Fleksibel og strekkbar elektronikk muliggjort av avanserte silikonmaterialer

Rollen til flytende silikongummi (LSR) i fleksible kretser

Flytende silikongummi eller LSR brukes nå mye i fleksible kretser fordi det strekker seg svært godt (omtrent 500 % elastisitet) og forblir stabilt selv når temperaturen svinger fra minus 50 grader celsius helt opp til 200 grader. Det som gjør dette materialet så spesielt, er hvor flytende det er, noe som lar produsenter forme det til de små kretsmønstrene som trengs for eksempelvis koblinger i bøyelige skjermer og de bøyelige delene vi ser på moderne smarttelefoner. Et nylig publisert vitenskapelig arbekst fra i fjor i Advanced Materials Engineering viste også noe interessant. Disse kretsene laget med LSR endret sin elektriske motstand med mindre enn 5 % etter å ha blitt bøyd over 100 tusen ganger. En slik ytelse betyr at de kan vare mye lenger uten å svikte sammenlignet med andre materialer som er tilgjengelige i dag.

Fremdrift innenfor tøyelige ledende baner innebygd i silikon

Nye hybrid ledende materialer som silikon dopet med sølvflak kan nå ledningsstyrker på rundt 3500 S/cm og strekke seg til tre ganger sin opprinnelige lengde før de knaker. Disse spesielle ledende banene gjør det mulig å lage klæbrige hudsensorer som overvåker muskelbevegelser når noen trener, og samtidig beholder sterke signaler selv under intens bevegelse. De nyeste laseravsetningsmetodene lar forskere lage ledende linjer bare 15 mikrometer brede inne i silikongrundlag. Det er ganske imponerende når man tar i betraktning at dette representerer en reduksjon på omtrent 60 prosent i strukturstørrelse sammenlignet med hva som var mulig tilbake i 2021. Slike små strukturer åpner døren for mye bedre oppløsning i hvordan vi integrerer disse sensorene på overflater.

Case Study: Hudlignende sensorer basert på silikon for helsesporing

En nylig studie undersøkte 200 personer som lider av langvarige pusteproblemer og fant noe interessant om de ekstra tynne silikonsensorene som bare er 0,8 mm tykke. De viste seg faktisk å være svært gode til å spore pust hele døgnet, med en imponerende nøyaktighet på 98,3 %. Det er mye bedre enn de eldre stive elektrodene, som kun klarte rundt 75 %. Ifølge fjorårets store rapport om bærbar helse­teknologi, er det nettopp materialets evne til å la gasser passere gjennom seg som gjør at disse nye sensorene fungerer så godt. Denne egenskapen forhindrer hudproblemer selv når noen bærer dem i syv hele dager på rad. Det er derfor ikke rart at leger blir begeistret for denne teknologien hos pasienter som trenger kontinuerlig omsorg, men ikke alltid kan komme inn til klinikken.

Trend mot selvheledende silikongener i bærbar elektronikk

Silikoner som kan reparere seg selv takket være disse dynamiske disulfidbindingene, er ganske imponerende. De lukker faktisk 2 mm store kutt helt av seg selv på omtrent 40 minutter ved vanlig romtemperatur, noe som gjør dem svært nyttige for eksempel til smartklokkebånd og deler av AR/VR-hodetelefoner. Tallene forteller også en interessant historie. Selskaper som lager produkter med dette selvreparerende materialet, opplever omtrent halvparten så mange garantiproblemer som før de byttet fra vanlig silikon. Det er en stor forskjell både når det gjelder produktets levetid og hva det koster bedrifter på sikt, spesielt med tanke på hvor ofte folk bruker elektronikk i dag.

Utfordringer med å opprettholde elektrisk integritet under mekanisk deformasjon

De mest strekkbare silikontmaterialene mister fortsatt over 20 % ledningsevne når de strekkes mer enn ca. 250 % forlengelse, til tross for alle de avanserte nye formlene som finnes. Forskere publiserte noe interessant i Nature Electronics i fjor som pekte på at disse ledningsevneproblemene hovedsakelig skyldes mikroskopiske revner som dannes i de ledende partiklene inni materialet. Noen ganske imponerende nye tilnærminger er imidlertid under utvikling, der man bruker de fraktalmønstrene vi ser i naturen til å designe baner som fordeler spenningen bedre over materialoverflaten. Disse designene kan redusere belastningskonsentrasjoner med omtrent 70 %. Problemet? Produksjon i stor skala blir svært komplisert på grunn av hvor intrikate disse mønstrene må være. Mange selskaper kæmper med dette akkurat nå mens de prøver å gå fra laboratorieprøver til faktisk produksjon.

Gjennombrudd innen termisk styring med funksjonelle silikontmaterialer

Silikonfett med høy termisk ledningsevne (3 W/m·K) for effektelektronikk

Kraftelektronikk i dag må håndtere ekstremt høye varmenivåer som kan gå utover 300 watt per kvadratcentimeter, noe som betyr at vi trenger svært gode termiske grensesnittmaterialer for å takle dette. De nyeste silikongresemidlene på markedet oppnår nå termisk ledningsevne på rundt eller over 3 W per meter Kelvin takket være bedre sammensetninger med boronnitrid- og aluminiumoksid-fyllstoffer. Disse nye materialene overfører varme omtrent fire ganger bedre enn de eldre sinkoksid-forbindelsene fra tidligere tider. Laboratorier ledet av ledende forskere har testet disse gresemidlene og funnet ut at de reduserer temperaturtopper med mellom 18 og kanskje hele 22 grader celsius i IGBT-moduler. En slik forbedring betyr faktisk omtrent tretti prosent lengre levetid når det gjelder effektsyklusdrift for disse komponentene.

Silikonavstandsfyllinger i 5G-basestasjoners varmeavledningssystemer

Millimeterbølgearrayene som brukes i 5G-teknologi, skaper ganske intense varmepunkter, noen ganger opp til rundt 150 watt per kvadratcentimeter. Dette betyr at vi trenger spesielle gap-fyllere som faktisk kan tilpasse seg de små overflateunevenhetene som er mindre enn 50 mikrometer fra hverandre. Disse silikongummikomposittene med fasetransformasjon fungerer veldig godt fordi de holder et godt trykkontakt over 15 pund per kvadrattomme, selv når temperaturene svinger kraftig mellom minus 40 grader celsius og pluss 125 grader. De håndterer disse justeringsproblemene som er så vanlige i store MIMO-antenneoppsett. Undersøkelser av faktiske felttester i bymiljø viser også noe interessant. Den termiske motstanden fra komponentkrysningspunkt til omgivende luft synker med omtrent en fjerdedel når man bruker disse materialene i stedet for vanlige grafittark. Det betyr mye for hvor lenge systemer varer før de trenger vedlikehold eller utskifting.

Analyse av kontrovers: Silikon versus grafenbaserte termiske grensesnittmaterialer

Grafenforsterkede TIM-materialer teoretisk tilbyr varmeledningsevne så høy som 1500 W/mK, men praktiske anvendelser møter utfordringer knyttet til overgangsmotstand og oksidasjonsproblemer når de utsettes for fuktige forhold med over 80 % relativ fuktighet. Forskning publisert i Advanced Materials i fjor viste at silikongummi-baserte komposittmaterialer beholdt omtrent 92 % av sin opprinnelige termiske effektivitet, selv etter å ha gjennomgått 5000 sykluser med fukt- og frysetester. Det er ganske imponerende sammenlignet med grafenalternativer, som kun beholdt omtrent 67 % effektivitet under lignende forhold. Og når vi tar med i betraktningen de naturlige elektriske isolasjonsegenskapene disse materialene har (med CTI-verdier over 600 volt), er det tydelig hvorfor mange ingeniører foretrekker silikon for kritiske elektroniske systemer, selv om det ikke når de høyeste ledningsevneverdiene på papiret.

Optisk silikon i neste generasjons skjerm- og belysningsteknologier

Høy lysgjennomslatelig silikon for Mini LED-pakking

Silikon med god optisk klarhet og omtrent 92 % synlig lysoverføring er blitt en nødvendig komponent i mini-LED-pakking disse dager. De gjør at produsenter kan lage skjermer som ikke bare er tynnere, men også leverer mye bedre lysstyrke over hele skjermoverflaten. Det som skiller disse materialene ut, er deres evne til å redusere spredning av lys uten å gå på kompromiss med strukturell styrke når temperaturen stiger under drift. Ifølge ny forskning fra Mini LED Packaging-studien fra 2023 viser UV-stabile varianter minimal fargeforandring, med mindre enn 2 % gulning, selv etter 1 000 timer under akselererte aldringstester. Denne ytelsen gjør dem til ideelle valg for applikasjoner der eksponering for sollys er vanlig, som for eksempel i bilunderholdningssystemer eller de fine brettbar telefoner som folk bretter og utbretter hele dagen.

Justerbar brytningsindeks i optisk silikon forbedrer skjermeffektivitet

Silikon produsert med justerbare brytningsindekser i området fra 1,41 til 1,53 bidrar til å redusere de irriterende Fresnel-refleksjonene som oppstår der materialer møtes. Resultatet er at produsenter ser en økning på omtrent 18 % i mengden lys som ekstraheres fra mikro-LED-arrayer, sammenlignet med vanlige kapslingsmaterialer tilgjengelig på markedet i dag. Når brytningsindeksen til disse halvlederlagene passer godt med den optiske silikonen som brukes, oppnår selskaper bedre lysutgang samtidig som produktene beholdes termisk stabile og fysisk fleksible nok til praktiske anvendelser.

Industriell paradoks: Balansere klarhet og holdbarhet i transparente silikoner

Selv om laboratoriegradsilikon kan oppnå 94 % lysgjennomgang, ofte bytter kommersielle versjoner klarhet for holdbarhet – skraptbestandige fyllstoffer reduserer vanligvis transparensen med 6–8 %. Nye nanoskalige overflatebehandlinger bevarer nå >90 % gjennomgang samtidig som slitasjemotstanden tredobles, en kritisk fremgang for AR/VR-linser og utendørs digital skilting utsatt for miljøpåvirkning.

Smart integrasjon og IoT-kompatibilitet i silikontilbehør for elektronikk

Sliklonet er så fleksibelt at det er mogleg å plassere alle slags arbeidstykke i ein beige struktur. Temperatursensorar som er bygd inn i desse materiala held nøyaktigheten si på rundt ein halv grad Celsius sjølv om dei er bøygde femti gonger. Og i mellomtiden, har dei utvikla sine eigne funksjonsdatamåler som er såpass gode som 98 prosent. Denne typen handlingar er rett nok så mange som kjem fram her, når ting flyttar omkring, og dei er under kontroll. Dette tyder at applikasjonane våre er klarare enn nokon gong, fordi me kan samle inn dataene frå sensorn i objektet for å sjå kva som skjer der ute, utan å måtte bekymra oss for at sensorn ikkje fungerer under normale omstende.

Wireless laden har blitt forsterka gjennom silikonkapseling, med nylege prototyper som oppnår 84% effektivitet gjennom 3 mm tjukke hylster. Under 15W-rask lading, held varmen seg under 40°C, ifølge 2023 Wireless Power Consortium-data. Denne termiske stabiliteten gjer silikon ideell for smartwatch band og medisinsk bruk som krev hyppig sterilisering.

Marknaden er klar for å bevege seg framover med smarte silikonapparater som kvart år viser ein vekst på rundt 25 prosent, sidan folk vart meir interessert i helsa. Ifølgje nyleg funne frå MarketsandMarkets i 2024, vil nesten to tredjedelar av alle brukarane at treningsutstyrane deira skal følgja vitale teikn. Dei beste selskapene på området har byrja å laga saman utstyr som inkluderer biokompatible SpO2-sensorar saman med hudledningsmonitorar. Desse produkta brukar medisinsk kvalitet silikonmateriale som oppfyller krav til ISO 10993-5 og er spesielt utformte for langvarig slit mot huden utan å forårsaka irritasjon eller ubehag. Denne kombinasjonen av avansert teknologi og skinvennlege materiale gjer desse pålegelege apparatane både effektive og komfortable for daglig bruk.

Tilpassing og framstilling av tilbehald til silikonelektronikk

3D-printing av tilbehør til silikone-elektronikk

Silicon-elektronikk har endra seg mykje med additive manufacturing-teknikkar som gjer at kroppane våre kan bli laga med berre ein halv millimeter grad av nøyaktigheit. Med dobbelt 3D-trykk kombinerer store deler av den massive krinsen med desse flotte mjuke tomma som desse pasientene kan drikka fram nett ved ved huden. Dette er særleg nyttig når me gjer brukbare apparater som fungerer i ein MR-maskin utan å forstyrra. Me har redegjort for utviklingstider på prototyper med 87 prosent sidan me skifte frå gamle skodeskul, noko som er blitt bekreft i fjor i Custom Silicone Applications Report. Og dei oppfyller alle kravene til vanntetthet, som er pålagde ved hjelp av IP67, som er nødvendig i vannhusane der ting er lett fuktige.

Massepersonaliseringstrender i forbrukerelektronikk med bruk av LSR-gjåving

Nylegforbetringar i LSR-sprøytingsstøping gjer det mogleg å produsera svært personaliserte produkter takkar AI-styrte muldvar og justeringar i sanntid av kor løysig silikonen vert under prosessering. Ta eit stort smartwatch-merke som døme, dei kan laga rundt 150 ulike fargar med varierande fasthetsnivå frå mjuk til mellomhard (om lag 50 til 80 på Shore A-skala) alle i same parti. Forbrukarane ønskjer at kjøkkenutstyret deira skal sjå unikt ut i dag, så denne typen tilpasning passar rett inn i kva folk bed om. Og produsentarane klarer å halde dei viktige UL94-V0 brandsikringsstandarderne for bruken av mobil, Industrien fortel at denne teknikken gjer at materialet som vert kastet bort, minkar med cirka ein tredjedel. Likevel er det vanskeleg å lage kompliserte deler på under 60 sekund per syklus, sjølv om produsentene har gjort ein enorm innsats.

OFTOSTILTE SPØRSMÅL

Kva gjer flytande silikongummi (LSR) ideelt for fleksible kretsar?

LSR er ideell for fleksible kretsar på grunn av den utmerkelege stretchegjerdigheten (om lag 500% spenningsavving) og termiske stabiliteten, som opprettholder ytelse over temperaturar som går frå -50°C til 200°C.

Kva er nyttane av silikonbaserte hudliknande sensorar for helsekontroll?

Slike sensorar på silikonbasert hud tilbyr fordelar som høge nøyaktighet (98,3% samanlikna med 75% for stive elektroder), andaskap og redusert hudirritasjon, og er derfor egne til langtidsmonitoring.

Kvifor er termisk styring viktig i silikoneelektronikk?

Termisk styring er avgjørende fordi silikoneelektronikk ofte støter på høge varmenivå; effektive termisk styringsmateriale, som avanserte silikongreisar, kan forbetra lengd og ytelse til apparaten.

Korleis bidrar silikon til kompatibilitet i Internett?

Fleksibiliteten til silikon gjer at det er mulig å integrera komponenter som temperatur- og bevegelsessensorar, slik at det er mulig å samle påliteleg data i IoT-enheter utan risiko for mekanisk feil.

Korleis har 3D-printing påverka produksjonen av silikon-elektronikk?

3D-printing har revolusjonert produksjonen av silikonelektronikk ved å laga tilpassade, kroppsforma deler med høgt nøyaktighet og reduserte utviklingstidene til prototyper med omtrent 87%.