用于可拉伸与可弯曲光电器件封装的材料、工艺与结构策略

像皮肤一样能拉伸的电子器件

想象一下可以揉成一团放进口袋的手机屏幕、一块带有发光功能并能监测健康状况的绷带，或是在太空中展开的一卷太阳能电池。所有这些都依赖于能够弯折和拉伸而不断裂的电子元件。但存在一个安静的“反派”会在机械损伤发生之前毁掉这些器件：来自空气中悄悄渗入的少量水分和氧气。本文解释了科学家们如何学习为柔性光源和太阳能电池披上一层既能抵御潮气又足够柔软以随器件弯曲的“雨衣”。

为什么柔性设备需要特殊保护

新型光电器件——那些把电转成光或把光转成电的装置——不再只是桌面上的平板盒子。它们出现在可穿戴显示器、电子皮肤、可投影信息的弯曲汽车挡风玻璃，以及用于卫星与月球的可卷曲太阳能电池。此类系统不仅弯曲；它们还会拉伸、扭曲并裹覆曲面。这意味着器件内的每一层都必须协同变形，而不能依赖刚硬的外壳。与此同时，许多高效的发光和光电转换材料对湿气和氧气极为敏感。即便是几个月内通过的微量水汽，也能使显示器变暗或毁坏太阳能电池，因此最外层的保护层——封装——在很大程度上决定了器件在现实环境中的寿命。

核心两难：柔软与密封

作者指出，目前的材料大致分为三类，各有优劣。诸如硅橡胶和聚对二甲苯（parylene）等柔性聚合物具有可拉伸、透明且易于加工的优点，适合随皮肤运动的可穿戴设备。但它们的内部结构包含大量空隙与缺陷，水分子可以相对容易地渗透。相比之下，类玻璃氧化物和某些金属等无机材料几乎是气密的：在实验室测试中，它们能将水分渗透量削减到相当于一个月内在足球场面积上只通过一滴水的水平。不幸的是，这些层通常脆性高，在即便是适度的应变下也会开裂，突然形成快速的潮气通道。综述认为，要实现真正实用的可拉伸器件，必须在柔软性与密封性之间找到折中方案。

混合材料与测量看不见的渗漏

一种有前景的做法是构建将软硬部件以精心设计的叠层或混合物结合的混合体系。薄而致密的氧化物层可以作为主要屏障，而上下的聚合物层吸收应变、阻止裂缝并抚平缺陷。其他设计则是在橡胶基体中分散片状无机薄片，使水分子不得不绕行一条曲折的迷宫而非直通而过。文章说明了研究人员如何用水蒸气透过率这一单一数字来评估成败，它表示每天有多少湿气穿过膜。由于失效常常始于针孔或裂缝，科学家们使用灵敏的电学和光学测试，在屏障下放置高反应性的金属；任何渗透的水都会腐蚀金属，改变其电导或外观，从而揭示屏障在长期以及弯曲或拉伸条件下的表现。

让薄膜在变形时不致断裂的结构设计

除了膜的材料成分外，其几何形状也很重要。综述强调了一些结构技巧，使即便是脆性材料也能在大变形下存活。一种策略是先将软基底预拉伸，沉积一层薄硬膜，然后释放应变，使表面形成规则的皱褶或波纹。当器件日后再次被拉伸时，这些波纹会温和地伸展，而不是迫使硬层本身伸长。波纹状的类玻璃薄膜和起皱的塑料涂层在仍能达到高端显示所需的防潮水平的同时，可承受约20%的应变。另一种策略是将敏感的像素或太阳能电池置于小的刚性“岛”上，通过蛇形金属桥连接。桥梁吸收大部分运动，而紧凑的混合屏障叠层以有限的拉伸要求保护相对刚性的有源区域。

为现实应用设计：从皮肤到太空

最后，文章将这些材料与结构置于更广泛的设计框架中。用于医疗植入物或电子皮肤的屏障必须经受汗液、体液和持续弯曲，同时保持薄、轻和舒适。对于空间太阳能板，潮气关注度较低，但恶劣的紫外线、原子氧和巨大的温度变化更为关键，因此耐辐射、无裂纹的层压材料至关重要。作者认为，未来的进展将来自协同设计：将材料、制造方法和机械布局一并选择，并以现实的湿气渗透与机械疲劳测量为指导。若能妥善实施，这种综合方法应能实现既看起来未来感十足又足够耐用、能在日常生活中发挥作用的可拉伸光源与太阳能电池。

引用: Yoo, H., Lee, SH., Kwak, JY. et al. Materials, processing, and structural strategies for encapsulation in stretchable and flexible optoelectronics. npj Flex Electron 10, 42 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00545-5

关键词: 可拉伸电子学, 柔性显示器, 防潮屏障, 混合封装, 可穿戴光电器件