導讀

據韓國基礎科學研究院官網近日報道，該研究院與蔚山國立科技大學研制出高導電率、可完全變形的超薄電極材料。這項研究通過更細的三維互連線，將幫助我們徹底革新智能裝置的外觀，并加強它們的技術功能。

背景

在手腕上戴一塊智能手表，就能讓自己看起來很酷，這樣的日子似乎已經離我們遠去了。近來，可穿戴生物技術產業顯示出對未來主義物品永不滿足的渴望。這些物品包括：監測腦電波的止痛護目鏡、監測生命體征的貼紙、解讀心智的眼鏡等。

可監測心率、呼吸、肌肉運動和其他健康數據并發送至智能手機的皮膚貼片（圖片來源：大邱慶北科學技術院）

雖然所有這些可穿戴原型產品是否都會流行起來還不確定，但有一點很清楚：可穿戴技術領域還會出現更多的產品。然而，這一偉大的潛力卻受制于一項技術性約束：這些可穿戴產品從來沒有讓用戶真正地感覺到“可穿戴”。

盡管它們摸起來應該像是穿戴者的第二層皮膚，但是從技術角度來說，我們設計出的產品卻無法在柔軟、具有弧度的皮膚上舒適地彎曲與拉伸，并同時保持良好的數據記錄能力。

可穿戴智能設備通過將電極連接到皮膚表面，采集個人生理指標測量值。設備的內部是三維形狀的電極連接線（也就是互連線），它們可以傳遞電信號。迄今為止，這些互連線只能在僵硬表面上形成，而且其成分都是易損、難以拉伸的金屬，例如金、銀、鋁。

創新

位于韓國大田的基礎科學研究院（IBS）納米醫學中心的 Jang-Ung Park 教授與位于韓國蔚山的蔚山國立科技大學（UNIST）的 Chang Young Lee 教授領導的科研團隊，在《納米快報（Nano Letters）》期刊上發表的一篇論文中，報告了可完全變形的高導電率電極材料。

值得注意的是，這種新型復合材料超薄，直徑為5微米，是傳統連接線寬度的一半。這項研究通過這種更細的三維互連線，將幫助我們徹底革新智能裝置的外觀，并加強它們的技術功能。

圖1-1：這項研究的圖形概要。以鉑（Pt）修飾的碳納米管與液態金屬之間具有很高的親合性（左），并導致碳納米管在液態金屬中均勻分布，形成可拉伸的金屬復合材料（中）。這種可拉伸的金屬材料的機械性能優于未經處理的液態金屬，因此很適合被塑造為“始終如一的細（也就是說高分辨率）”的三維結構（右）。（圖片來源：IBS）

圖1-2：液態金屬的圖片（左）、有碳納米管無鉑（Pt）的液態金屬（右）、在碳納米管表面上用鉑修飾的可拉伸金屬復合材料（右）。鉑（Pt）可以使得碳納米管在液態金屬基體中均勻分布。（圖片來源：IBS）

技術

研究團隊采用液態金屬（LM）作為主要基底，因為液態金屬高度可拉伸，并具有與固態金屬類似的相對較高的導電率。碳納米管（CNT）均勻地分布其中，以改善液態金屬的機械穩定性。論文第一作者 Young-Geun Park 表示：“為了讓碳納米管均勻地分布在液態金屬中，我們選擇了對于碳納米管與液態金屬來說都有很強親合性的鉑（Pt）作為混合劑，它的確起到了作用。”

圖2：可拉伸金屬復合材料的三維印刷系統示意圖。該印刷系統由一個連接墨水槽的尖嘴、一個壓力控制器和可在x、y、z軸以及xy平面中其他兩個傾斜軸上自主運動的五軸運動臺組成。墨水槽中充滿了可拉伸金屬復合材料。（圖片來源：IBS）

這項研究也展示了一項新的互連技術，它可以在室溫下形成高度導電的三維結構。為了具有高導電率，新系統不需要任何加熱或者壓縮過程。此外，這種新型電極的柔軟與可拉伸的天性，也使之更容易通過直徑很小的噴嘴。研究團隊采用噴嘴直接印刷各種各樣的三維圖案結構，如圖3所示。

圖3-1：在電子芯片般的柔性材料（硅膠）三維結構上印刷的可拉伸金屬復合材料的立體顯微照片。比例尺為100 微米。（圖片來源：IBS）

圖3-2：印刷而成的可拉伸金屬復合材料的各種三維結構示意圖（左）和掃描電子顯微鏡圖像（右）。三維互連可以交疊。比例尺為100 微米。（圖片來源：IBS）

Park 解釋道：“對于使用各種柔性電子材料來說，在室溫下形成高度導電的三維互連線是一項必要的技術。在現有電子器件中使用的這種打線技術，采用熱量、壓力或者超聲波來形成互連線，有可能損壞與皮膚相似的柔性裝置。在高性能電子器件制造工藝中，這些因素都帶來了巨大的挑戰。”他注意到，尖嘴也使得預印的圖案重塑為各種三維結構，具有一個像“開關”一樣工作的電極，從而打開和關閉電源。

這種復合材料的高分辨率三維印刷，采用了直接印刷法，形成了無支撐的線狀互連。具體來說，這種新的可拉伸的三維電氣互連是由超薄線（5微米細）組成。之前，關于可拉伸金屬的研究只能展示直徑為幾百微米的線。這種新系統比傳統打線方法制造出的互連線更細。

價值

論文通訊作者 Jang-Ung Park 教授表示：“我們不久將可以與那些基于皮膚的龐大笨重的接口說再見，因為這種可自由變形的超薄三維互連技術將成為行業的重大突破，制造出小巧纖細的裝置。這項新技術讓人體與電氣裝置之間的界限變得模糊，將促進集成度更高、性能更好的半導體元器件的生產，應用于現有計算機和智能手機，以及柔性且可拉伸的電子器件。”