В Корее разрабатывают порошок из жидкого металла, позволяющего «рисовать» электронные схемы на различной поверхности
- 2 часа назад
- 6 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- KAIST и ETRI создали материал, позволяющий току протекать по нарисованным рисункам
- Ее можно применять в электронных устройствах нового поколения, таких как носимые устройства для здравоохранения и мягкая робототехника
Электронная схема, созданная с помощью порошка из жидкого металла (изображение сгенерированно ИИ) [Предоставлено KAIST]
«Электронная схема, нарисованная на бумаге или листе дерева, привела в действие робота».
15 марта Корейский институт передовых технологий (KAIST) сообщил, что исследовательская группа под руководством заслуженного профессора Пак Ин Гю из факультета машиностроения совместно с группой доктора Ким Хе Чжин из Корейского научно-исследовательского института электроники и телекоммуникаций (ETRI) разработала технологию электронных материалов на основе «жидкого металлического порошка» (Liquid Metal Powder), позволяющую рисовать электронные схемы непосредственно на любой поверхности.
Материал, привлекший внимание исследователей, — это «жидкий металл», который течет как жидкость, но при этом хорошо проводит электричество, как металл. Однако существующие жидкие металлы имеют очень высокую поверхностную напряженность и плохо растекаются по большинству поверхностей из-за проблем со смачиваемостью, что затрудняет точное создание схем в нужном месте и приводит к их размазыванию или комкованию. Из-за этого требовалась отдельная обработка поверхности или дополнительные процессы, что ограничивало их применение.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа разработала новый способ получения жидкого металла в виде мелкого порошка. Этот порошок имеет структуру, в которой частицы жидкого металла покрыты тонкой оксидной пленкой, и в обычном состоянии он не проводит электричество. Оксидная пленка — это очень тонкая пленка, образующаяся на поверхности металла в результате реакции с кислородом воздуха. Однако при легком физическом воздействии, например, при потере кистью или нажатии пальцем, оксидная пленка разрушается, внутренние металлические частицы соединяются между собой, позволяя электрическому току протекать.
Прикрепляемый к коже датчик, изготовленный из порошка жидкого металла. [Предоставлено KAIST]
То есть используя метод, при котором сначала порошок наносится на поверхность, а затем нажимаются нужные участки для «активации» электронной схемы, исследователям удалось преодолеть проблемы размазывания и сложности точного нанесения узоров, характерные для существующих схем из жидкого металла.
Главная особенность этой технологии заключается в том, что она практически не имеет ограничений по месту и материалу. Без дополнительной термообработки можно мгновенно создавать схемы не только на бумаге, стекле и пластике, но и на поверхности волокон или живых листьев. Проблемы размывания, осаждения и деформации рисунка, которые были характерны для существующих схем из жидкого металла, были значительно уменьшены, что позволило создать стабильно работающие схемы на различных поверхностях.
Исследовательская группа продемонстрировала практическую применимость этой технологии, создав прикрепляемые к коже беспроводные устройства для мониторинга здоровья и схемы для мягких роботов, форма которых может свободно изменяться. Поскольку можно создавать электронные схемы на различных поверхностях без использования сложного оборудования, ожидается, что эта технология найдет применение в таких областях электроники нового поколения, как носимые устройства для мониторинга здоровья, мягкая робототехника и гибкие электронные компоненты.
Совместная исследовательская группа, проводившая данное исследование. Осман Гул (слева), доктор наук KAIST, Пак Ин Гю, профессор KAIST, и Ким Хе Чжин, доктор наук ETRI [Предоставлено KAIST]
Это имеет большое значение и с точки зрения защиты окружающей среды и устойчивого развития. Использованные схемы можно растворить в воде, а затем, после простой химической обработки (гидроксидом натрия, NaOH), извлечь жидкий металл, который можно повторно использовать в виде порошка. Эта технология привлекает внимание как экологически чистая технология для электронных устройств, позволяющая сократить количество электронных отходов.
Также она показывает стабильную характеристику. По данным исследовательской группы, новоразработанный порошок сохраняет свои характеристики даже при хранении при комнатной температуре в течение более года, а схема не разрывается даже после десятков тысяч сгибаний или скручиваний. Благодаря этим свойствам технология может быть использована для разработки временных электронных схем, исчезающих после использования, или электронных устройств, адаптированных к потребностям пользователя.
Обзор механико-химически активируемых порошков жидкого металла (MALMP) и их применений: a) Схематическое изображение процесса получения MALMP с помощью ультразвуковой обработки в растворителе, позволяющей получить сухие частицы со структурой «ядро-оболочка», а также изображение MALMP, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа (TEM). b) Схематическое изображение процесса рециркуляции MALMP, демонстрирующее коэффициент извлечения материала на уровне 97 %. c) Формирование узоров MALMPs с высоким разрешением как в микромасштабе, так и на больших площадях. d) К MALMPs можно применять различные стратегии формирования узоров, включая нанесение кистью, штамповку и прижимание пальцами. e) Продемонстрирована универсальная совместимость с разнообразными материалами, включая гибкие, растяжимые и хрупкие подложки. f) Демонстрации многофункциональной электроники на основе MALMPs: от переходной электроники до растяжимого беспроводного пластыря для мониторинга температуры.
Структура «ядро-оболочка» и химия поверхности MALMP. a) Изображения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), демонстрирующие частицы LM (обработанные ультразвуком в ИПА) и MALMP со структурой «ядро-оболочка». b) Результаты EDS-анализа, показывающие состав MALMP по Ga, In, C и O. c) Толщина оксидного слоя частиц LM и MALMP. Данные представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение (SD), где n = 9, 3 технических повторных измерения. Значения представлены в виде средних значений ± стандартное отклонение. В целом, MALMPs продемонстрировали увеличение толщины на 55,6 %, что объясняется наличием оксидной оболочки с карбонильной координацией, по сравнению с немодифицированными частицами LM. d) Спектры XPS O 1s, C 1s, Ga 3d, In 3d EGaIn. e) Спектры XPS O 1s, C 1s, Ga 3d, In 3d поверхностей MALMP. По сравнению с исходным EGaIn, MALMP демонстрировали усиленные сигналы карбонила (C═O) и внерешеточного кислорода (O₂) наряду с более высоким соотношением окисленного галлия (Ga³⁺) и индия (In³⁺), что указывает на усиленное окисление поверхности и карбонильную координацию на оксидной оболочке. f) FTIR-спектры растворителей (MIBK, DIBK, изобутилацетат и бутилацетат). g) FTIR-спектры EGaIn и MALMPs. FTIR-спектры показывают, что MALMPs демонстрируют отчетливые полосы растяжения C═O и C─H, что указывает на успешное включение карбонильных функциональных групп, происходящих из растворителей, на поверхности оксида, в отличие от исходного EGaIn.
Изготовление, возможность повторного использования и долгосрочная стабильность MALMP. a) Схематическое изображение процесса изготовления MALMP с использованием растворителя посредством ультразвуковой обработки и выпаривания растворителя. Процесс химической переработки на основе NaOH, позволяющий извлечь из MALMP исходный EGaIn, что демонстрирует возможность повторного использования. b) Схематическое изображение процесса переработки MALMP, повторенного в течение десяти циклов. c) Процент потери массы MALMP за десять циклов переработки. d) Дифрактограммы MALMP, выдержанных в течение различного времени (от 1 дня до 1 года), демонстрирующие стабильные фазовые характеристики и сохранение структуры. e) Фотографии, сравнивающие макроскопический вид MALMP, выдержанных 1 день и 1 год, демонстрирующие отличный срок хранения и стабильность порошка.
Адаптируемость к подложкам и формирование рисунка проводящих электродов на основе MALMP. a) Демонстрация формирования рисунка MALMP методом «штамповки» на неплоских и мягких подложках, таких как лист растения, ПММА и ткань. b) Формирование схем с помощью кисти на жестких и изогнутых подложках, таких как стекло, ПВХ и кремниевая пластина. c) Оптические изображения узоров MALMP на гибкой ПЭТ-пленке, демонстрирующие растяжимость и способность к сгибанию, а также увеличенные изображения с видом сверху, показывающие геометрию линий и равномерную ширину дорожек (≈80 мкм). d) Функциональная схема, напечатанная на лимоне, с загорающимися синими светодиодами для демонстрации трехмерной конформной адгезии. e) Электропроводность электродов MALMP, измеренная на различных подложках, демонстрирующая стабильные характеристики на бумаге, ПММА, дереве, ткани, полиимиде, кремниевой подложке, стекле, ПЭТ, ПП и ПЭ. Данные представлены в виде средних значений ± SD, где n = 3 технических повторений. f) Интегрированная матрица светодиодов на бумажной подложке с использованием соединительных элементов MALMP, демонстрирующая практическую реализацию.
Механическая, электрическая и экологическая стойкость, адаптируемость к подложкам и пригодность к вторичной переработке проводящих электродов на основе MALMPs. a) Изображение электрода из MALMPs на нетканом текстиле. b) Изменение относительного сопротивления (ΔR/R0) в зависимости от радиуса изгиба, демонстрирующее незначительное изменение сопротивления вплоть до радиуса изгиба 2,5 мм. c) Электрическая стойкость при 10 000 циклах изгиба с радиусом кривизны 10 мм, демонстрирующая превосходную механическую усталостную прочность. d) Стабильность сопротивления при повторяющихся циклах скручивания на 360°, подтверждающая устойчивость к скручиванию. e) Электрический отклик при повышении температуры (25–100 °C), демонстрирующий термическую стабильность. f) Поведение при старении в течение 30 дней при естественной влажности, подтверждающее долгосрочную экологическую стойкость. g) Испытание на растяжимость электродов MALMPs на Ecoflex, демонстрирующее умеренное увеличение сопротивления при сохранении электрической функциональности при деформации до 700 %. h) Электромеханические циклические характеристики при 100 % деформации в течение более 10 000 циклов. Вставки показывают расширенную реакцию сопротивления в начале и конце испытания, что указывает на стабильные характеристики.
Многофункциональные возможности электроники на основе MALMPs для переходных, перенастраиваемых и носимых приложений. a) Серия фотографий в режиме реального времени, демонстрирующая растворение схемы на основе MALMPs в воде, последующее восстановление с помощью EGaIn и NaOH, а также обратное преобразование в MALMPs, что подтверждает полную перерабатываемость системы. b) Схематическое изображение перенастраиваемого по требованию модуля импульсного зондирования, состоящего из фотоплетизмографического (PPG) датчика, переключающего слоя MALMPs и Arduino. В исходном состоянии слой MALMPs остается электрически изолирующим, эффективно блокируя протекание тока и отключая работу устройства. При механической активации MALMPs переходят в проводящее состояние, перенастраивая схему и обеспечивая полную функциональность устройства. Пользователь инициирует активацию устройства, оказывая локальное давление пальцем, что запускает переход переключателя на основе MALMP из электрически изолирующего состояния в проводящее. Эта переконфигурация позволяет замкнуть цепь по требованию, питая устройство и инициируя беспроводную передачу данных через Bluetooth. Активированная система впоследствии получает и передает импульсные сигналы в режиме реального времени для мониторинга. c) Фотография и схематическое изображение массива емкостных датчиков, прилегающих к коже, взаимодействующих с пальцем человека. d, e) Демонстрация работы датчика, установленного на коже, где прикосновения пальца активируют управление направлением в игровом интерфейсе на основе емкостного ввода. Устройство используется для игры в «Змейку» с помощью емкостного ввода. f) Реальное изображение растяжимого устройства для мониторинга температуры (STMP), прилегающего к коже. g) Фотография устройства STMP при механическом растяжении ≈200%. h) Беспроводные показания температуры в реальном времени, передаваемые с STMP при различных тепловых воздействиях (холодный компресс и теплая поверхность).
«Это исследование имеет большое значение не только потому, что позволяет создавать электронные схемы интуитивно, как при рисовании, но и потому, что обеспечивает возможность их повторного использования», сказал профессор Пак Ин Гю, добавив: «Мы надеемся, что в будущем эта технология найдет применение в различных областях, таких как носимые компьютеры или адаптивные системы Интернета вещей, изменяющие свою форму».
Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале «Advanced Functional Materials» в качестве статьи на задней обложке.
Комментарии