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    9. 鄭州大學材料學院教授劉旭影:科研人員要找準方向、對準目標、瞄準前沿

      2022-04-14 中國包裝材料網

      簡介:時至3月下旬,鄭州大學南校區里的樹木大多已經冒出嫩綠的細芽,從劉旭影教授位于教七樓一樓的辦公室向外看,能看到正在跳躍著的麻雀,以及...

      時至3月下旬,鄭州大學南校區里的樹木大多已經冒出嫩綠的細芽,從劉旭影教授位于教七樓一樓的辦公室向外看,能看到正在跳躍著的麻雀,以及微風吹過后簌簌顫動的花與葉的影子。生機勃勃的氣息洋溢在美麗的校園中,給匆匆過往的科研人員增添一份愜意。

      2017年,劉旭影在日本國立物質材料研究所(National Institute for Materials Science,NIMS)拿到Tenure Track職位,在2019年即將轉任終身教職之際選擇回國,以材料學科特聘教授的身份正式加盟鄭州大學。

      在不到三年的時間里,他與團隊成員一起把這個原本堆滿雜物的老式教學樓的一樓變成了省內首個印刷柔性電子材料與器件領域的研發陣地。他的實驗室里已經匯聚了10多位青年博士與30多名研究生,其團隊成員在實驗室不舍晝夜,在Advanced Materials、Advanced Science、NPGAsia Materials、Materials Horizons等國際學術期刊上現已發表研究論文50篇,申請國內外發明專利10項。部分研究成果已經受到國內外同行和業界的關注。

      近些年,劉旭影教授作為項目負責人或主要參與人員獲得國家自然科學基金、日本新能源產業技術綜合開發項目(NEDO)、戰略創新研究推進項目(CREST)、日本文部科學省GCOE(全球精英計劃,能源類)和學術振興會科研費(Young Scientist B)等多項自然科學基金資助。

      受新冠疫情的影響,實驗室建設方面困難陡增,需要的儀器設備的交付日期被一次次延遲,這是他目前最大的困擾之一。但他對今年的實驗室研究進展依然保持著樂觀的預期。“我們現在已經有了相對成熟的技術和產品,等到六七月份你們再來看,這里應該就已經堆滿(儀器)了,進度也會更快。”劉旭影告訴我們。

       

      1、即將拿到永久教職之際選擇回國

      1998年,金屬薄膜在彈性基底上的有序屈曲現象第一次被N.Bowden等人提出,電子器件柔性化的研究引起西方學界重視。2000年,美國《Science》雜志將其與人類基因組草圖、生物克隆技術等一同評為世界十大科技成果。

      柔性電子行業是5G時代全球科技和產業競爭的關鍵賽道之一,在物聯網與5G時代到來的今天,全球市場對該技術方向的關注度更是有增無減,也是全球很多高校實驗室和市場研發機構重要的研發方向之一。

      大概十年前,國內陸續有高校開始布局這一領域,如南京工業大學柔性電子技術研發中心于2012年成立、華中科技大學柔性電子研究中心于2015年成立等。但截至目前,國內在柔性電子設備領域的研究仍然處于跟跑水平,而且尚未有可以進入市場化的成果。

      劉旭影告訴我們,他是讀研究生時表現出對這一領域的好奇心。通過查閱相關文獻和報道,他更堅定了朝著這個方向發展的決心。為了更快入門,他曾咨詢所在專業的每個教授,跟不同研究方向的老師請教關于柔性電子材料最前沿的技術和風口,尋找自己最感興趣的方向,并最終確定了進入印刷柔性電子材料與器件研究領域。

      據其介紹,常規電子設備(如近日備受關注的電子飛行數據記錄儀,即“黑匣子”)仍然處于“硬質”時代,在面對復雜條件時,剛性結構器件無法真實傳遞數據信息,而“柔性材料”則“在拉、壓、彎和扭等變形下保持良好性能的能力,并具有良好的便攜性和適應性,彌補了剛性器件的不足”。

      “柔性電子設備的可應用面很廣,比如,柔性傳感器、柔性集成電路以及可穿戴智能機械等。柔性電子一般以金屬或電子材料薄膜——柔性基底的結構形式出現,關鍵就是在大變形的情況下仍能保持結構和功能的完整性,而這主要取決于電子電路的結構形式、材料及兩者的優化匹配。從軍用領域來看,柔性電子設備輕便,便于運輸,在山區等惡劣條件下能保持良好的性能,適用于搜救等極端情況。從民用領域來看,我們主要研發柔性顯示屏與柔性傳感器,在通信信息、生物醫藥、機械制造等方面都有很大的用途。”劉旭影給我們解釋說。

      圖片

      從研究生階段開始,劉旭影對這一領域的興趣愈發濃厚,并決定出國深造。

      “當時國內做這個領域的高校還比較少,在北京我接觸到很多新的機會和很多高水平的老師,從他們身上,我看到了自己想要去突破和追求的東西。”劉旭影說,“科研人員需要認準方向,腳踏實地,堅持下去;同時,多了解前沿技術,保持與同行溝通交流。”

      在日本期間,劉旭影獲得了東京工業大學電子與應用物理專業博士學位,之后進入NIMS傳感器-致動器研究中心印刷柔性電子研究室工作。

      當時,劉旭影所研究的印刷電子是制備柔性電子設備的方式之一,其使用多種電子功能油墨通過套印方式疊加印刷,形成復雜的電子功能結構。這種方式可以直接將功能材料以圖形化方式沉積到基底表面,簡化原本的制作步驟,使得使用低成本、個性化、大規模的柔性材料表面制造電子器件與電路成為可能。

      2016年,他所研發的超高分辨印刷電子技術和超高載流子遷移率器件制備技術獲得KIDSawards Gold Prize(韓國信息顯示協會發明金獎),并且成功申請到ICYS(國際青年科學家中心)研究員職位,距離拿到終身教職也僅一步之遙。

      “也是從那個時候開始,我覺得自己的成果在這個領域里有了一定的影響力,我決定回國,獨立開展相關領域的科研工作。”劉旭影說。

       

      2、投身柔性電子電路的研發及應用研究

      2019年,劉旭影從日本回國,并接受鄭州大學的聘請在材料學院研究柔性高性能電子電路集成技術。

      而事實上,在2014年到2018年期間,他與鄭州大學之間的合作就開始趨向密切。“學校及材料學院的領導和老師給了我很大的支持,他們對人才的高度重視讓我感覺到溫暖和可靠。”劉旭影說。

      對話當天,劉旭影帶領我們走過布滿實驗室的走廊:有的房間在除濕不能進入,有的房間必須要換上鞋套才能進入。白色的門上分門別類的貼上說明功能的標簽,一臺臺精密儀器在安靜的運轉著,無聲的記錄著探索學術邊界的過程。

      他向我們介紹了其團隊現有的研發布局,柔性電子電路的應用范圍要更加廣泛,其實驗室對于柔性電子電路的研發主要集中在智能健康醫療和智慧包裝物流兩方面。

      在其看來,柔性電子器件在未來大有可為。譬如,人體在活動時,往往同時會發生包括切變、扭轉、彎曲以及拉伸張力等在內的多重應變,硬質傳感器無法做到與皮膚緊密貼合,柔性傳感器具有柔韌性好、透明度高、質量輕、生物相容性好以及多功能性等特點,可以滿足未來的醫療需求。就智慧物流來看,通過使用柔性電路與傳感器,我們有可能實現對包裹內物品的實時監測,從而避免內部物品的損壞、丟失等意外情況的發生。

      截至目前,他和團隊已經研發出了實驗室級別的產品,如用于大面積柔性顯示、傳感和存儲等領域的導電油墨、高介電聚合物油墨和有機半導體油墨等產品,并在去年成立了公司,準備以項目化的形式將產品推向市場。

      “我們屬于應用基礎研究,從材料到工藝到器件集成最終到實際應用是一個全鏈條的過程。每一個環節的材料我們都需要去考慮。產品的可應用性是我們成立研發項目的一個至關重要的因素?,F在,河南市場還沒有發育成熟,實驗室更多是與江浙一帶的企業合作,但柔性電子設備將是國家有可能在科技領域實現超車的重要賽道之一,我們相信它的前景。”劉旭影說。

      經過二十余年的發展,研究機構在柔性電子領域已積攢了大量的技術儲備,并陸續被運用在折疊屏、穿戴醫療設備、便攜救援裝備、智能教具等新興產品和服務領域,不僅市場成長很快,并對企業的核心競爭力產生深刻影響。

      根據英國IDTechEX公司數據顯示,2018年全球柔性電子市場為469.4億美元,預計到2028年市場整體規模將達到3010億美元,處于長期高速增長態勢。

      當然,劉旭影承認當前國內柔性電子器件的研發和市場都還沒有發展成熟,主要是前期積累不足的問題。相對而言,中國對于柔性電子領域的研究起步比較晚,現在需要的很多精加工設備仍然需要從外國進口,因為國內廠家生產的機器在精度上達不到要求。

      “我們國內不缺好的企業和優秀人才,我們缺的是時間。”劉旭影說。

      參考文獻:

      [1]劉旭,呂延軍,王龍飛,趙銀燕.可延展柔性電子技術研究進展[J].半導體技術, 2015,40(03).

       

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