabrication of flexible electronics improved using gold and water-vapor plasma.” ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/12/211222153005.htm (accessed January 4, 2022).
