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May 31, 2024Nature Communications 13권, 기사 번호: 2643(2022) 이 기사 인용
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액체 금속은 금속에 필적하는 높은 전기 전도도와 액체 상태에서 파생되는 탁월한 변형성의 독특한 조합으로 인해 소프트 전자 분야의 유망한 재료로 간주되고 있습니다. 그러나 액체금속의 기계적 안정성과 초기 전도성을 동시에 달성하기 어렵기 때문에 아직까지는 적용성이 제한적이다. 또한 다양한 연질 기판에 직접 안정적인 액체 금속을 고해상도로 안정적이고 신속하게 패터닝하는 것은 여전히 엄청난 과제로 남아 있습니다. 이 연구에서는 반고체 액체 금속을 생성하기 위해 수성 용매에 고분자 전해질이 부착된 액체 금속 미세 입자를 포함하는 잉크의 메니스커스 유도 인쇄가 제시됩니다. 증발 방식으로 인쇄된 액체 금속 미세 입자는 기계적으로 안정적이고 초기 전도성을 가지며 다양한 기판에서 50μm까지 패턴화 가능합니다. 초신축성(~500% 변형률) 전기 회로, 맞춤형 e-피부 및 폐기물 제로 ECG 센서의 시연은 이 제조 전략의 단순성, 다양성 및 신뢰성을 검증하여 고급 소프트 전자 장치 개발에 폭넓은 활용을 가능하게 합니다.
웨어러블 디스플레이, 전자피부(e-skin), 웨어러블 헬스케어 기기에 적용 가능한 전자소자의 수요가 증가함에 따라 신축성이 높은 맞춤형 소프트 일렉트로닉이 많은 주목을 받고 있습니다1,2,3,4,5,6. 강성 마스크(예: 스크린 인쇄, 포토리소그래피)를 사용하여 패터닝하는 기존 전략과 달리 잉크젯 인쇄와 같은 디지털 마스크 기반 추가 패터닝을 사용하면 다양한 디자인의 전자 장치를 빠르고 비용 효율적으로 제작할 수 있습니다. 또한 강성 마스크 기반 패터닝은 부드러운 기판과 호환되지 않기 때문에 적층 인쇄는 소프트 전자 장치의 다양한 제조에 더 적합한 것으로 간주되었습니다.
부드러운 신축성 전자 장치를 위한 이상적인 전도성 재료 및 인쇄 공정에는 (1) 높은 전도성, (2) 고해상도, (3) 높은 신축성, (4) 기계적 안정성, (5) 간단한 원스텝 빠른 처리 및 ( 6) 다양한 기판에 대한 인쇄 가능성. 후보 물질로는 1/2D 재료, 전도성 고분자, 금속 입자가 내장된 매트릭스 등이 연구되었습니다11,12,13,14,15. 그러나 이러한 재료는 금속에 비해 전도성이 낮거나 기계적 변형성이 부족하여 부드러운 신축성 전자 장치로 사용하기에는 한계가 있습니다. 갈륨 기반 액체 금속(LM)은 금속 수준의 높은 전도성과 변형성의 독특한 조합으로 인해 이러한 한계를 극복합니다. 그러나 LM의 유동성으로 인한 기계적 불안정성은 다른 재료(예: 전자 부품, 피부)와의 직접적인 접촉이 제한되어 실제 적용 가능성을 방해합니다19.
위에서 언급한 벌크 LM의 단점을 극복하기 위해 외부 산화물 층이 유체와 같은 동작을 억제할 수 있는 LM 입자 기반 접근 방식이 적극적으로 연구되었습니다. 그러나 자연 산화물층이 형성되면 산화물은 절연체이기 때문에 전기 전도성이 저하된다. 따라서 패터닝 후에는 산화층을 파괴하거나 제거하기 위해 기계적 스크러빙, 인장 변형 또는 화학적 에칭과 같은 추가 처리가 필요합니다. 그러나 이는 LM 입자를 다시 벌크 LM으로 변환하므로 벌크 LM이 직면한 문제가 다시 발생합니다. 또한 추가 처리가 필요하면 결함(예: 개방 또는 단락) 영역이 발생할 가능성이 있으므로 제조 공정을 신뢰할 수 없게 만드는 불확실성이 발생합니다. 이 문제에 대처하기 위해 Jeong et al. 최근 노즐 프린팅으로 패턴화할 수 있는 수소로 도핑하여 본질적으로 전도성인 액체 금속 미세 입자를 보고했습니다. 도핑된 액체 금속 입자는 안정성을 유지하면서 신뢰할 수 있는 고유 전기 전도성을 나타내지만 고해상도 패터닝은 입증되지 않았습니다. 또한, 유기 용제 기반 잉크와 장기간(120°C, 3시간) 고온에서 어닐링해야 하는 필요성으로 인해 사용할 수 있는 기판 유형이 제한되고 신속한 제조가 제한됩니다. 따라서 수많은 노력에도 불구하고 위에서 언급한 연성 신축성 전자 장치용 인쇄 전도성 재료에 대한 중요한 요구 사항은 아직 해결되지 않았습니다.