Інженери подолали низьку провідність рідкометалевих чорнил для 3D-друку гнучкої та прозорої електроніки за допомогою ультразвукового легування воднем. Надрукована мікросхема витримала розтягування на 500 відсотків та не відрізняється від використовуваних зараз для сенсорних екранів оксидів індію-олова, повідомляють вчені у статті, опублікованій у журналі Nature Materials.
LG
Що друкують такими чорнилами?
Сучасні електронні пристрої прагнуть до нових форм-факторів, які зроблять їх гнучкими та пластичними. Часто прототипи таких комп’ютерів або телефонів залишаються експериментальними пристроями і не стають популярними, але в деяких випадках це призводить до появи великої ніші нових пристроїв. Так в цьому році сталося зі складними смартфонами і планшетами. Їхня головна перевага перед звичайними гаджетами полягає в тому, що при тій же площі екрану вони займають набагато менше місця: планшет можна скласти до розмірів смартфона, а телевізор скрутити в невелику тумбу.У всіх цих пристроях використовуються екрани з органічними світлодіодами (OLED), пікселі у яких самовипромінюються без шару рідких кристалів, а також гнучка полімерна підкладка. Завдяки поєднанню високої прозорості і провідності, у виробництві органічних світлодіодів, прозорих електродів рідкокристалічних екранів і в тому числі сенсорних екранів, використовуються рідкометалеві чорнила, наприклад, оксид індію-олова. Рідкі метали легко деформуються і мають високу провідність, однак, коли вони перетворюються в чорнило, на поверхні утворюється ізоляційна оксидна плівка, яка знижує їх провідність після друку. З цією метою дослідницька група розробила рідкі металеві чорнила для прискорення друку мікросхем для електронних пристроїв, які можна перетворити в будь-яку форму.
Що запропонували інженери?
Дослідницька група розробила метод перетворення оксидної плівки мікрочастинок рідкого металу в провідник шляхом додавання іонів водню. Це дослідження показує, що легування воднем, що вводиться ультразвуком в присутності аліфатичних полімерів, робить оксидну плівку більш провідною та гнучкою. Вчені отримали рідкі металеві в'язкопластичні мікрочастинки з високою провідністю з легованих воднем оксидів індію та галію. Вони, на відміну від використовуваного оксиду індію-олова, є дешевшими. Тим паче, що інженери вже давно намагаються знайти адекватну заміну оксиду індію-олова, але поки властивості всіх альтернативних матеріалів відстають від нього. Щоб перевірити провідність оксидної плівки, інженери використали рентгенівську фотоелектронну спектроскопію і атомно-зондову томографію, які підтвердили що леговані воднем оксиди індію або оксиди галію можуть мати електричну провідність, аналогічну провідності електродів з оксиду індію та олова.
Як чорнила працюють?
Зі своїх рідкометалевих чорнил інженерам вдалося безпосередньо надрукувати лінії тривимірних схем на різних пластичних підкладках. Оскільки мікрочастинки можуть змінювати форму при деформації, зберігаючи при цьому високу провідність, друковані електроди і лінії схеми майже не змінили опору навіть при розтягуванні більш ніж на 500 відсотків та зберегли механічну стійкість до подряпин і свої електричні властивості навіть за високої вологості та температури. Оскільки рідкі металеві чорнила дозволяють використовувати традиційні методи друку для виготовлення складних тривимірних схем без втрати струму, нові чорнила можна буде застосовувати у робототехніці, натільних пристроях тощо. Кінцевою метою цього дослідження, за словами вчених, є розробка розтягуваних і складних тривимірних електронних пристроїв, які зберігають свої електронні властивості навіть за механічних пошкоджень.
Зображення в'язких частинок рідких металів під час розтягування / POSTECH