應用于柔性電子電路的導電材料介紹

以下文章來源于先進功能材料，作者JLE君凌聚合物

隨著物聯(lián)網(wǎng)與可穿戴技術的發(fā)展,柔性電子器件已成為未來電子器件發(fā)展的主流趨勢。其中，以柔性聚合物為襯底，以金屬薄膜、石墨烯、導電墨水等導電材料為導體的柔性電路是柔性電子器件發(fā)展的關鍵組成部分。具有質量輕、厚度薄、柔軟可彎曲甚至可拉伸等特點，在智能穿戴電子、柔性顯示、醫(yī)療器件、運動監(jiān)控、柔性能源器件、電子皮膚等領域具有廣闊的應用前景。

柔性電路一般由導電體和彈性體組成,其中導電體材料包括傳統(tǒng)的金屬薄膜和導電銀漿，透明導電氧化物墨水，金屬納米線、石墨烯、碳納米管等新型納米晶墨水，以及完全柔性的液態(tài)金屬等。

一、金屬薄膜

金屬薄膜的電導率約為105S·cm-1，是傳統(tǒng)電子電路首選的導電材料。但是金屬的彈性模量韭常大（接近102GPa），因此以金屬薄膜作為導電材料是柔性及可拉伸電路領域內(nèi)的一大挑戰(zhàn)。

柔性電路中的金屬薄膜一般采用銅(Cu)或者金(Au)通過黏合劑粘合、打印、印刷、濺射、電子東蒸發(fā)等方法沉積到柔性或超彈性襯底上。柔性電路板的襯底一般選取聚酰亞胺塑料、聚醚醚酮或透明導電滌綸等具有優(yōu)異彎折性能的高分子材料?，F(xiàn)今，隨著可穿戴技術的發(fā)展，柔性電路已經(jīng)不再僅僅局限于可彎折，它的發(fā)展方向是可拉伸、壓縮、彎曲等。

美國弗吉尼亞大學的Baoxing Xu課題組采用水溶性聚乙烯醇膜（Polyvinylalcohol，PVA）作為彈性襯底、金屬Au膜為導電線路制備了波浪形電路結構，并利用其將溫度傳感器、EMC 傳感器、應力傳感器等電子元件連接在一起發(fā)展了多功能類皮膚電路。

此外，一些研究者也采用預拉伸-薄膜沉積-釋放的形式來制備具有較大拉伸形變能力的金屬薄膜電路。例如，美國加利福尼亞大學的Joshua Kim及合作者選取Ecoflex（PBAT）作為彈性襯底、Au膜為導電體，通過預拉伸的方式構建了具有褶皺結構的可拉伸電路。

二、納米晶墨水

典型的納米晶墨水是將納米導電材料分散于溶劑中而制成的，可以通過印刷、旋涂、噴涂等方法制備柔性電路，無須高溫、真空操作，并且較為節(jié)省原料。納米導電材料主要包括透明導電氧化物(TCOs)、金屬納米線(NW)、石墨、碳納米管(CNTs)等，可以采用比較簡單的方法溶解于價格低廉的溶質中以制備導電墨水。由于納米晶材料尺寸非常小，因此可以制備非常小的電路，甚至一些有透明性要求的光學電路和器件。

1. 透明導電氧化物墨水

通過現(xiàn)有的真空濺射工藝在柔性基板上制備氧化鋼錫（ITO）導電膜時難以控制其電極電路圖形，并且成品率一般低于30%，因此，迫切需要發(fā)展可以薄膜濺射沉積的替代工藝和傳統(tǒng)ITO導電膜的替代電極。

透明導電氧化物墨水是一類基于常見的寬帶隙金屬氧化物材料（如ITO、摻氟的鈦氧化物(FTO)和鋁摻雜的鋅氧化物(AZO)等）所配制的墨水材料，具有良好的光學透明性和導電性能。可以印刷出平滑無裂紋、高透明性和高導電性的薄膜。

2. 金屬納米線墨水

隨機納米線網(wǎng)絡具有高透明性和電導率，在可穿戴電子、機器人皮膚、植入醫(yī)療器件、柔性和可拉伸顯示器以及OLED等的柔性和可拉伸線路上具有廣泛的應用。特別是金屬納米線墨水，由于制備方法簡單而具有非常大的應用潛力。

銀納米線具有良好的導電性和柔順性，是制備彈性導電體的理想導電體材料?；瘜W還原法是合成銀納米線墨水的典型方法之一，通過這種方法獲得的銀納米線可以分散在水、乙醇、異丙醇等各種溶劑中。以此方法制備的柔性電路，其初始電導率為8130S·cm-1，拉伸50%后電導率變?yōu)?285S·cm-1。

銅納米線也是常見的金屬納米線。但是由于銅納米線易氧化，因此其導電性不穩(wěn)定。

3. 石墨烯墨水

石墨烯是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體，具有超薄、超輕、超高強度、高的導電導熱性和透光性，結構穩(wěn)定等特點。這些特性使得石墨烯在印刷電子產(chǎn)品中具有很大的優(yōu)勢。現(xiàn)在也有大量的研究將石墨烯制成導電墨水用于噴墨打印技術中。通過噴墨打印技術將石墨烯噴印在基材上，可制成柔性透明導電薄膜，傳感器，超級電容器，射頻天線等電子器件。石墨烯中存在著自由電子，因此具有優(yōu)越的導電性，常溫下其電子遷移率超過1.5x104cm2V-1s-1，比納米碳管或硅晶體更高，而電阻率只有10-6Ω·cm-1，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。高導電性、良好的穩(wěn)定性以及納米片層結構特點都決定了石墨烯可作為優(yōu)質導電填料應用于導電墨水中，石墨烯墨水很好的解決了傳統(tǒng)的碳基墨水導電率低的問題，并且在制作配方上易與打印機兼容。

4. 碳納米管墨水

碳納米管可以認為是由單層石墨烯卷曲而成的管狀碳基納米結構,具有載流子遷移率高、導電性和機械柔性好等獨特的優(yōu)點，是柔性電子器件中所使用的重要材料之一。一般來說，碳納米管本身會呈現(xiàn)團聚的趨勢，但通過化學改性或采用表面活性劑、纖維素或導電高分子等增溶添加劑進行摻雜后，可以極大地提高其在常規(guī)溶劑中的分散度，從而制備導電墨水。

三、液態(tài)金屬

基于鎵和鎵的合金的液態(tài)金屬具有天然的室溫流體特性以及非常高的金屬電導率，可用于制備柔性金屬導線。液態(tài)金屬導線的制備主要有以下三種方法：

（1）注射法，即先通過微電子加工等工藝制備電路要求形狀的模具凹槽，再用注射器注射液態(tài)金屬流體后封裝成型，這種制備方法較復雜；

（2）通過超聲的方式制備液態(tài)金屬墨水，如在水或者乙醇等液體中利用超聲波振蕩將液態(tài)金屬分散為微米級金屬顆粒，然后將其直接沉積到紙質襯底或者PDMS等彈體獲得液態(tài)金屬薄膜。但是，這種所形成的液態(tài)金屬顆粒表面通常會包裹一層若干納米厚度的氧化鎵絕緣層，需要通過機械應力刻劃等方式將顆粒氧化絕緣層劃破以露出內(nèi)部的液態(tài)金屬，從而使各個顆粒之間重新形成導電回路進而繪制出電路圖形。

（3）由于液態(tài)金屬表面張力較大、浸潤性較差，所以很難作為墨水直接通過噴墨打印的方式實現(xiàn)柔性電路的圖形化制備。針對這一問題，清華大學的劉靜課題組設計開發(fā)了可打印的液態(tài)金屬墨水以及專門的打印裝備，可以把液態(tài)金屬直接打印到柔性襯底上。

四、其他材料

除上述幾種導電材料以外，還有其他的一些導電材料可以用來制備柔性電路如商業(yè)化的導電銀漿以及將金屬顆粒分散于溶劑中所制備的導電墨水等。

五、結語

（1）金屬膜和納米晶墨水是最常見的導電材料金屬薄膜的電導率較高但是其拉伸性能受限，可用于不需拉伸或者拉伸率較小（>100%）的柔性電路。

（2）利用納米晶墨水制備柔性電路的方法很多且較簡單，成本也較低，缺點是其電導率相對于金屬薄膜較低。

（3）以液態(tài)金屬為墨水制備的柔性電路的電導率最高，方塊電阻遠低于前面幾種導電材料，而且本身的流動性也不會限制彈性體的拉伸特性；但是目前制備液態(tài)金屬柔性電路的方法較少且必須進行封裝才能使用，在未來還有待進一步研究。