哈工大開發使用固化液態金屬構建 3D 柔性電子產品新工藝

哈工大開發使用固化液態金屬構建 3D 柔性電子產品新工藝

近年來，工程師和材料科學家一直在努力尋找特別有前途的材料，用于制造不同形狀和尺寸的柔性電子產品。最終，這些電子設備可以集成到可穿戴設備（例如，智能手表和醫療設備以監測生物信號）、軟機器人和其他系統中。

可用于制造可拉伸電子產品的多種材料是基于鎵合金的液態金屬，其本質上是包括鎵在內的金屬混合物。液態鎵合金具有固有的流動性和高導電性，這是制造軟質或柔性電子產品的兩個有利特性。

然而，到目前為止，使用任何液態金屬構建三維（3D）電路已被證明具有挑戰性。這限制了使用液態鎵合金可以創建的結構，阻礙了它們廣泛用于制造柔軟和可拉伸的電子設備。

哈爾濱工業大學和中國科學院的研究人員最近使用液態鎵 - 銦合金制造了具有3D電路的柔性電子產品。他們的論文發表在Nature Electronics上，確定了具有開發柔性電子產品的合適品質的鎵合金，包括固液相變，機械強度和固態下的良好塑性。

“我們表明，通過利用液態金屬的固液相變和塑性變形，鎵 - 銦合金可用于制造具有3D電路的柔性電子產品，”李國強和他的同事在他們的論文中寫道。

為了使用鎵銦合金制造柔性電子產品，Gaa10在研究中，研究人員首先將合金的大量樣品冷卻到低溫。這個過程使他們能夠將材料塑造成實心金屬絲和薄片。

“固體但可塑性可變形的合金線在低溫（低于15攝氏度）下被塑造成電路并封裝在彈性體中，然后被加熱到熔化溫度以上，”李和他的同事在他們的論文中解釋說。“隨后，過冷效應使合金在很寬的溫度范圍內保持液態，包括低于熔點。

通過將預制的液態金屬結構封裝在彈性體中并將它們加熱到22.7攝氏度以上，該團隊確保這些結構恢復了流動性。該過程產生了可拉伸的液態金屬，可以導電，因此可用于制造柔性電子元件。

多層柔性電路板的制作方案

“我們使用該技術制造高靈敏度應變傳感器，用于集成發光二極管（LED）陣列的三維互連拱門，以及用于監測手指運動的三維可穿戴傳感器和多層柔性電路板，”研究人員在他們的論文中寫道。

在最初的測試中，創造的合金結構已被證明對柔性電子產品的發展非常有利。為了展示它們在電子產品中的潛在應用，該團隊使用這些結構來創建各種電子設備，包括應變傳感器，用于集成LED的互連和用于監控手指運動的電子系統。

手勢感應手套及其應用.a） 顯示應變傳感器安裝在手套上。b） 手指彎曲和矯直的運動檢測執行不同的手勢。

未來，創建基于鎵 - 銦合金的柔性電子產品的新提出的策略可用于制造基于其他合金和材料的類似液態金屬結構。此外，李和他的同事創造的合金結構很快就會用于制造可拉伸的電子產品，包括可穿戴設備和軟機器人系統的組件。