急速メニスカス

May 31, 2024

Nature Communications volume 13、記事番号: 2643 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

液体金属は、金属に匹敵する高い電気伝導性と、液体状態による優れた変形能力を併せ持つことから、ソフトエレクトロニクスの材料として有望視されています。 しかし、液体金属の機械的安定性と初期導電率を同時に達成するのは難しいため、液体金属の適用性は依然として制限されています。 さらに、安定した液体金属をさまざまな軟質基板上に高解像度で直接、信頼性が高く、迅速にパターニングすることは依然として困難な課題です。 この研究では、半固体状態の液体金属を生成するために、水性溶媒中に高分子電解質が付着した液体金属微粒粒子を含むインクのメニスカス誘導印刷が提示されています。 蒸着方式で印刷された液体金属微粒粒子は機械的に安定しており、最初は導電性があり、さまざまな基板上に 50 μm までパターン化できます。 超伸縮性 (最大 500% のひずみ) 電気回路、カスタマイズされた e-skin、および廃棄物ゼロの ECG センサーのデモンストレーションにより、この製造戦略のシンプルさ、多用途性、信頼性が検証され、高度なソフト エレクトロニクスの開発における幅広い用途が可能になります。

ウェアラブル ディスプレイ、電子スキン (e-skin)、ウェアラブル ヘルスケア デバイスなどへの電子機器の需要の高まりに伴い、伸縮性の高いカスタマイズされたソフト エレクトロニクスが大きな注目を集めています 1,2,3,4,5,6。 リジッドマスク（スクリーン印刷、フォトリソグラフィーなど）を使用した従来のパターニング戦略とは異なり、インクジェット印刷などのデジタルマスクベースの付加的パターニングにより、さまざまな設計の電子デバイスを迅速かつコスト効率よく製造できます7、8、9、10。 さらに、リジッドマスクベースのパターニングはソフト基板と互換性がないため、ソフトエレクトロニクスの多用途製造には付加印刷の方が適していると考えられています。

柔軟な伸縮性エレクトロニクス用の理想的な導電性材料と印刷プロセスには、(1) 高導電性、(2) 高解像度、(3) 高伸縮性、(4) 機械的安定性、(5) シンプルなワンステップの迅速処理、および ( 6) さまざまな基材への印刷適性。 候補として、1/2D 材料、導電性ポリマー、金属粒子埋め込みマトリックスが研究されています 11、12、13、14、15。 しかし、これらの材料は、金属に比べて導電性が低いことや機械的変形能が不十分であるため、柔らかい伸縮性エレクトロニクスとしての使用には制限があります。 ガリウムベースの液体金属 (LM) は、金属レベルの高い導電性と変形性のユニークな組み合わせにより、これらの制限を克服します 16、17、18。 しかし、LM はその流動性による機械的不安定性により、他の材料 (電子部品、皮膚など) との直接接触が制限されるため、実用化が妨げられます 19。

バルク LM の上記の欠点を克服するために、外側の酸化物層が流体のような挙動を抑制できる LM 粒子ベースのアプローチが積極的に研究されています 20,21。 しかしながら、酸化物は絶縁体であるため、自然酸化層が形成されると導電性が低下する。 したがって、パターニング後、酸化物層を破壊または除去するには、機械的スクラブ、引張ひずみ、または化学エッチングなどの追加の処理が必要です10、22、23、24、25。 ただし、これにより LM 粒子がバルク LM に戻されるため、バルク LM が直面する問題が再び発生します。 さらに、追加の処理が必要なため、欠陥領域（オープンまたはショートなど）が生じる可能性があり、製造プロセスの信頼性を低下させる不確実性が生じます。 この問題に対処するために、Jeong らは、 最近、水素をドープすることによって固有導電性の液体金属微粒子が報告され、ノズルプリンティングによってパターン化することができる26。 ドープされた液体金属粒子は、安定性を維持しながら信頼性の高い固有の導電性を示しますが、高解像度のパターニングは実証されていません。 さらに、有機溶剤ベースのインクと、高温で長時間（120 °C、3 時間）アニールする必要があるため、使用できる基板の種類が制限され、迅速な製造が制限されます。 したがって、多くの努力にもかかわらず、柔軟な伸縮性エレクトロニクス用の印刷された導電性材料に対する上述の重要な要件にはまだ対処されていない。