الکترونیک انعطاف‌پذیر و کشش‌پذیر مبتنی بر مواد پیشرفته سیلیکونی

نقش لاستیک سیلیکون مایع (LSR) در مدارهای انعطاف‌پذیر

لاستیک سیلیکون مایع یا LSR امروزه به طور گسترده در مدارهای انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود، زیرا کشش بسیار خوبی دارد (حدود ۵۰۰٪ بازیابی کرنش) و حتی در دماهایی که از منفی ۵۰ درجه سانتی‌گراد تا ۲۰۰ درجه می‌رسد نیز پایدار می‌ماند. چیزی که این ماده را بسیار خاص می‌کند، روانی آن است که به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد آن را در قالب شکل‌های بسیار کوچک مدارها برای کاربردهایی مانند اتصالات در نمایشگرهای تاشو و قطعات انعطاف‌پذیری که در گوشی‌های هوشمند جدید مشاهده می‌کنیم، قالب‌گیری کنند. مقاله‌ای که سال گذشته در مجله Advanced Materials Engineering منتشر شد، یافته جالبی نیز نشان داد. مقاومت الکتریکی این مدارهای ساخته‌شده با LSR پس از بیش از ۱۰۰ هزار بار خم شدن، کمتر از ۵٪ تغییر کرد. این سطح از عملکرد به این معناست که نسبت به سایر مواد موجود، عمر بسیار طولانی‌تری بدون از کار افتادن دارند.

پیشرفت‌ها در ردیف‌های هادی کشش‌پذیر تعبیه‌شده در سیلیکون

مواد هیبریدی جدید رسانا مانند سیلیکون‌های دوپه‌شده با پولک نقره اکنون می‌توانند به هدایت الکتریکی حدود 3500 S/cm برسند و قبل از پارگی تا سه برابر طول اولیه خود کش بیایند. این مسیرهای رسانای ویژه، حسگرهای چسبنده روی پوست را ممکن می‌کنند که حرکات عضلانی فرد را در حین ورزش ردیابی می‌کنند و در عین حال سیگنال‌های قوی خود را حتی در طول حرکات شدید حفظ می‌کنند. جدیدترین روش‌های رسوب‌گذاری لیزری به محققان اجازه می‌دهد تا خطوط رسانایی به عرض تنها 15 میکرومتر درون پایه‌های سیلیکونی ایجاد کنند. این موضوع با توجه به کاهش حدود 60 درصدی در اندازه ویژگی‌ها نسبت به آنچه در سال 2021 ممکن بود، بسیار قابل توجه است. چنین ویژگی‌های بسیار ریزی درهای جدیدی را برای دقت بالاتر در نحوه ادغام این حسگرها روی سطوح به روی ما می‌گشایند.

مطالعه موردی: حسگرهای شبیه پوست مبتنی بر سیلیکون برای پایش سلامت

مطالعه‌ای اخیر روی ۲۰۰ نفر از افراد مبتلا به مشکلات تنفسی طولانی‌مدت انجام شد که چیز جالبی درباره سنسورهای بسیار نازک سیلیکونی با ضخامت تنها ۰٫۸ میلی‌متر آشکار کرد. این سنسورها در واقع برای ردیابی تنفس در طول روز و شب بسیار عالی عمل کردند و به دقت قابل توجهی معادل ۹۸٫۳٪ دست یافتند. این رقم بسیار بالاتر از الکترودهای سخت قدیمی است که تنها به دقتی حدود ۷۵٪ دست یافته بودند. بر اساس گزارش بزرگ سال گذشته در مورد فناوری‌های قابل پوشیدن سلامت، عامل اصلی عملکرد عالی این سنسورهای جدید، قابلیت عبور گازها از ماده آنهاست. این ویژگی از بروز مشکلات پوستی جلوگیری می‌کند، حتی وقتی فرد آنها را به مدت هفت روز متوالی بپوشد. به همین دلیل است که پزشکان نسبت به این فناوری برای بیمارانی که نیاز به مراقبت مداوم دارند اما همیشه امکان مراجعه به کلینیک‌ها را ندارند، اشتیاق زیادی نشان می‌دهند.

روند به سمت کامپوزیت‌های خودتعمیرشونده سیلیکونی در الکترونیک قابل پوشیدن

سیلیکون‌هایی که بتوانند بخودی خود تعمیر شوند، بخاطر پیوندهای دینامیک دی‌سولفید، مواد بسیار شگفت‌انگیزی هستند. این مواد در واقع در دمای معمول اتاق، خودسرانه ترک‌های 2 میلی‌متری را در عرض حدود 40 دقیقه ترمیم می‌کنند؛ که این ویژگی آن‌ها را برای استفاده در چیزهایی مثل بند ساعت‌های هوشمند و قطعات هدست‌های واقعیت افزوده/واقعیت مجازی بسیار مفید می‌سازد. اعداد و ارقام نیز داستان خاصی را روایت می‌کنند. شرکت‌هایی که محصولات خود را با این ماده خودتعمیرشونده تولید می‌کنند، حدود نصف مشکلات گارانتی را نسبت به زمانی که از سیلیکون معمولی استفاده می‌کردند، تجربه می‌کنند. این تفاوت، به لحاظ طول عمر محصول و هزینه‌های بلندمدت برای کسب‌وکارها، به‌ویژه با توجه به استفاده فراوان امروزی از وسایل الکترونیکی، بسیار قابل توجه است.

چالش‌های حفظ یکپارچگی الکتریکی در طول تغییر شکل مکانیکی

مقاوم‌ترین مواد سیلیکونی نیز هنوز هم بیش از ۲۰٪ از هدایت الکتریکی خود را از دست می‌دهند، به محض اینکه بیش از حدود ۲۵۰٪ کشیده شوند، با وجود تمام فرمول‌های جدید و پیشرفته‌ای که در دسترس هستند. محققان سال گذشته مقاله‌ای جالب در مجله Nature Electronics منتشر کردند که به این نکته اشاره داشت که این مشکلات هدایت عمدتاً ناشی از تشکیل ترک‌های بسیار ریز در ذرات هادی درون ماده است. با این حال، رویکردهای جالب توجهی در حال ظهور هستند که از الگوهای فرکتالی مشابه آنچه در طبیعت می‌بینیم، برای طراحی خطوطی استفاده می‌کنند که تنش را به‌طور یکنواخت‌تری در سطح ماده توزیع می‌کنند. این طراحی‌ها می‌توانند نقاط تمرکز کرنش را تقریباً ۷۰٪ کاهش دهند. مشکل چیست؟ تولید در مقیاس بزرگ بسیار پیچیده می‌شود، به دلیل پیچیدگی بالای این الگوها. بسیاری از شرکت‌ها در حال حاضر با این چالش دست و پنجه نرم می‌کنند، در حالی که سعی دارند از نمونه‌های آزمایشگاهی به تولید انبوه برسند.

پیشرفت‌های مدیریت حرارتی با مواد سیلیکونی عملکردی

روغن سیلیکونی با هدایت حرارتی بالا (۳ وات بر متر کلوین) برای الکترونیک قدرت

الکترونیک قدرت امروزه با سطوح بسیار بالایی از حرارت سروکار دارد که می‌تواند از ۳۰۰ وات بر سانتی‌متر مربع فراتر رود، بدین معنا که ما به مواد رابط حرارتی بسیار خوبی نیاز داریم تا بتوانند این حرارت را تحمل کنند. جدیدترین روغن‌های سیلیکونی موجود در بازار به اعدادی در حدود یا بالاتر از ۳ وات بر متر کلوین در هدایت حرارتی دست یافته‌اند که این امر ناشی از فرمول‌بندی بهتر با پرکننده‌های نیترید بور و آلومینا است. این مواد جدید، حرارت را حدود چهار برابر بهتر از ترکیبات قدیمی اکسید روی منتقل می‌کنند. آزمایشگاه‌های معتبر تحت نظر پژوهشگران برجسته، این روغن‌ها را آزمایش کرده‌اند و دریافته‌اند که دمای نقاط داغ (Hot Spot) را در ماژول‌های IGBT بین ۱۸ تا حتی ۲۲ درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهند. این نوع بهبود عملکرد در عمل به معنای افزایش عمر مؤلفه‌ها به میزان تقریبی ۳۰ درصد در حین چرخه‌های توان الکتریکی است.

پُرکننده‌های شکاف سیلیکونی در سیستم‌های دفع حرارت ایستگاه‌های پایه 5G

آرایه‌های موج میلی‌متری که در فناوری 5G استفاده می‌شوند، نقاط گرمایی نسبتاً شدیدی ایجاد می‌کنند و گاهی به حدود 150 وات بر سانتی‌متر مربع می‌رسند. این امر بدین معناست که ما به پُرکننده‌های شکاف ویژه‌ای نیاز داریم که بتوانند با ناهمواری‌های بسیار ریز سطح، با فاصله کمتر از 50 میکرومتر از یکدیگر، تطبیق پیدا کنند. این ترکیبات سیلیکونی با تغییر فاز عملکرد بسیار خوبی دارند، زیرا حتی در شرایطی که دما به‌طور شدید بین منفی 40 درجه سانتی‌گراد و مثبت 125 درجه نوسان می‌کند، تماس تحت فشار مناسب (بالاتر از 15 پوند بر اینچ مربع) را حفظ می‌کنند. این مواد به‌خوبی مشکلات ترازبندی رایج در سیستم‌های آنتن MIMO بزرگ را مدیریت می‌کنند. بررسی آزمایش‌های واقعی در محیط‌های شهری نیز نکته جالبی را نشان می‌دهد: مقاومت حرارتی از اتصال قطعات تا هوای اطراف حدود یک‌چهارم کاهش می‌یابد، هنگامی که از این مواد به جای ورق‌های گرافیتی معمولی استفاده می‌شود. این موضوع تأثیر بزرگی بر مدت زمان عمر سیستم‌ها قبل از نیاز به تعمیرات یا تعویض قطعات دارد.

تحلیل اختلاف نظر: مواد سیلیکونی در مقابل مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافن

مواد TIM غنی‌شده با گرافن از نظر تئوری دارای هدایت حرارتی تا حدود 1500 وات بر متر کلوین هستند، اما کاربردهای عملی با چالش‌هایی از جمله مقاومت تماسی در مرزهای فاز و مشکلات اکسیداسیون در شرایط مرطوب با رطوبت نسبی بالاتر از 80 درصد مواجه هستند. پژوهشی که سال گذشته در مجله Advanced Materials منتشر شد نشان داد که مواد کامپوزیتی سیلیکونی حدود 92 درصد از بازده حرارتی اولیه خود را حتی پس از 5000 چرخه تست رطوبت و انجماد حفظ کردند. این مقدار در مقایسه با گزینه‌های مبتنی بر گرافن که تنها حدود 67 درصد از اثربخشی خود را در شرایط مشابه حفظ کردند، بسیار قابل توجه است. علاوه بر این، با در نظر گرفتن خواص عایق‌بندی الکتریکی طبیعی این مواد (با رتبه‌های CTI بالاتر از 600 ولت)، روشن می‌شود که چرا بسیاری از مهندسان ترجیح می‌دهند از سیلیکون در سیستم‌های الکترونیکی حساس استفاده کنند، حتی اگر این ماده به بیشترین مقادیر هدایت حرارتی در کاغذ دست نیابد.

سیلیکون درجه نوری در فناوری‌های نمایشگر و روشنایی نسل بعدی

سیلیکون با نفوذپذیری بالا از نور برای بسته‌بندی مینی LED

امروزه سیلیکون‌هایی که از نظر شفافیت نوری رده‌بندی شده‌اند و حدود ۹۲٪ انتقال نور مرئی دارند، به یک جزء ضروری در بسته‌بندی مینی LED تبدیل شده‌اند. این مواد به تولیدکنندگان اجازه می‌دهند تا نمایشگرهایی بسازند که نه تنها نازک‌تر هستند، بلکه روشنایی بهتری را در سراسر سطح صفحه نمایش فراهم می‌کنند. آنچه این مواد را متمایز می‌کند، توانایی آن‌ها در کاهش مشکلات پراکندگی نور بدون قربانی کردن استحکام ساختاری در دماهای بالا هنگام کار است. طبق تحقیقات اخیر از مطالعه بسته‌بندی مینی LED در سال ۲۰۲۳، نسخه‌های پایدار در برابر UV نیز کمترین تخریب رنگ را نشان می‌دهند و حتی پس از ۱۰۰۰ ساعت قرار گرفتن در تست‌های پیری شتاب‌داده، کمتر از ۲٪ زردشدگی دارند. این عملکرد باعث می‌شود این مواد گزینه‌های ایده‌آلی برای کاربردهایی باشند که در آن‌ها قرار گرفتن در معرض نور خورشید رایج است، مانند سیستم‌های سرگرمی خودروها یا آن گوشی‌های تاشوی جذاب که مردم تمام روز آن‌ها را تا و باز می‌کنند.

شاخص شکست قابل تنظیم در سیلیکون نوری، کارایی نمایشگر را افزایش می‌دهد

سیلیکون‌های مهندسی‌شده با شاخص‌های شکست قابل تنظیم در محدوده ۱٫۴۱ تا ۱٫۵۳ به کاهش بازتاب‌های آزاردهنده فرنل که در محل اتصال مواد رخ می‌دهد کمک می‌کنند. نتیجه این است که تولیدکنندگان حدود ۱۸٪ افزایش در میزان نور خروجی از آرایه‌های میکرو ال ای دی را در مقایسه با پوشش‌های معمول موجود در بازار مشاهده می‌کنند. هنگامی که شاخص شکست لایه‌های نیمهرسانا به خوبی با سیلیکون نوری مورد استفاده تطابق داشته باشد، شرکت‌ها می‌توانند خروجی نوری بهتری داشته باشند و در عین حال محصولاتشان از نظر حرارتی پایدار و از نظر فیزیکی انعطاف‌پذیر کافی برای کاربردهای واقعی باقی بماند.

پارادوکس صنعت: تعادل بین شفافیت و دوام در سیلیکون‌های شفاف

اگرچه سیلیکون‌های مورد استفاده در آزمایشگاه می‌توانند به نفوذپذیری نوری ۹۴٪ دست یابند، اما نسخه‌های تجاری اغلب وضوح را به نفع دوام فدا می‌کنند — پرکننده‌های مقاوم در برابر خراش معمولاً شفافیت را ۶ تا ۸ درصد کاهش می‌دهند. درمان‌های جدید سطحی در مقیاس نانو اکنون بیش از ۹۰٪ نفوذپذیری نوری را حفظ می‌کنند و مقاومت در برابر سایش را سه برابر می‌کنند، پیشرفتی حیاتی برای عدسی‌های واقعیت افزوده/واقعیت مجازی و نمایشگرهای دیجیتال بیرونی که در معرض سایش محیطی هستند.

ادغام هوشمند و سازگاری با اینترنت اشیا در لوازم جانبی الکترونیکی سیلیکونی

انعطاف‌پذیری سیلیکون امکان ادغام انواع قطعات کاربردی را مستقیماً در ساختارهای انعطاف‌پذیر فراهم می‌کند. حسگرهای دما که در این مواد تعبیه شده‌اند، دقت خود را تا نیم درجه سانتی‌گراد حتی پس از پنجاه بار خم شدن حفظ می‌کنند. در همین حال، نسخه‌های اولیه دستگاه‌های ردیاب تناسب اندام که از تشخیص حرکت استفاده می‌کنند، به نرخ تشخیص تقریباً کاملی معادل ۹۸٪ دست یافته‌اند. این سطح از عملکرد زمانی که وسایل دائماً در حال حرکت هستند، به خوبی حفظ می‌شود. نتیجه این امر برای کاربردهای واقعی بسیار روشن است: اکنون می‌توانیم داده‌های با کیفیت خوبی را از سیستم‌های حسگری کشسان اینترنت اشیا جمع‌آوری کنیم بدون آنکه نگران خرابی مکانیکی آنها در شرایط عادی استفاده باشیم.

سازگاری شارژ بی‌سیم از طریق مهر و موم کردن با سیلیکون بهبود یافته است، به‌طوری‌که نمونه‌های اخیر به راندمان ۸۴٪ از طریق پوسته‌های ۳ میلی‌متری دست یافته‌اند. بر اساس داده‌های انجمن قدرت بی‌سیم سال ۲۰۲۳، در جلسات شارژ سریع ۱۵ واتی، دما همچنان زیر ۴۰ درجه سانتی‌گراد باقی می‌ماند. این پایداری حرارتی سیلیکون را به ماده‌ای ایده‌آل برای بند ساعت‌های هوشمند و لوازم پوشیدنی پزشکی که نیاز به ضدعفونی مکرر دارند، تبدیل کرده است.

بازار به وضوح در حال پیشرفت است و دستگاه‌های قابل پوشیدن هوشمند سیلیکونی هر ساله حدود ۲۵٪ رشد دارند، زیرا علاقهٔ مردم به سلامت خود بیشتر می‌شود. بر اساس یافته‌های اخیر شرکت MarketsandMarkets در سال ۲۰۲۴، تقریباً دو سوم کاربران تمایل دارند دستگاه‌های تناسب اندام آن‌ها به طور مداوم علائم حیاتی را ردیابی کنند. شرکت‌های پیشرو در این حوزه شروع به تولید دستگاه‌هایی کرده‌اند که شامل سنسورهای زیست‌سازگار SpO2 و همچنین ناظم‌های هدایت الکتریکی پوست هستند. این محصولات از مواد سیلیکونی با کیفیت پزشکی استفاده می‌کنند که الزامات ISO 10993-5 را رعایت می‌کنند و به‌طور خاص برای استفاده طولانی‌مدت روی پوست بدون ایجاد تحریک یا ناراحتی طراحی شده‌اند. ترکیب این فناوری پیشرفته و مواد دوستدار پوست، این دستگاه‌های قابل پوشیدن را هم مؤثر و هم راحت برای استفاده روزانه می‌کند.

سفارشی‌سازی و تحول در تولید لوازم الکترونیکی سیلیکونی

چاپ سه‌بعدی لوازم الکترونیکی سیلیکونی با اندازه‌گیری دقیق

دنیای الکترونیک سیلیکونی شاهد تغییرات عمده‌ای بوده است که به لطف فناوری‌های تولید افزایشی رخ داده است و امکان ساخت قطعات متناسب با اندام بدن با دقت نیم میلی‌متر را فراهم کرده است. با چاپ سه‌بعدی دو ماده‌ای، شرکت‌ها حالا می‌توانند مناطق سخت مدارها را با سطوح نرم و لمس‌پذیری ترکیب کنند که بیماران تمایل دارند آن‌ها را در تماس با پوست خود بپوشند. این امر به‌ویژه در ساخت دستگاه‌های قابل پوشیدنی که در دستگاه‌های MRI بدون ایجاد تداخل کار می‌کنند، بسیار مفید است. طبق گفته متخصصان این حوزه، زمان توسعه نمونه‌های اولیه از زمان تغییر از روش‌های قدیمی قالب‌گیری حدود ۸۷ درصد کاهش یافته است که این موضوع در گزارش کاربردهای سفارشی سیلیکون سال گذشته تأیید شده است. علاوه بر این، این محصولات جدید همچنان استانداردهای مهم مقاومت در برابر آب IP67 را رعایت می‌کنند که در بیمارستان‌ها که گاهی شرایط مرطوب است، ضروری می‌باشد.

روند شخصی‌سازی انبوه در الکترونیک مصرفی با استفاده از قالب‌گیری LSR

بهبودهای اخیر در قالب‌گیری تزریقی لاستیک سیلیکون مایع (LSR) امکان تولید محصولات بسیار شخصی‌سازی‌شده را فراهم کرده است، بخشیدن به قالب‌های کنترل‌شده با هوش مصنوعی و تنظیمات بلادرنگ روی ویسکوزیته سیلیکون در حین فرآیند. به عنوان مثال، یکی از برندهای برجسته ساعت‌های هوشمند می‌تواند حدود ۱۵۰ رنگ مختلف با سطوح سختی متفاوت از نرم تا متوسط-سخت (حدود ۵۰ تا ۸۰ در مقیاس Shore A) را همه در یک دسته تولید کند. مصرف‌کنندگان امروزه می‌خواهند وسایل الکترونیکی آنها منحصربه‌فرد به نظر برسد، بنابراین این نوع شخصی‌سازی دقیقاً با خواسته‌های مشتریان هماهنگ است. علاوه بر این، تولیدکنندگان همچنان موفق می‌شوند استانداردهای مهم ایمنی حریق UL94-V0 را برای دستگاه‌های قابل پوشیدن حفظ کنند. گزارش‌های صنعتی نشان می‌دهد که این روش حدود یک‌سوم ضایعات مواد را کاهش می‌دهد. با این حال، تولید قطعات پیچیده در کمتر از ۶۰ ثانیه در هر چرخه همچنان چالشی است که تولیدکنندگان با وجود تمام این پیشرفت‌ها با آن دست و پنجه نرم می‌کنند.

سوالات متداول

چه چیزی لاستیک سیلیکون مایع (LSR) را برای مدارهای انعطاف‌پذیر ایده‌آل می‌کند؟

LSR به دلیل قابلیت کشش بالا (بازیابی تغییر شکل حدود 500 درصد) و پایداری حرارتی عالی، برای مدارهای انعطاف‌پذیر ایده‌آل است و عملکرد خود را در دماهای بین 50- درجه سانتی‌گراد تا 200 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند.

مزایای سنسورهای شبیه به پوست مبتنی بر سیلیکون برای نظارت بر سلامت چیست؟

سنسورهای مبتنی بر سیلیکون شبیه به پوست مزایایی از جمله دقت بالا (98.3 درصد در مقایسه با 75 درصد برای الکترودهای سخت)، قابلیت تنفس و کاهش تحریک پوست را ارائه می‌دهند که آن‌ها را برای نظارت بلندمدت مناسب می‌سازد.

چرا مدیریت حرارتی در الکترونیک سیلیکونی مهم است؟

مدیریت حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا الکترونیک سیلیکونی اغلب با سطوح بالای گرما مواجه می‌شود؛ مواد مؤثر مدیریت حرارتی مانند گریس‌های پیشرفته سیلیکونی می‌توانند طول عمر و عملکرد دستگاه را بهبود بخشند.

سیلیکون چگونه به سازگاری با اینترنت اشیا (IoT) در الکترونیک کمک می‌کند؟

انعطاف‌پذیری سیلیکون امکان ادغام بی‌درز اجزایی مانند حسگرهای دما و حرکت را فراهم می‌کند و جمع‌آوری قابل اعتماد داده‌ها در دستگاه‌های اینترنت اشیا را بدون خطر خرابی مکانیکی ممکن می‌سازد.

چاپ سه‌بعدی چگونه بر تولید الکترونیک سیلیکونی تأثیر گذاشته است؟

چاپ سه‌بعدی با امکان تولید قطعات سفارشیِ متناسب با اشکال بدن با دقت بالا و کاهش زمان توسعه نمونه‌های اولیه به میزان تقریباً ۸۷ درصد، صنعت تولید الکترونیک سیلیکونی را متحول کرده است.