Advanced Electronic Materials: 基于全聚合物的多功能一体化可穿戴电子皮肤

近年来,随着可穿戴电子器件的需求增长,多功能化是其未来发展方向。设计、组装目标器件的困难点在于:1)如何在一个器件中,集成化不同的功能型材料,2)同时满足柔性器件对机械稳定性的要求。对不同功能的集成化而言,借助复合功能材料,实现多功能化,比如摩擦发电,压力感应,感触可视化等。此外,实现机械稳定性优异的可拉伸电子器件,是可穿戴器件的最佳设计选择。而聚合物的多功能性以及可拉伸机械稳定性,是实现可穿戴器件的最佳材料选择。

近期,香港城市大学支春义教授团队设计了一种基于全聚合物的可拉伸可穿戴电子皮肤器件。在同一个器件中,实现了上述三种不同的功能,并且表现出了优异的机械稳定性。该器件选择可拉伸水凝胶聚合物为电极层,可拉伸硅胶/硫化锌为力致发光聚合物复合层,硅胶为保护层,通过原位聚合的策略,实现了电极层在中间位置的三明治结构器件。此电子皮肤器件表现出了优异的性能:1)对摩擦发电功能而言,该器件可以输出峰值电压为180 V,功率密度为625 μW cm-2,连续10000圈保持输出稳定性。2)对于压力传感而言,该“皮肤”器件可以检测到0.58 kPa的压力极限,其灵敏度为0.23 kPa-1。通过像素点分布的策略,还可以准确地进行压力位置检测。3)对于感触可视化而言,该器件可以把外界施加力的大小以及位置,通过力致发光过程,对应到光的亮度以及位置,从而实现可视化。此外,由于该器件各个功能层可拉伸性极好,组成器件也表现出了优异的可拉伸性。器件在拉伸到原长度的8倍后,依然表现出良好的性能。

最后,研究者们展示了电子皮肤器件在可穿戴器件方面的潜在应用,比如给电子手表充电,感应压力大小位置等。本工作发表在Advanced Electronic Materials(DOI:10.1002/aelm.201900553)上。香港城市大学博士生梁国进、阮兆恒为该文章第一作者。