浦項-延世大學聯合研究用於3D電路列印的液態金屬油墨


浦項-延世大學聯合研究用於3D電路列印的液態金屬油墨

2021-01-17 3xmaker合越智能

POSTECH-延世大學聯合研究團隊開發用於3D電路列印的液態金屬油墨

可以直接印刷在可拉伸基材上的導電和可拉伸電極引起了可穿戴電子產品和電子皮膚的廣泛關注。包含液態金屬的可印刷油墨是這些應用的理想選擇,但是在液態金屬顆粒周圍形成的絕緣氧化物表皮會限制其導電性。

當今的電子設備正在努力尋求新的外形-使它們可摺疊,可拉伸和可變形。爲了生產這種高度可拉伸或可變形的裝置,有必要開發其電性能可經受嚴酷的變形或機械損傷的電極和電路線。爲此,POSTECH-延世大學聯合研究團隊最近開發了液態金屬油墨,以加速可改變爲任何形狀的印刷電子設備。

POSTECH材料科學與工程系的鄭永永教授和Selvaraj Veerapandian博士與延世大學材料科學與工程系的Aloysius Soon教授和Woosun Jang博士共同開發了具有高電導率和粘塑性的液態金屬微粒。這些研究結果發表在國際權威的《Nature Materials 》雜誌上2021年1月4日(”用於可拉伸的印刷金屬線的氫摻雜的粘塑性液態金屬微粒”)。

在脂肪族聚合物的存在下,通過超聲處理引入的氫摻雜使氧化物皮具有高度的導電性和可變形性。在500%單軸拉伸時具有出色的機電去耦,對刮擦的機械抵抗力以及在寬廣的溫度和溼度範圍內的長期穩定性。印刷線路的自鈍化允許直接印刷用作可拉伸電感應變傳感器的三維電路線路和雙層平面線圈。

拉伸過程中粘性液態金屬顆粒的光學顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。在此過程中,微粒表面的氧化膜可能會拉伸並形成皺紋,即使反覆拉伸也不會破裂。

電子設備通常使用由諸如金,銀或銅的硬質金屬製成的電極和電路線。然而,這樣的金屬基板在外部壓力和伸長時會破裂並失去其導電性,從而使其不適用於可變形電子設備。相反,液態金屬-在室溫下像液體一樣流動,並且易於變形和高度導電-由於其在可拉伸電路線路中的潛在適用性而引起了極大的關注。但是,當將這些液態金屬製成墨水時,表面會形成絕緣的氧化皮,在印刷後會去除導電性。

聯合研究小組設計了一種通過將氫離子摻雜到液態金屬微粒的氧化膜中而將其轉變爲導體的方法。爲了從理論上通過氫摻雜驗證氧化膜的電導率,研究小組使用了基於量子力學的材料模擬,以證實氫摻雜的氧化銦或鎵的導電性與目前正在使用的銦錫氧化物(ITO)電極相似。用於透明電極。研究人員還證實,聚合物吸附到表面的氫摻雜氧化膜具有粘塑性,可以承受約300%的伸長應變而不會破裂。

這種包含氫摻雜的液態金屬微粒的新型液態金屬油墨可以在各種可拉伸基材上直接印刷3D電路線。由於微粒可以在變形時保持高電導率而改變形狀,因此即使在拉伸超過500%時,印刷電極和電路線的電阻變化也可以忽略不計,即使在高溼度,高溫或嚴重機械損壞等惡劣環境下也可以保持電性能。預計這項創新技術將有助於開發下一代可拉伸設備。

二次印刷同心天線結構。通過在同心圓結構的頂部塗覆新的同心圓,可以印刷雙層天線結構。

延世大學不久的Aloysius教授說:”到目前爲止,還沒有研究過如此高的金屬氧化物粘塑性。”從對導電氧化物皮的粘塑性的研究開始,就開闢了開發半導體和絕緣體的韌性金屬氧化物的可能性。”

由鄭永勇教授領導的POSTECH研究團隊正在致力於使用最新開發的墨水和印刷技術將高度可拉伸的電路商業化。由於他們的液態金屬油墨允許使用傳統的印刷方法來製造複雜的3D電路而沒有洩漏電流,因此新的油墨預計將通過3D列印在其他行業(如機器人技術,電子皮膚和可穿戴設備)中高度適用。

Unyong Jeong教授補充說:”這項研究的最終目標是開發可伸縮和可摺疊的3D電子設備,即使在惡劣的條件或機械損壞下也能保持其電子屬性。”