一種在聚合物中制造導(dǎo)電液態(tài)金屬顆粒網(wǎng)絡(luò)的方法

韓國科學(xué)技術(shù)院(KAIST)14日宣布,由材料科學(xué)與工程系Jihyung Kang教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種在聚合物中制造導(dǎo)電液態(tài)金屬顆粒網(wǎng)絡(luò)的方法，并利用該方法實(shí)現(xiàn)了具有橡膠特性的可伸縮性印刷電路板。這項(xiàng)研究于11月11日作為封面論文發(fā)表在國際期刊《Science》上，論文標(biāo)題為"液態(tài)金屬顆粒在聚合物中的通用組裝可實(shí)現(xiàn)彈性印刷電路板"。

最近，隨著對(duì)可植入電子設(shè)備、可穿戴電子設(shè)備和軟機(jī)器人的興趣增加，研究人員對(duì)具有優(yōu)異彈性和電性能的可伸縮電子設(shè)備進(jìn)行了各種研究。為了實(shí)現(xiàn)這種伸縮性電子設(shè)備，需要制作可伸縮性印刷電路板。

為了實(shí)現(xiàn)可伸縮性印刷電路板，有人提出將銅等金屬顆粒在彈性高分子電路板上形成圖形，從而實(shí)現(xiàn)一種可拉伸的聚合物基板，但其局限性在于柔韌性有限，電子元器件密度降低。為了克服這些局限性，研究人員提出了可以自我拉伸并具有導(dǎo)電性的導(dǎo)電聚合物、金屬納米材料-聚合物復(fù)合材料等，但這些都存在局限性，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑褂眠^程中電阻會(huì)快速變化，因此很難用作可拉伸的印刷電路板。

< 圖 1. 超聲波形成的納米級(jí)液態(tài)金屬顆粒形成液態(tài)金屬顆粒網(wǎng)絡(luò) >

液態(tài)金屬作為一種可以克服這些局限性的材料受到了極大的關(guān)注。液態(tài)金屬是一種在室溫下呈液態(tài)的金屬，由于其高導(dǎo)電性及像液體一樣的自由變形能力，被認(rèn)為是適用于可伸縮電子設(shè)備的材料。然而，由于液態(tài)對(duì)外部沖擊的不穩(wěn)定性，其用作印刷電路板的布線受到限制。

為了克服這個(gè)問題，許多研究人員試圖通過將液態(tài)金屬粉碎成微米級(jí)顆粒，然后將其與聚合物混合來賦予優(yōu)異的機(jī)械性能。然而，以這種方式制成的液態(tài)金屬顆粒-聚合物復(fù)合材料存在無法通電的問題，因?yàn)橛捎谝簯B(tài)金屬顆粒之間的排斥力，顆粒之間無法形成連接。

為了解決這一問題，Kang Ji-hyung教授研究組利用超聲波在高分子支撐體內(nèi)組裝液體金屬粒子，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并開發(fā)出了在伸縮過程中電阻不變的電極。由于這一點(diǎn)，它在世界上首次被表明可應(yīng)用于可以像橡膠一樣自由變形的(增長(zhǎng)5倍以上的)伸縮性印刷電路板上。

研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，如果對(duì)絕緣性復(fù)合材料使用超聲波，液態(tài)金屬顆粒/聚合物/液體金屬顆粒的界面上就會(huì)形成密集的納米級(jí)液態(tài)金屬顆粒，形成導(dǎo)電顆粒組裝網(wǎng)絡(luò)。

< 圖 2. 基于液態(tài)金屬粒子網(wǎng)絡(luò)的可拉伸顯示和可拉伸光學(xué)血流測(cè)量傳感器 >

由此產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)具有低電阻，類似于傳統(tǒng)印刷電路板上布線所用的銅，即使拉伸至10倍，電阻也幾乎沒有變化。此外，由于復(fù)合材料優(yōu)異的機(jī)械性能，它具有很高的抵抗外部物理沖擊的能力。

特別是，此次研究不同于以往通過機(jī)械方式賦予其導(dǎo)電性能，而是利用基于超聲波的非破壞性方式解決液體金屬形態(tài)不穩(wěn)定問題，從而獲得了與各種電子零部件的高接合力。

< 圖 3. 使用各種聚合物基質(zhì)的高分辨率光圖案化和受損液態(tài)金屬顆粒網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù) >

基于這些液態(tài)金屬粒子網(wǎng)絡(luò)優(yōu)異的電氣/機(jī)械性能和高結(jié)合強(qiáng)度，研究團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬粒子網(wǎng)絡(luò)圖案化在可拉伸聚合物基板上，并將其連接到電子元件上，制成可拉伸顯示器和光學(xué)血流測(cè)量傳感器, 從而產(chǎn)生了各種可伸縮的可穿戴設(shè)備，提出了其應(yīng)用于電子設(shè)備的可能性。

研究團(tuán)隊(duì)以同樣的方式在光刻膠、水凝膠和自修復(fù)聚合物等各種聚合物中進(jìn)一步開發(fā)了液態(tài)金屬粒子網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了在傳統(tǒng)伸縮性電極研究中沒有的高清晰度光傳感器、用于體內(nèi)插入型電子元件的低阻抗電極、可以自我修復(fù)的液體金屬基礎(chǔ)電極等多種應(yīng)用的可能性。

Jihyung Kang教授表示，"通過這項(xiàng)研究開發(fā)的基于液態(tài)金屬顆粒組裝網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合電極將極大地促進(jìn)可穿戴和植入式電子設(shè)備的開發(fā)和商業(yè)化。”"

據(jù)悉，該研究得到了韓國國家研究基金會(huì)納米材料技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目未來技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、優(yōu)秀青年研究項(xiàng)目和ERC可穿戴平臺(tái)材料技術(shù)中心的支持。

審核編輯：郭婷