一种在聚合物中制造导电液态金属颗粒网络的方法

韩国科学技术院(KAIST)14日宣布,由材料科学与工程系Jihyung Kang教授领导的研究团队，开发了一种在聚合物中制造导电液态金属颗粒网络的方法，并利用该方法实现了具有橡胶特性的可伸缩性印刷电路板。这项研究于11月11日作为封面论文发表在国际期刊《Science》上，论文标题为"液态金属颗粒在聚合物中的通用组装可实现弹性印刷电路板"。

最近，随着对可植入电子设备、可穿戴电子设备和软机器人的兴趣增加，研究人员对具有优异弹性和电性能的可伸缩电子设备进行了各种研究。为了实现这种伸缩性电子设备，需要制作可伸缩性印刷电路板。

为了实现可伸缩性印刷电路板，有人提出将铜等金属颗粒在弹性高分子电路板上形成图形，从而实现一种可拉伸的聚合物基板，但其局限性在于柔韧性有限，电子元器件密度降低。为了克服这些局限性，研究人员提出了可以自我拉伸并具有导电性的导电聚合物、金属纳米材料-聚合物复合材料等，但这些都存在局限性，因为它们在使用过程中电阻会快速变化，因此很难用作可拉伸的印刷电路板。

< 图 1. 超声波形成的纳米级液态金属颗粒形成液态金属颗粒网络 >

液态金属作为一种可以克服这些局限性的材料受到了极大的关注。液态金属是一种在室温下呈液态的金属，由于其高导电性及像液体一样的自由变形能力，被认为是适用于可伸缩电子设备的材料。然而，由于液态对外部冲击的不稳定性，其用作印刷电路板的布线受到限制。

为了克服这个问题，许多研究人员试图通过将液态金属粉碎成微米级颗粒，然后将其与聚合物混合来赋予优异的机械性能。然而，以这种方式制成的液态金属颗粒-聚合物复合材料存在无法通电的问题，因为由于液态金属颗粒之间的排斥力，颗粒之间无法形成连接。

为了解决这一问题，Kang Ji-hyung教授研究组利用超声波在高分子支撑体内组装液体金属粒子，形成了导电网络，并开发出了在伸缩过程中电阻不变的电极。由于这一点，它在世界上首次被表明可应用于可以像橡胶一样自由变形的(增长5倍以上的)伸缩性印刷电路板上。

研究团队证实，如果对绝缘性复合材料使用超声波，液态金属颗粒/聚合物/液体金属颗粒的界面上就会形成密集的纳米级液态金属颗粒，形成导电颗粒组装网络。

< 图 2. 基于液态金属粒子网络的可拉伸显示和可拉伸光学血流测量传感器 >

由此产生的网络具有低电阻，类似于传统印刷电路板上布线所用的铜，即使拉伸至10倍，电阻也几乎没有变化。此外，由于复合材料优异的机械性能，它具有很高的抵抗外部物理冲击的能力。

特别是，此次研究不同于以往通过机械方式赋予其导电性能，而是利用基于超声波的非破坏性方式解决液体金属形态不稳定问题，从而获得了与各种电子零部件的高接合力。

< 图 3. 使用各种聚合物基质的高分辨率光图案化和受损液态金属颗粒网络的自我修复 >

基于这些液态金属粒子网络优异的电气/机械性能和高结合强度，研究团队将液态金属粒子网络图案化在可拉伸聚合物基板上，并将其连接到电子元件上，制成可拉伸显示器和光学血流测量传感器, 从而产生了各种可伸缩的可穿戴设备，提出了其应用于电子设备的可能性。

研究团队以同样的方式在光刻胶、水凝胶和自修复聚合物等各种聚合物中进一步开发了液态金属粒子网络，从而实现了在传统伸缩性电极研究中没有的高清晰度光传感器、用于体内插入型电子元件的低阻抗电极、可以自我修复的液体金属基础电极等多种应用的可能性。

Jihyung Kang教授表示，"通过这项研究开发的基于液态金属颗粒组装网络的复合电极将极大地促进可穿戴和植入式电子设备的开发和商业化。”"

据悉，该研究得到了韩国国家研究基金会纳米材料技术开发项目未来技术实验室、优秀青年研究项目和ERC可穿戴平台材料技术中心的支持。

审核编辑：郭婷