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  • 郑州大学材料学院教授刘旭影:科研人员要找准方向、对准目标、瞄准前沿

    2022-04-14 中国包装材料网

    简介:时至3月下旬,郑州大学南校区里的树木大多已经冒出嫩绿的细芽,从刘旭影教授位于教七楼一楼的办公室向外看,能看到正在跳跃着的麻雀,以及...

    时至3月下旬,郑州大学南校区里的树木大多已经冒出嫩绿的细芽,从刘旭影教授位于教七楼一楼的办公室向外看,能看到正在跳跃着的麻雀,以及微风吹过后簌簌颤动的花与叶的影子。生机勃勃的气息洋溢在美丽的校园中,给匆匆过往的科研人员增添一份惬意。

    2017年,刘旭影在日本国立物质材料研究所(National Institute for Materials Science,NIMS)拿到Tenure Track职位,在2019年即将转任终身教职之际选择回国,以材料学科特聘教授的身份正式加盟郑州大学。

    在不到三年的时间里,他与团队成员一起把这个原本堆满杂物的老式教学楼的一楼变成了省内首个印刷柔性电子材料与器件领域的研发阵地。他的实验室里已经汇聚了10多位青年博士与30多名研究生,其团队成员在实验室不舍昼夜,在Advanced Materials、Advanced Science、NPGAsia Materials、Materials Horizons等国际学术期刊上现已发表研究论文50篇,申请国内外发明专利10项。部分研究成果已经受到国内外同行和业界的关注。

    近些年,刘旭影教授作为项目负责人或主要参与人员获得国家自然科学基金、日本新能源产业技术综合开发项目(NEDO)、战略创新研究推进项目(CREST)、日本文部科学省GCOE(全球精英计划,能源类)和学术振兴会科研费(Young Scientist B)等多项自然科学基金资助。

    受新冠疫情的影响,实验室建设方面困难陡增,需要的仪器设备的交付日期被一次次延迟,这是他目前最大的困扰之一。但他对今年的实验室研究进展依然保持着乐观的预期。“我们现在已经有了相对成熟的技术和产品,等到六七月份你们再来看,这里应该就已经堆满(仪器)了,进度也会更快。”刘旭影告诉我们。

     

    1、即将拿到永久教职之际选择回国

    1998年,金属薄膜在弹性基底上的有序屈曲现象第一次被N.Bowden等人提出,电子器件柔性化的研究引起西方学界重视。2000年,美国《Science》杂志将其与人类基因组草图、生物克隆技术等一同评为世界十大科技成果。

    柔性电子行业是5G时代全球科技和产业竞争的关键赛道之一,在物联网与5G时代到来的今天,全球市场对该技术方向的关注度更是有增无减,也是全球很多高校实验室和市场研发机构重要的研发方向之一。

    大概十年前,国内陆续有高校开始布局这一领域,如南京工业大学柔性电子技术研发中心于2012年成立、华中科技大学柔性电子研究中心于2015年成立等。但截至目前,国内在柔性电子设备领域的研究仍然处于跟跑水平,而且尚未有可以进入市场化的成果。

    刘旭影告诉我们,他是读研究生时表现出对这一领域的好奇心。通过查阅相关文献和报道,他更坚定了朝着这个方向发展的决心。为了更快入门,他曾咨询所在专业的每个教授,跟不同研究方向的老师请教关于柔性电子材料最前沿的技术和风口,寻找自己最感兴趣的方向,并最终确定了进入印刷柔性电子材料与器件研究领域。

    据其介绍,常规电子设备(如近日备受关注的电子飞行数据记录仪,即“黑匣子”)仍然处于“硬质”时代,在面对复杂条件时,刚性结构器件无法真实传递数据信息,而“柔性材料”则“在拉、压、弯和扭等变形下保持良好性能的能力,并具有良好的便携性和适应性,弥补了刚性器件的不足”。

    “柔性电子设备的可应用面很广,比如,柔性传感器、柔性集成电路以及可穿戴智能机械等。柔性电子一般以金属或电子材料薄膜——柔性基底的结构形式出现,关键就是在大变形的情况下仍能保持结构和功能的完整性,而这主要取决于电子电路的结构形式、材料及两者的优化匹配。从军用领域来看,柔性电子设备轻便,便于运输,在山区等恶劣条件下能保持良好的性能,适用于搜救等极端情况。从民用领域来看,我们主要研发柔性显示屏与柔性传感器,在通信信息、生物医药、机械制造等方面都有很大的用途。”刘旭影给我们解释说。

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    从研究生阶段开始,刘旭影对这一领域的兴趣愈发浓厚,并决定出国深造。

    “当时国内做这个领域的高校还比较少,在北京我接触到很多新的机会和很多高水平的老师,从他们身上,我看到了自己想要去突破和追求的东西。”刘旭影说,“科研人员需要认准方向,脚踏实地,坚持下去;同时,多了解前沿技术,保持与同行沟通交流。”

    在日本期间,刘旭影获得了东京工业大学电子与应用物理专业博士学位,之后进入NIMS传感器-致动器研究中心印刷柔性电子研究室工作。

    当时,刘旭影所研究的印刷电子是制备柔性电子设备的方式之一,其使用多种电子功能油墨通过套印方式叠加印刷,形成复杂的电子功能结构。这种方式可以直接将功能材料以图形化方式沉积到基底表面,简化原本的制作步骤,使得使用低成本、个性化、大规模的柔性材料表面制造电子器件与电路成为可能。

    2016年,他所研发的超高分辨印刷电子技术和超高载流子迁移率器件制备技术获得KIDSawards Gold Prize(韩国信息显示协会发明金奖),并且成功申请到ICYS(国际青年科学家中心)研究员职位,距离拿到终身教职也仅一步之遥。

    “也是从那个时候开始,我觉得自己的成果在这个领域里有了一定的影响力,我决定回国,独立开展相关领域的科研工作。”刘旭影说。

     

    2、投身柔性电子电路的研发及应用研究

    2019年,刘旭影从日本回国,并接受郑州大学的聘请在材料学院研究柔性高性能电子电路集成技术。

    而事实上,在2014年到2018年期间,他与郑州大学之间的合作就开始趋向密切。“学校及材料学院的领导和老师给了我很大的支持,他们对人才的高度重视让我感觉到温暖和可靠。”刘旭影说。

    对话当天,刘旭影带领我们走过布满实验室的走廊:有的房间在除湿不能进入,有的房间必须要换上鞋套才能进入。白色的门上分门别类的贴上说明功能的标签,一台台精密仪器在安静的运转着,无声的记录着探索学术边界的过程。

    他向我们介绍了其团队现有的研发布局,柔性电子电路的应用范围要更加广泛,其实验室对于柔性电子电路的研发主要集中在智能健康医疗和智慧包装物流两方面。

    在其看来,柔性电子器件在未来大有可为。譬如,人体在活动时,往往同时会发生包括切变、扭转、弯曲以及拉伸张力等在内的多重应变,硬质传感器无法做到与皮肤紧密贴合,柔性传感器具有柔韧性好、透明度高、质量轻、生物相容性好以及多功能性等特点,可以满足未来的医疗需求。就智慧物流来看,通过使用柔性电路与传感器,我们有可能实现对包裹内物品的实时监测,从而避免内部物品的损坏、丢失等意外情况的发生。

    截至目前,他和团队已经研发出了实验室级别的产品,如用于大面积柔性显示、传感和存储等领域的导电油墨、高介电聚合物油墨和有机半导体油墨等产品,并在去年成立了公司,准备以项目化的形式将产品推向市场。

    “我们属于应用基础研究,从材料到工艺到器件集成最终到实际应用是一个全链条的过程。每一个环节的材料我们都需要去考虑。产品的可应用性是我们成立研发项目的一个至关重要的因素。现在,河南市场还没有发育成熟,实验室更多是与江浙一带的企业合作,但柔性电子设备将是国家有可能在科技领域实现超车的重要赛道之一,我们相信它的前景。”刘旭影说。

    经过二十余年的发展,研究机构在柔性电子领域已积攒了大量的技术储备,并陆续被运用在折叠屏、穿戴医疗设备、便携救援装备、智能教具等新兴产品和服务领域,不仅市场成长很快,并对企业的核心竞争力产生深刻影响。

    根据英国IDTechEX公司数据显示,2018年全球柔性电子市场为469.4亿美元,预计到2028年市场整体规模将达到3010亿美元,处于长期高速增长态势。

    当然,刘旭影承认当前国内柔性电子器件的研发和市场都还没有发展成熟,主要是前期积累不足的问题。相对而言,中国对于柔性电子领域的研究起步比较晚,现在需要的很多精加工设备仍然需要从外国进口,因为国内厂家生产的机器在精度上达不到要求。

    “我们国内不缺好的企业和优秀人才,我们缺的是时间。”刘旭影说。

    参考文献:

    [1]刘旭,吕延军,王龙飞,赵银燕.可延展柔性电子技术研究进展[J].半导体技术, 2015,40(03).

     

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