韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院研制出高導(dǎo)電率、可完全變形的超薄電極材料

導(dǎo)讀

據(jù)韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究院官網(wǎng)近日報道，該研究院與蔚山國立科技大學(xué)研制出高導(dǎo)電率、可完全變形的超薄電極材料。這項研究通過更細(xì)的三維互連線，將幫助我們徹底革新智能裝置的外觀，并加強它們的技術(shù)功能。

背景

在手腕上戴一塊智能手表，就能讓自己看起來很酷，這樣的日子似乎已經(jīng)離我們遠(yuǎn)去了。近來，可穿戴生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)顯示出對未來主義物品永不滿足的渴望。這些物品包括：監(jiān)測腦電波的止痛護目鏡、監(jiān)測生命體征的貼紙、解讀心智的眼鏡等。

可監(jiān)測心率、呼吸、肌肉運動和其他健康數(shù)據(jù)并發(fā)送至智能手機的皮膚貼片（圖片來源：大邱慶北科學(xué)技術(shù)院）

雖然所有這些可穿戴原型產(chǎn)品是否都會流行起來還不確定，但有一點很清楚：可穿戴技術(shù)領(lǐng)域還會出現(xiàn)更多的產(chǎn)品。然而，這一偉大的潛力卻受制于一項技術(shù)性約束：這些可穿戴產(chǎn)品從來沒有讓用戶真正地感覺到“可穿戴”。

盡管它們摸起來應(yīng)該像是穿戴者的第二層皮膚，但是從技術(shù)角度來說，我們設(shè)計出的產(chǎn)品卻無法在柔軟、具有弧度的皮膚上舒適地彎曲與拉伸，并同時保持良好的數(shù)據(jù)記錄能力。

可穿戴智能設(shè)備通過將電極連接到皮膚表面，采集個人生理指標(biāo)測量值。設(shè)備的內(nèi)部是三維形狀的電極連接線（也就是互連線），它們可以傳遞電信號。迄今為止，這些互連線只能在僵硬表面上形成，而且其成分都是易損、難以拉伸的金屬，例如金、銀、鋁。

創(chuàng)新

位于韓國大田的基礎(chǔ)科學(xué)研究院（IBS）納米醫(yī)學(xué)中心的 Jang-Ung Park 教授與位于韓國蔚山的蔚山國立科技大學(xué)（UNIST）的 Chang Young Lee 教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，在《納米快報（Nano Letters）》期刊上發(fā)表的一篇論文中，報告了可完全變形的高導(dǎo)電率電極材料。

值得注意的是，這種新型復(fù)合材料超薄，直徑為5微米，是傳統(tǒng)連接線寬度的一半。這項研究通過這種更細(xì)的三維互連線，將幫助我們徹底革新智能裝置的外觀，并加強它們的技術(shù)功能。

圖1-1：這項研究的圖形概要。以鉑（Pt）修飾的碳納米管與液態(tài)金屬之間具有很高的親合性（左），并導(dǎo)致碳納米管在液態(tài)金屬中均勻分布，形成可拉伸的金屬復(fù)合材料（中）。這種可拉伸的金屬材料的機械性能優(yōu)于未經(jīng)處理的液態(tài)金屬，因此很適合被塑造為“始終如一的細(xì)（也就是說高分辨率）”的三維結(jié)構(gòu)（右）。（圖片來源：IBS）

圖1-2：液態(tài)金屬的圖片（左）、有碳納米管無鉑（Pt）的液態(tài)金屬（右）、在碳納米管表面上用鉑修飾的可拉伸金屬復(fù)合材料（右）。鉑（Pt）可以使得碳納米管在液態(tài)金屬基體中均勻分布。（圖片來源：IBS）

技術(shù)

研究團隊采用液態(tài)金屬（LM）作為主要基底，因為液態(tài)金屬高度可拉伸，并具有與固態(tài)金屬類似的相對較高的導(dǎo)電率。碳納米管（CNT）均勻地分布其中，以改善液態(tài)金屬的機械穩(wěn)定性。論文第一作者 Young-Geun Park 表示：“為了讓碳納米管均勻地分布在液態(tài)金屬中，我們選擇了對于碳納米管與液態(tài)金屬來說都有很強親合性的鉑（Pt）作為混合劑，它的確起到了作用?！?/p>

圖2：可拉伸金屬復(fù)合材料的三維印刷系統(tǒng)示意圖。該印刷系統(tǒng)由一個連接墨水槽的尖嘴、一個壓力控制器和可在x、y、z軸以及xy平面中其他兩個傾斜軸上自主運動的五軸運動臺組成。墨水槽中充滿了可拉伸金屬復(fù)合材料。（圖片來源：IBS）

這項研究也展示了一項新的互連技術(shù)，它可以在室溫下形成高度導(dǎo)電的三維結(jié)構(gòu)。為了具有高導(dǎo)電率，新系統(tǒng)不需要任何加熱或者壓縮過程。此外，這種新型電極的柔軟與可拉伸的天性，也使之更容易通過直徑很小的噴嘴。研究團隊采用噴嘴直接印刷各種各樣的三維圖案結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3-1：在電子芯片般的柔性材料（硅膠）三維結(jié)構(gòu)上印刷的可拉伸金屬復(fù)合材料的立體顯微照片。比例尺為100 微米。（圖片來源：IBS）

圖3-2：印刷而成的可拉伸金屬復(fù)合材料的各種三維結(jié)構(gòu)示意圖（左）和掃描電子顯微鏡圖像（右）。三維互連可以交疊。比例尺為100 微米。（圖片來源：IBS）

Park 解釋道：“對于使用各種柔性電子材料來說，在室溫下形成高度導(dǎo)電的三維互連線是一項必要的技術(shù)。在現(xiàn)有電子器件中使用的這種打線技術(shù)，采用熱量、壓力或者超聲波來形成互連線，有可能損壞與皮膚相似的柔性裝置。在高性能電子器件制造工藝中，這些因素都帶來了巨大的挑戰(zhàn)。”他注意到，尖嘴也使得預(yù)印的圖案重塑為各種三維結(jié)構(gòu)，具有一個像“開關(guān)”一樣工作的電極，從而打開和關(guān)閉電源。

這種復(fù)合材料的高分辨率三維印刷，采用了直接印刷法，形成了無支撐的線狀互連。具體來說，這種新的可拉伸的三維電氣互連是由超薄線（5微米細(xì)）組成。之前，關(guān)于可拉伸金屬的研究只能展示直徑為幾百微米的線。這種新系統(tǒng)比傳統(tǒng)打線方法制造出的互連線更細(xì)。

價值

論文通訊作者 Jang-Ung Park 教授表示：“我們不久將可以與那些基于皮膚的龐大笨重的接口說再見，因為這種可自由變形的超薄三維互連技術(shù)將成為行業(yè)的重大突破，制造出小巧纖細(xì)的裝置。這項新技術(shù)讓人體與電氣裝置之間的界限變得模糊，將促進(jìn)集成度更高、性能更好的半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)，應(yīng)用于現(xiàn)有計算機和智能手機，以及柔性且可拉伸的電子器件?！?/p>