Fundamentals of Self-Aligned Capillary-Assisted Processes for Flexible Electronics

柔性电子产品自对准毛细管辅助工艺的基础知识

基本信息

  • 批准号:
    1634263
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.27万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-08-01 至 2020-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The goal of flexible electronics is to combine electronic functionality with mechanical flexibility to enable applications such as flexible displays, wearable electronics and flexible lighting products. High performance electronic devices require fine dimensions and precisely aligned layers of multiple electronic materials; hence, a key challenge in the field is developing a manufacturing platform capable of economically producing these architectures on flexible substrates. This award supports fundamental research on a new, liquid ink-based manufacturing process known as Self-Aligned Capillarity-Assisted Lithography for Electronics (or SCALE). SCALE has the potential to be a disruptive technology in the field of printed flexible electronics, because it removes a significant technological barrier, the need to precisely align printed layers of functional ink, reduces cost, and makes possible flexible electronics-based new products that will improve our quality of life. The fundamental studies will impact many scientific and engineering fields, including printed electronics, electronic ink development, fluid mechanics and interfacial phenomena. The efforts also include research experiences designed to retain freshmen in engineering, development of manufacturing educational materials and outreach to industry.SCALE involves imprinting a multilevel, recessed open network of reservoirs, capillaries and device structures on a flexible substrate, delivering electronically functional inks into the reservoirs by inkjet printing and using capillarity to selectively and sequentially fill features to create electronic components, devices and circuits. SCALE has many advantages: it is additive, self-aligned, highly parallel, amenable to roll-to-roll (R2R) processing, and scalable in terms of manufacturability and substrate area. SCALE-based conductive networks, capacitors, resistors and thin film transistors have features sizes in range of ~5 µm and below, but the target reservoirs for ink delivery, on the other hand, are an order of magnitude larger, which enables the R2R approach. This research uses a combined approach of fluid mechanics modeling, fundamental processing experiments, including high speed visualization, and electronic ink development to uncover the science and engineering of R2R SCALE. The team will use a unique Multifunctional R2R Coating and Printing Apparatus in the Coating Process and Visualization Lab, as well as a R2R nanoimprinting apparatus to demonstrate an all R2R approach.
柔性电子的目标是将电子功能与机械灵活性相结合,以实现柔性显示、可穿戴电子产品和柔性照明产品等应用。高性能电子器件需要精细的尺寸和精确排列的多层电子材料;因此,该领域的一个关键挑战是开发一个能够在柔性基板上经济地生产这些架构的制造平台。该奖项支持一种新的基于液体油墨的制造工艺的基础研究,称为自校准毛细管辅助光刻电子(或SCALE)。SCALE有可能成为印刷柔性电子领域的一项颠覆性技术,因为它消除了一个重大的技术障碍,即精确对齐印刷功能油墨层的需要,降低了成本,并使基于柔性电子的新产品成为可能,这将提高我们的生活质量。这些基础研究将影响许多科学和工程领域,包括印刷电子学、电子墨水开发、流体力学和界面现象。这些努力还包括研究经验,旨在留住工程专业的新生,开发制造教育材料,并向工业推广。SCALE包括在柔性基板上刻印多层、凹进式开放的储层、毛细血管和设备结构网络,通过喷墨打印将电子功能墨水输送到储层中,并利用毛细血管选择性地、顺序地填充特征,以创建电子元件、设备和电路。SCALE具有许多优点:它是可添加的、自对准的、高度平行的、适用于卷对卷(R2R)加工,并且在可制造性和基板面积方面具有可扩展性。基于scale的导电网络、电容器、电阻器和薄膜晶体管的特征尺寸在~5µm及以下,但另一方面,用于油墨输送的目标储存器要大一个数量级,这使得R2R方法成为可能。本研究采用流体力学建模、基础处理实验(包括高速可视化)和电子墨水开发相结合的方法来揭示R2R SCALE的科学和工程。该团队将在涂层过程和可视化实验室中使用独特的多功能R2R涂层和打印设备,以及R2R纳米压印设备来演示全R2R方法。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
High-Resolution, High-Aspect-Ratio Printed and Plated Metal Conductors Utilizing Roll-to-Roll Microscale UV Imprinting with Prototype Imprinting Stamps
  • DOI:
    10.1021/acs.iecr.8b03619
  • 发表时间:
    2018-12-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Jochem, Krystopher S.;Suszynski, Wieslaw J.;Francis, Lorraine F.
  • 通讯作者:
    Francis, Lorraine F.
Near-IR sintering of conductive silver nanoparticle ink with in situ resistance measurement
导电银纳米颗粒墨水的近红外烧结及原位电阻测量
  • DOI:
    10.1007/s11998-019-00268-5
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Keller, David J.;Jochem, Krystopher S.;Suszynski, Wieslaw J.;Francis, Lorraine F.
  • 通讯作者:
    Francis, Lorraine F.
Solution-based, additive fabrication of flush metal conductors in plastic substrates by printing and plating in two-level capillary channels
通过在两级毛细管通道中印刷和电镀,基于解决方案的增材制造塑料基材中的齐平金属导体
  • DOI:
    10.1088/2058-8585/ac298a
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Jochem, Krystopher S;Kolliopoulos, Panayiotis;Frisbie, C Daniel;Francis, Lorraine F
  • 通讯作者:
    Francis, Lorraine F
Capillary-flow dynamics in open rectangular microchannels
  • DOI:
    10.1017/jfm.2020.986
  • 发表时间:
    2021-01-28
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Kolliopoulos, Panayiotis;Jochem, Krystopher S.;Kumar, Satish
  • 通讯作者:
    Kumar, Satish
Self-aligned capillarity-assisted printing of top-gate thin-film transistors on plastic
  • DOI:
    10.1088/2058-8585/aad476
  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    W. J. Hyun;E. Secor;Fazel Zare Bidoky;S. B. Walker;J. Lewis;M. Hersam;L. Francis;C. Frisbie
  • 通讯作者:
    W. J. Hyun;E. Secor;Fazel Zare Bidoky;S. B. Walker;J. Lewis;M. Hersam;L. Francis;C. Frisbie
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知道了