Dagens elektroniska enheter strävar efter nya formfaktorer – för att göra dem hopfällbara, töjbar, och deformerbar. För att tillverka sådana anordningar som är mycket töjbara eller deformerbara, det är nödvändigt att utveckla elektroder och kretsledningar vars elektriska egenskaper kan motstå hård deformation eller mekanisk skada. Till detta, POSTECH-Yonsei Universitys gemensamma forskargrupp har nyligen utvecklat flytande metallbläck för att accelerera tryckta elektroniska enheter som kan ändras till vilken form som helst.

Professor Unyong Jeong och Dr. Selvaraj Veerapandian vid POSTECHs institution för materialvetenskap och teknik, med professor Aloysius Soon och Dr. Woosun Jang vid Yonsei Universitys institution för materialvetenskap och teknik, har utvecklat flytande metallmikropartiklar med hög konduktivitet och viskoplasticitet. Dessa forskningsrön publicerades i den auktoritativa internationella tidskriften Naturmaterial den 4 januari, 2021.

Elektroniska enheter använder konventionellt elektroder och kretsledningar gjorda av hårdmetaller som guld, silver, eller koppar. Dock, sådana metallsubstrat spricker och förlorar sin elektriska ledningsförmåga vid yttre tryck och förlängning, gör dem olämpliga att använda i deformerbara elektroniska enheter. Tvärtom, flytande metaller - som flyter som en vätska vid rumstemperatur och är lätt deformerbara och mycket ledande - har väckt stor uppmärksamhet för sin potentiella tillämpbarhet i sträckbara kretslinjer. Dock, när dessa flytande metaller görs till bläck, en isolerande oxidhud bildas på ytan som tar bort deras ledningsförmåga efter att ha skrivits ut.

Det gemensamma forskarteamet tog fram en metod för att omvandla oxidfilmen från de flytande metallmikropartiklarna till en ledare genom att dopa in vätejoner i filmerna. För att teoretiskt verifiera konduktiviteten hos oxidfilmen via vätedopning, teamet använde kvantmekanikbaserade materialsimuleringar för att bekräfta att de vätedopade indiumoxiderna eller galliumoxiderna kan ha liknande elektrisk ledningsförmåga som indiumtennoxidelektroderna (ITO) som för närvarande används i transparenta elektroder. Forskarna bekräftade dessutom att den vätedopade oxidfilmen med polymeradsorption till ytan hade viskoplasticitet som kunde motstå cirka 300 % töjningspåkänning utan att gå sönder.

Detta nya flytande metallbläck innehållande de vätedopade flytande metallmikropartiklarna möjliggjorde direkt utskrift av 3D-kretslinjer på olika sträckbara substrat. Eftersom mikropartiklarna kan ändra formen vid deformation samtidigt som de bibehåller hög ledningsförmåga, de tryckta elektroderna och kretslinjerna visade försumbar förändring i motstånd även när de sträcktes över 500 % och bibehöll elektriska egenskaper även i tuffa miljöer som hög luftfuktighet, höga temperaturer eller allvarliga mekaniska skador. Denna innovativa teknik förväntas möjliggöra utvecklingen av nästa generations sträckbara enheter.

"Så hög viskoplasticitet hos metalloxider har aldrig studerats hittills, ", kommenterade professor Aloysius Soon vid Yonsei University. "Det som började som en studie om viskoplasticitet hos ledande oxidhud har öppnat möjligheterna att utveckla formbara metalloxider av halvledare och isolatorer."

POSTECHs forskargrupp under ledning av professor Unyong Jeong arbetar mot kommersialisering av mycket töjbara kretsar med den nyutvecklade bläck- och trycktekniken. Eftersom deras flytande metallbläck gör det möjligt att använda traditionella utskriftsmetoder för tillverkning av komplexa 3D-kretsar utan läckström, det nya bläcket förväntas vara mycket användbart i andra industrier som robotteknik, elektroniska skal, och bärbara enheter genom 3-D-utskrift.

"Det slutliga målet med denna forskning är att utveckla töjbara och vikbara elektroniska 3D-enheter som behåller sin elektroniska egendom även under svåra förhållanden eller mekaniska skador, " tillade professor Unyong Jeong.