韓國科學技術院(KAIST)14日宣布,由材料科學與工程系Jihyung Kang教授領導的研究團隊，開發了一種在聚合物中制造導電液態金屬顆粒網絡的方法，并利用該方法實現了具有橡膠特性的可伸縮性印刷電路板。這項研究于11月11日作為封面論文發表在國際期刊《Science》上，論文標題為"液態金屬顆粒在聚合物中的通用組裝可實現彈性印刷電路板"。

最近，隨著對可植入電子設備、可穿戴電子設備和軟機器人的興趣增加，研究人員對具有優異彈性和電性能的可伸縮電子設備進行了各種研究。為了實現這種伸縮性電子設備，需要制作可伸縮性印刷電路板。

為了實現可伸縮性印刷電路板，有人提出將銅等金屬顆粒在彈性高分子電路板上形成圖形，從而實現一種可拉伸的聚合物基板，但其局限性在于柔韌性有限，電子元器件密度降低。為了克服這些局限性，研究人員提出了可以自我拉伸并具有導電性的導電聚合物、金屬納米材料-聚合物復合材料等，但這些都存在局限性，因為它們在使用過程中電阻會快速變化，因此很難用作可拉伸的印刷電路板。

< 圖 1. 超聲波形成的納米級液態金屬顆粒形成液態金屬顆粒網絡 >

液態金屬作為一種可以克服這些局限性的材料受到了極大的關注。液態金屬是一種在室溫下呈液態的金屬，由于其高導電性及像液體一樣的自由變形能力，被認為是適用于可伸縮電子設備的材料。然而，由于液態對外部沖擊的不穩定性，其用作印刷電路板的布線受到限制。

為了克服這個問題，許多研究人員試圖通過將液態金屬粉碎成微米級顆粒，然后將其與聚合物混合來賦予優異的機械性能。然而，以這種方式制成的液態金屬顆粒-聚合物復合材料存在無法通電的問題，因為由于液態金屬顆粒之間的排斥力，顆粒之間無法形成連接。

為了解決這一問題，Kang Ji-hyung教授研究組利用超聲波在高分子支撐體內組裝液體金屬粒子，形成了導電網絡，并開發出了在伸縮過程中電阻不變的電極。由于這一點，它在世界上首次被表明可應用于可以像橡膠一樣自由變形的(增長5倍以上的)伸縮性印刷電路板上。

研究團隊證實，如果對絕緣性復合材料使用超聲波，液態金屬顆粒/聚合物/液體金屬顆粒的界面上就會形成密集的納米級液態金屬顆粒，形成導電顆粒組裝網絡。

< 圖 2. 基于液態金屬粒子網絡的可拉伸顯示和可拉伸光學血流測量傳感器 >

由此產生的網絡具有低電阻，類似于傳統印刷電路板上布線所用的銅，即使拉伸至10倍，電阻也幾乎沒有變化。此外，由于復合材料優異的機械性能，它具有很高的抵抗外部物理沖擊的能力。

特別是，此次研究不同于以往通過機械方式賦予其導電性能，而是利用基于超聲波的非破壞性方式解決液體金屬形態不穩定問題，從而獲得了與各種電子零部件的高接合力。

< 圖 3. 使用各種聚合物基質的高分辨率光圖案化和受損液態金屬顆粒網絡的自我修復 >

基于這些液態金屬粒子網絡優異的電氣/機械性能和高結合強度，研究團隊將液態金屬粒子網絡圖案化在可拉伸聚合物基板上，并將其連接到電子元件上，制成可拉伸顯示器和光學血流測量傳感器, 從而產生了各種可伸縮的可穿戴設備，提出了其應用于電子設備的可能性。

研究團隊以同樣的方式在光刻膠、水凝膠和自修復聚合物等各種聚合物中進一步開發了液態金屬粒子網絡，從而實現了在傳統伸縮性電極研究中沒有的高清晰度光傳感器、用于體內插入型電子元件的低阻抗電極、可以自我修復的液體金屬基礎電極等多種應用的可能性。

Jihyung Kang教授表示，"通過這項研究開發的基于液態金屬顆粒組裝網絡的復合電極將極大地促進可穿戴和植入式電子設備的開發和商業化。”"

據悉，該研究得到了韓國國家研究基金會納米材料技術開發項目未來技術實驗室、優秀青年研究項目和ERC可穿戴平臺材料技術中心的支持。

審核編輯：郭婷