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            通過液體基底電場驅動的噴射打印制造柔性嵌入式金屬網透明電極

            3D打印前沿
            2024
            02/20
            14:43
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            供稿人:曲滿強、賀健康
            供稿單位:西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室
            來源:中國機械工程學會增材制造技術(3D打。┓謺

            柔性透明電極(FTEs)具有優異的光電性能、良好的穩定性和高度的靈活性,是下一代柔性光電器件不可缺少的關鍵部件。氧化銦錫(ITO)作為一種導電透明材料被廣泛使用,但由于其固有的脆性、稀缺性和高溫磁控濺射工藝,很難被用于FTEs。研究人員最近開發了多種替代性導電材料來替代ITO,包括碳基材料、導電聚合物、金屬材料和混合材料等。其中,使用碳基材料和導電聚合物的共同問題包括導電性差和環境穩定性差,這限制了它們在柔性光電子領域的應用。金屬材料是最有潛力的用于制造FTES,它們提供了高導電性以及可調的機械靈活性。超薄金屬膜具有優良的導電性和良好的光學透射率,但在制造過程中需要進行復雜的加工,如熱蒸發和濺射沉積。很難解決同時提高透光率和導電性的矛盾。納米金屬線網格提供了便捷的全溶加工,以及出色的延展性。通過簡單地改變金屬網中的線寬、間距、高寬比(AR)、形狀和網孔類型,可以優化和調節基于金屬網的FTEs的電氣和光學性能。因此,基于金屬網的FTEs被認為是ITO的有前途的替代品,并在許多應用中顯示出廣闊的應用前景。嵌入柔性透明襯底的金屬網在表面粗糙度、化學穩定性、環境穩定性和機械疲勞強度方面都遠遠優于壓花金屬網。因此,嵌入金屬網的制造引起了廣泛的關注。然而,制造帶有嵌入式金屬網的高性能FTEs仍然是一個重大挑戰。

            針對上述問題,青島理工大學機械與汽車工程學院蘭紅波教授團隊提出了一種液體基底電場驅動微尺度3D打印制備帶有嵌入式金屬網的高性能FTEs。首先在柔性基底表面旋涂一層液體材料,然后體基底電場驅動微尺度3D打印技術在液膜基底上直接打印出具有大AR的超薄金屬網。最后,通過低溫燒結得到了具有優良光電性能的嵌入式金屬網FTEs。由于液態膜基底的抑制作用,該方法可以將高分辨率和高AR的金屬網直接封裝在柔性基底上,不需要額外的封裝工藝。液態膜基材的存在使其有可能通過施加低電壓實現穩定的噴射印刷。該團隊首次實現了在液體基底上進行電動流體動力噴射打印。


            圖1a是嵌入式金屬網FTE制造原理示意圖。圖1b是金屬網嵌入FTE的宏觀圖像。圖1c-d展示了液體基底電場驅動微尺度3D打印原理圖及數值模擬。圖1e是噴嘴處打印材料與液體基底之間的數值模擬圖。圖1f是高速攝像機捕捉到的噴嘴處打印材料和PDMS基底之間形貌的變化過程。


            圖2a是嵌入金屬網的FTE的宏觀圖像。圖2b-c展示了完全嵌入金屬網的FTE微縮圖像。圖2d是嵌入式銀線的SEM圖。圖2e為單根銀絲SEM放大圖。圖2f是半嵌入金屬網的FTE宏觀圖像。圖2g-h是半嵌入金屬網格的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。圖2i-j是半嵌入銀條的SEM圖像和部分放大的SEM圖像。


            圖3展示的是FTE的光學性能、機械穩定性和環境穩定性。圖3a是全嵌入式金屬網在不同間距尺寸PDMS/PET襯底上可見光范圍內的透光率。圖3b是在可見光范圍內,不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的全嵌入式金屬網的透光率。圖3c是在可見光范圍內,不含不同間距尺寸PDMS/PET襯底的半嵌入式金屬網的透光率。圖3d是全埋金屬網在不同間距的Rs。圖3e-h是ITO/PET與彎曲半徑為3 mm的嵌入式金屬網的彎曲穩定性比較。圖3f-i是嵌入式金屬網與ITO/PET薄膜的濕熱試驗比較。圖3g是預埋金屬網的化學穩定性試驗


            圖4展示的嵌入金屬網FTE的傳感應用。圖4a是身體不同位置的應力變量。圖4b是不同面部表情對應的應變傳感器實時響應。圖4c是人體關節對應的應變傳感器在不同彎曲角度下實時響應。圖4d是應變傳感器疲勞試驗。


            結果表明,該應變傳感器在1000次拉伸循環后仍具有良好的穩定性。這表明了其良好的實際應用潛力。應變傳感器具有良好的柔韌性和光學透明度,且不影響光學透過率。它可以很好地附著在人體皮膚上,實現任意拉伸、扭轉和彎曲功能,從而實現精確的測量。此外,嵌入式金屬網在許多實際應用中具有良好的穩定性,包括柔性電子產品,透明電加熱和傳感器。將該材料用于熱驅動4D打印結構,制備了電阻應變傳感器,取得了良好的實際應用效果。因此,液體基底電場驅動微尺度3D打印技術可用于方便、環保和高通量的FTEs制造,有利于柔性光電器件的低成本和綠色制造發展。

            參考文獻:
            Li Z, Li H, Zhu Xet al. Directly Printed Embedded Metal Mesh for Flexible Transparent Electrode via Liquid Substrate Electric‐Field‐Driven Jet[J]. Advanced Science, 2022,9(14):2105331.https://doi.org/10.1002/advs.202105331


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