韩国基础科学研究院研制出高导电率、可完全变形的超薄电极材料

导读

据韩国基础科学研究院官网近日报道，该研究院与蔚山国立科技大学研制出高导电率、可完全变形的超薄电极材料。这项研究通过更细的三维互连线，将帮助我们彻底革新智能装置的外观，并加强它们的技术功能。

背景

在手腕上戴一块智能手表，就能让自己看起来很酷，这样的日子似乎已经离我们远去了。近来，可穿戴生物技术产业显示出对未来主义物品永不满足的渴望。这些物品包括：监测脑电波的止痛护目镜、监测生命体征的贴纸、解读心智的眼镜等。

可监测心率、呼吸、肌肉运动和其他健康数据并发送至智能手机的皮肤贴片（图片来源：大邱庆北科学技术院）

虽然所有这些可穿戴原型产品是否都会流行起来还不确定，但有一点很清楚：可穿戴技术领域还会出现更多的产品。然而，这一伟大的潜力却受制于一项技术性约束：这些可穿戴产品从来没有让用户真正地感觉到“可穿戴”。

尽管它们摸起来应该像是穿戴者的第二层皮肤，但是从技术角度来说，我们设计出的产品却无法在柔软、具有弧度的皮肤上舒适地弯曲与拉伸，并同时保持良好的数据记录能力。

可穿戴智能设备通过将电极连接到皮肤表面，采集个人生理指标测量值。设备的内部是三维形状的电极连接线（也就是互连线），它们可以传递电信号。迄今为止，这些互连线只能在僵硬表面上形成，而且其成分都是易损、难以拉伸的金属，例如金、银、铝。

创新

位于韩国大田的基础科学研究院（IBS）纳米医学中心的 Jang-Ung Park 教授与位于韩国蔚山的蔚山国立科技大学（UNIST）的 Chang Young Lee 教授领导的科研团队，在《纳米快报（Nano Letters）》期刊上发表的一篇论文中，报告了可完全变形的高导电率电极材料。

值得注意的是，这种新型复合材料超薄，直径为5微米，是传统连接线宽度的一半。这项研究通过这种更细的三维互连线，将帮助我们彻底革新智能装置的外观，并加强它们的技术功能。

图1-1：这项研究的图形概要。以铂（Pt）修饰的碳纳米管与液态金属之间具有很高的亲合性（左），并导致碳纳米管在液态金属中均匀分布，形成可拉伸的金属复合材料（中）。这种可拉伸的金属材料的机械性能优于未经处理的液态金属，因此很适合被塑造为“始终如一的细（也就是说高分辨率）”的三维结构（右）。（图片来源：IBS）

图1-2：液态金属的图片（左）、有碳纳米管无铂（Pt）的液态金属（右）、在碳纳米管表面上用铂修饰的可拉伸金属复合材料（右）。铂（Pt）可以使得碳纳米管在液态金属基体中均匀分布。（图片来源：IBS）

技术

研究团队采用液态金属（LM）作为主要基底，因为液态金属高度可拉伸，并具有与固态金属类似的相对较高的导电率。碳纳米管（CNT）均匀地分布其中，以改善液态金属的机械稳定性。论文第一作者 Young-Geun Park 表示：“为了让碳纳米管均匀地分布在液态金属中，我们选择了对于碳纳米管与液态金属来说都有很强亲合性的铂（Pt）作为混合剂，它的确起到了作用。”

图2：可拉伸金属复合材料的三维印刷系统示意图。该印刷系统由一个连接墨水槽的尖嘴、一个压力控制器和可在x、y、z轴以及xy平面中其他两个倾斜轴上自主运动的五轴运动台组成。墨水槽中充满了可拉伸金属复合材料。（图片来源：IBS）

这项研究也展示了一项新的互连技术，它可以在室温下形成高度导电的三维结构。为了具有高导电率，新系统不需要任何加热或者压缩过程。此外，这种新型电极的柔软与可拉伸的天性，也使之更容易通过直径很小的喷嘴。研究团队采用喷嘴直接印刷各种各样的三维图案结构，如图3所示。

图3-1：在电子芯片般的柔性材料（硅胶）三维结构上印刷的可拉伸金属复合材料的立体显微照片。比例尺为100 微米。（图片来源：IBS）

图3-2：印刷而成的可拉伸金属复合材料的各种三维结构示意图（左）和扫描电子显微镜图像（右）。三维互连可以交叠。比例尺为100 微米。（图片来源：IBS）

Park 解释道：“对于使用各种柔性电子材料来说，在室温下形成高度导电的三维互连线是一项必要的技术。在现有电子器件中使用的这种打线技术，采用热量、压力或者超声波来形成互连线，有可能损坏与皮肤相似的柔性装置。在高性能电子器件制造工艺中，这些因素都带来了巨大的挑战。”他注意到，尖嘴也使得预印的图案重塑为各种三维结构，具有一个像“开关”一样工作的电极，从而打开和关闭电源。

这种复合材料的高分辨率三维印刷，采用了直接印刷法，形成了无支撑的线状互连。具体来说，这种新的可拉伸的三维电气互连是由超薄线（5微米细）组成。之前，关于可拉伸金属的研究只能展示直径为几百微米的线。这种新系统比传统打线方法制造出的互连线更细。

价值

论文通讯作者 Jang-Ung Park 教授表示：“我们不久将可以与那些基于皮肤的庞大笨重的接口说再见，因为这种可自由变形的超薄三维互连技术将成为行业的重大突破，制造出小巧纤细的装置。这项新技术让人体与电气装置之间的界限变得模糊，将促进集成度更高、性能更好的半导体元器件的生产，应用于现有计算机和智能手机，以及柔性且可拉伸的电子器件。”