De elektronische apparaten van tegenwoordig streven naar nieuwe vormfactoren - om ze opvouwbaar, rekbaar, en vervormbaar. Om dergelijke apparaten te produceren die zeer rekbaar of vervormbaar zijn, het is noodzakelijk om elektroden en circuitlijnen te ontwikkelen waarvan de elektrische eigenschappen bestand zijn tegen harde vervorming of mechanische schade. hieraan, Het gezamenlijke onderzoeksteam van POSTECH-Yonsei University heeft onlangs vloeibare metaalinkt ontwikkeld om gedrukte elektronische apparaten te versnellen die in elke vorm kunnen worden veranderd.

Professor Unyong Jeong en Dr. Selvaraj Veerapandian van de afdeling Materials Science and Engineering van POSTECH, met professor Aloysius Soon en Dr. Woosun Jang van de afdeling Materials Science and Engineering van Yonsei University, hebben vloeibare metalen microdeeltjes ontwikkeld met een hoge geleidbaarheid en viscoplasticiteit. Deze onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het gezaghebbende internationale tijdschrift Natuurmaterialen op 4 januari, 2021.

Elektronische apparaten gebruiken conventioneel elektroden en circuitlijnen gemaakt van harde metalen zoals goud, zilver, of koper. Echter, dergelijke metalen substraten barsten en verliezen hun elektrische geleidbaarheid bij externe druk en rek, waardoor ze ongeschikt zijn voor gebruik in vervormbare elektronische apparaten. Integendeel, vloeibare metalen - die bij kamertemperatuur als een vloeistof stromen en gemakkelijk vervormbaar en zeer geleidend zijn - hebben veel aandacht getrokken vanwege hun potentiële toepasbaarheid in rekbare circuitlijnen. Echter, wanneer deze vloeibare metalen tot inkt worden verwerkt, er vormt zich een isolerende oxidehuid op het oppervlak die hun geleidbaarheid verwijdert nadat ze zijn geprint.

Het gezamenlijke onderzoeksteam bedacht een methode om de oxidefilm van de vloeibare metalen microdeeltjes om te zetten in een geleider door waterstofionen in de films te doteren. Om theoretisch de geleidbaarheid van de oxidefilm te verifiëren via waterstofdoping, het team gebruikte op kwantummechanica gebaseerde materiaalsimulaties om te bevestigen dat de met waterstof gedoteerde indiumoxiden of galliumoxiden een vergelijkbare elektrische geleidbaarheid kunnen hebben als de indiumtinoxide (ITO) elektroden die momenteel worden gebruikt in transparante elektroden. De onderzoekers bevestigden bovendien dat de met waterstof gedoteerde oxidefilm met polymeeradsorptie aan het oppervlak een viscoplasticiteit had die ongeveer 300% rek kon weerstaan ​​​​zonder te breken.

Deze nieuwe vloeibare metaalinkt die de met waterstof gedoteerde vloeibare metaalmicrodeeltjes bevat, maakte het direct printen van 3D-circuitlijnen op verschillende rekbare substraten mogelijk. Omdat de microdeeltjes de vorm kunnen veranderen bij vervorming met behoud van een hoge geleidbaarheid, de gedrukte elektroden en circuitlijnen vertoonden een verwaarloosbare verandering in weerstand, zelfs wanneer ze meer dan 500% werden uitgerekt en behielden elektrische eigenschappen, zelfs in ruwe omgevingen zoals hoge luchtvochtigheid, hoge temperaturen of ernstige mechanische schade. Deze innovatieve technologie zal naar verwachting de ontwikkeling van rekbare apparaten van de volgende generatie mogelijk maken.

"Zo'n hoge viscoplasticiteit van metaaloxiden is tot nu toe nog nooit onderzocht, " merkte professor Aloysius Soon van Yonsei University op. "Wat begon als een onderzoek naar de viscoplasticiteit van geleidende oxidehuid heeft de mogelijkheden geopend om ductiele metaaloxiden van halfgeleiders en isolatoren te ontwikkelen."

Het onderzoeksteam van POSTECH onder leiding van professor Unyong Jeong werkt aan de commercialisering van zeer rekbare circuits met behulp van de nieuw ontwikkelde inkt- en printtechnologie. Omdat hun vloeibare metaalinkt het mogelijk maakt om traditionele printmethoden te gebruiken voor de fabricage van complexe 3D-circuits zonder lekstroom, de nieuwe inkt zal naar verwachting zeer toepasbaar zijn in andere industrieën zoals robotica, elektronische huiden, en draagbare apparaten door middel van 3D-printen.

"Het uiteindelijke doel van dit onderzoek is om rekbare en opvouwbare 3D-elektronische apparaten te ontwikkelen die hun elektronische eigenschappen behouden, zelfs in zware omstandigheden of mechanische schade, " voegde professor Unyong Jeong eraan toe.