UCLA贺曦敏教授团队《Adv. Mater.》：基于数字光处理投影光刻的液态金属印刷技术制备高导电可拉伸柔性电路

2024-01-02 来源：高分子科技

柔性电子电路对于可穿戴电子设备的发展，医疗健康监测的进步，以及软体机器人的制造方便扮演了至关重要的角色。这些电路的关键在于使用具有高导电性，高延展性以及能够在受力形变时保持稳定电气性能的柔性导电材料。室温液态金属（LMs）由于其在室温下的出色的导电性和流动性，成为了研究的热点。然而，高效且可靠地应用液态金属制备柔性电路的方法依然需要进一步的开发与完善。

基于此，加州大学洛杉矶分校贺曦敏教授团队设计开发了一种基于数字光处理（DLP）投影光刻的液态金属印刷技术。该技术使用可光交联的LM颗粒墨水，仅需5-10秒的图案化紫外光照射，以及简单的激活处理，就可打印出高导电且可拉伸的液态金属图案（图1）。通过对其印刷原理（图2）以及印刷工艺关键参数（图3）的研究，优化后的印刷液态金属具有了以下优势：高导电性（3.0×10⁶ S m^-1）,高分辨率（约20μm）,可拉伸（约2500%）和在不同形变下稳定的电学性能（图4）。此外，这项工作还展示了该印刷技术广泛的应用，包括可拉伸显示，表皮应变传感器，加热器，湿度传感器，电图用贴合电极（图5）和多层软体驱动器（图6）。该研究提出了一种新的液态金属印刷技术，为柔性电子电路制备提供了新的思路。该工作以“Fast and Facile Liquid Metal Printing via Projection Lithography for Highly Stretchable Electronic Circuits”为题发表在《Advanced Materials》上。论文的第一作者为加州大学洛杉矶分校博士生吴东，通讯作者为贺曦敏教授。

图1. 基于DLP投影光刻实现的液态金属印刷。A. 印刷过程示意图；B. 修饰的LMP原液制备示意图；C-E. 多种印刷的液态金属图案；F. 印刷在SIS基材上的LM可拉伸电路；G. 多种可拉伸导体的初始导电性和最大应变对比。

图2. 基于DLP投影光刻的LM印刷原理示意图。A. 在基底上滴加LM墨水；B. 通过紫外曝光印刷交联的LMP图案；C. 激活形成LM-PHEA双层结构；D-F. 对应A,B,C的扫描电子显微镜图像；G. 拉伸释放过程中LM和PHEA层界面变化的示意图。

图3. 印刷工艺关键参数的研究。A. 不同超声振幅和时间下的平均LMP尺寸；B. 使用不同超声条件准备的LMP墨水在不同光强下印刷的条纹图案对比；C. 在不同光强下印刷条纹的线宽范围；D. 在不同光强下印刷图案的分辨率；E. 通过使用灰度图像优化的印刷条纹图案；F. 使用不同交联剂浓度的LMP墨水印刷条纹的相对线宽；G.交联剂浓度对印刷图案的方阻的影响；H. LM浓度对印刷图案的方阻的影响。

图4. 印刷液态金属图案在形变下的电学表征。A. 印刷液态金属在扭转，弯曲和拉伸下的实物图；B. 不同扭转角度下样品的相对电阻变化；C. 不同弯曲半径下样品的相对电阻变化；D. 不同弯曲周期下样品的相对电阻变化；E. 不同应变下样品的相对电阻/电阻变化；F. 100%应变下样品的相对电阻变化。

图5. 印刷液态金属电路在可穿戴电子中的应用。 A. 用于热疗的LM加热器的红外热成像；B. 不同电压下LM加热器的温度变化曲线；C. LM 呼吸传感器在监测不同呼吸模式下的漏电流曲线；D.利用 LM电极与Ag/AgCl电极收集肌电图；E. LM应变传感器在手指不同弯折角度下的电阻变化；F. LM应变传感器在手指反复弯曲下的电阻变化；G. LM接触传感器在手指反复接触下的电容变化。

图6. 印刷液态金属电路在软机器人中的应用。A. 双层薄膜电磁致动器的示意图和实物图；B. 不同输入电压下致动器弯曲程度；C. 弯曲角度随电流变化曲线；D. 双层LM-LCE致动器示意图；E. 100mA输入电流下LM-LCE致动器发生卷曲；F. LM-LCE夹持器通过电热致动拾起一块海绵。

该工作是团队近期关于数字光处理印刷及3D打印的进展之一。在过去的几年中，团队进行了一系列关于银印刷（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807615.），金印刷（Adv. Mater. 2022, 34, 2201772）和水凝胶4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 50, 47468–47475；ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 11, 12689–12697； Adv. Mater. 2021, 33, 2008235）的研究。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202307632

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（责任编辑：xu）

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