柔性电子器件新进展

随着电子产品的不断发展，现代电子产品的固定机械刚度限制了其广泛应用。刚性电子产品难以适应人体皮肤或器官的曲线，而柔性电子产品则缺乏足够的刚度来有效承载负载。因此，需要一种能够在刚性和柔性之间转换的“可变形电子系统（TES）”。然而，现有的TES设计通常复杂多层，包括柔性、可伸缩的电子层和刚度可调平台，这增加了制造和集成的复杂性，导致设备笨重且生产效率低下。此外，常用的无机镓材料虽然具有优异的性能，但由于其高表面张力和低粘度，导致在高分辨率图案化方面存在挑战，制约了TES电路板的制造。

为了解决这些问题，韩国科学技术院（KAIST）的Jae-Woong Jeong等研究者携手开发了一种新型的镓-铜（Ga-Cu）复合电子墨水，并利用直接喷墨打印技术进行高分辨率的TES电路板制造。他们通过优化复合墨水中铜的含量，确保了墨水在存储数月后仍能保持流动性，并且可在微尺度上实现卓越的均匀打印。此外，他们通过系统研究和调整墨水的性质，如润湿性、粘度和表面张力，实现了高分辨率的打印。

图1展示了直接喷墨打印的关键特征和优势。其中图1A显示了墨水在不同基板上的可打印性、打印电子的可扩展性、全方位打印能力和墨水厚度可控性。通过图中的示意图和实验结果，展示了墨水在玻璃、VHB胶带、纸胶带、泡沫胶带、SEBS、PDMS、PI薄膜和胶带等不同基板上的出色打印效果，说明墨水在各种材料上的通用性。图1B展示了基于镓-铜复合墨水的可转换式电子学的概念和机械特性。图中的两种可转换模式（刚性模式和柔性模式）说明了墨水的相变特性，使设备可以在不同环境下切换其刚度和柔韧性，适应不同的使用需求。

 图1. 直写打印制备一步复合墨水概述。

研究者在图2中进行了对可调硬度的镓-铜复合墨水的系统研究。他们通过将5.0 wt %的铜填料（直径为10到25 μm）分散到液态镓中，使用超声波器制备了该墨水（图2A）。通过在不同超声波处理时间下评估复合墨水的均匀性，研究者发现超声波处理时间显著影响了铜填料的均匀分散程度（图2B）。图2C展示了复合墨水的黏度和表面张力的变化，揭示了添加铜填料后墨水的流变特性。通过比较纯镓和镓-铜复合墨水的打印效果，研究者证明了铜填料的引入提高了墨水的打印质量（图2D）。进一步的实验揭示了铜填料对墨水的黏度、表面张力和热特性的影响，这些特性有助于提高墨水的打印性能（图2E至图2I）。这些研究结果为可调硬度的镓-铜复合墨水的制备和应用提供了关键信息。

图2. 模式可转换的镓铜复合墨水的化学、流变和热特性表征。

该研究致力于对定制打印条件和打印的镓-铜复合墨水的电机械特性进行系统研究。通过自定义的三维打印机，研究人员通过四个主要步骤成功地实现了墨水的直接写入打印，并在不同基板上完成了打印，包括VHB胶带、SEBS、玻璃和PDMS（见图3A）。增材制造有助于实现墨水在各种基板上的成功打印。通过调整打印参数，如打印速度、挤压压力等，可以调整打印图案的宽度、厚度和垂直高度，实现对打印输出的精确控制。此外，研究人员确定了最佳的打印条件范围，以避免由瑞利不稳定性引起的不良印刷问题。对打印的TES进行全面的机械特性研究表明，镓-铜复合墨水打印的TES具有高抗弯刚度和刚性模式下的硬度，以及出色的可延展性和长期稳定性，这使得它在多种电子应用中非常适用。

图3. 对打印条件和印刷镓铜复合墨水的电机械特性进行系统研究。

图4展示了一种变形式超薄表皮PPG传感器，旨在利用镓-铜复合墨水的特性来实现。这种墨水具有易于调节的刚度、多功能的可打印性和高电导率等特点，使其非常适合制作适应组织变形的生物电子设备。为了展示其潜力，研究者设计并制造了一种变形式表皮PPG传感器，如图4A所示。该传感器采用了一种独立的超薄设备设计，无需额外的刚性载体基板，并且能够通过刚性到柔性的快速模式转换，无缝适应皮肤的皱纹和变形。墨水的高电导率和微观级别的可打印性确保了高分辨率的电路打印，使传感器能够准确地感知生理信号。图4B展示了该传感器的详细结构，包括13个表面贴装元件和2个垂直互连入。这种设计简化了传感器的制造和使用过程，使其更易于应用于真实环境中。传感器具有由体温触发的双向相变功能。在室温下，传感器保持刚性，但在接触到皮肤后，会迅速柔化并适应皮肤的形态。这使得传感器能够紧密贴合皮肤，实现高保真度的生理信号采集，同时保证长时间的舒适性和佩戴性。图4C展示了这种相变过程的示意图和实际效果。此外，传感器的设计保证了其在皮肤动态变形时不会发生断裂或电性短路，确保了其稳定可靠的性能。图4D展示了传感器在拉伸和压缩后仍然保持完全贴合皮肤的能力。传感器的高电导率确保了其在柔性模式下仍能够准确测量脉搏率，从而为生理监测提供了可靠的数据。最后，传感器在使用后可以通过简单的冷却过程重新硬化，以便重复使用，或者可以轻松地从皮肤上剥离并处理。

图4. 使用模式可转换的镓铜复合墨水创建的变形表皮PPG传感器。

为了展示Ga-Cu复合墨水在制造高度复杂的可变形电子电路设备中的应用，研究者设计了一个具有复杂迹线设计的紧凑型变形式无线光电子设备，并通过DIW打印来精确控制电子迹线的宽度和厚度。该设备包括一个圆形线圈天线、一个DC电压四倍器电路和一个无线通信电路，形成了一个双层电路，通过15个垂直互连孔连接，包含17个表面安装器件和一个锂聚合物电池（图5A，B）。设备的设计旨在实现无线电能接收和转换，以及通过蓝牙控制集成LED进行光刺激，为光遗传学和光疗等应用提供潜在解决方案。Ga-Cu复合墨水的优异流变性能使得电子迹线的宽度和厚度得以精确控制，为电路设计提供了灵活性和高分辨率。迹线的厚度考虑了皮肤效应，以确保在柔硬两种模式下实现高效的无线功率传输。电子迹线的宽度变化范围广泛，从而实现了紧凑的电路设计和可靠的无线功率传递。同时，Ga-Cu复合材料还展现出了双向转换特性，使得设备能够在刚性和柔性模式之间自由转换，从而保证了设备在不同形态下的适用性和稳定性（图5C，D）。

图5. 具有复杂电路设计的变形无线光电设备，具有不同的线宽和高电路密度。