通过液体基底电场驱动的喷射打印制造柔性嵌入式金属网透明电极

供稿人：曲满强、贺健康
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

柔性透明电极（FTEs）具有优异的光电性能、良好的稳定性和高度的灵活性，是下一代柔性光电器件不可缺少的关键部件。氧化铟锡（ITO）作为一种导电透明材料被广泛使用，但由于其固有的脆性、稀缺性和高温磁控溅射工艺，很难被用于FTEs。研究人员最近开发了多种替代性导电材料来替代ITO，包括碳基材料、导电聚合物、金属材料和混合材料等。其中，使用碳基材料和导电聚合物的共同问题包括导电性差和环境稳定性差，这限制了它们在柔性光电子领域的应用。金属材料是最有潜力的用于制造FTES，它们提供了高导电性以及可调的机械灵活性。超薄金属膜具有优良的导电性和良好的光学透射率，但在制造过程中需要进行复杂的加工，如热蒸发和溅射沉积。很难解决同时提高透光率和导电性的矛盾。纳米金属线网格提供了便捷的全溶加工，以及出色的延展性。通过简单地改变金属网中的线宽、间距、高宽比（AR）、形状和网孔类型，可以优化和调节基于金属网的FTEs的电气和光学性能。因此，基于金属网的FTEs被认为是ITO的有前途的替代品，并在许多应用中显示出广阔的应用前景。嵌入柔性透明衬底的金属网在表面粗糙度、化学稳定性、环境稳定性和机械疲劳强度方面都远远优于压花金属网。因此，嵌入金属网的制造引起了广泛的关注。然而，制造带有嵌入式金属网的高性能FTEs仍然是一个重大挑战。

针对上述问题，青岛理工大学机械与汽车工程学院兰红波教授团队提出了一种液体基底电场驱动微尺度3D打印制备带有嵌入式金属网的高性能FTEs。首先在柔性基底表面旋涂一层液体材料，然后体基底电场驱动微尺度3D打印技术在液膜基底上直接打印出具有大AR的超薄金属网。最后，通过低温烧结得到了具有优良光电性能的嵌入式金属网FTEs。由于液态膜基底的抑制作用，该方法可以将高分辨率和高AR的金属网直接封装在柔性基底上，不需要额外的封装工艺。液态膜基材的存在使其有可能通过施加低电压实现稳定的喷射印刷。该团队首次实现了在液体基底上进行电动流体动力喷射打印。

图1a是嵌入式金属网FTE制造原理示意图。图1b是金属网嵌入FTE的宏观图像。图1c-d展示了液体基底电场驱动微尺度3D打印原理图及数值模拟。图1e是喷嘴处打印材料与液体基底之间的数值模拟图。图1f是高速摄像机捕捉到的喷嘴处打印材料和PDMS基底之间形貌的变化过程。

图2a是嵌入金属网的FTE的宏观图像。图2b-c展示了完全嵌入金属网的FTE微缩图像。图2d是嵌入式银线的SEM图。图2e为单根银丝SEM放大图。图2f是半嵌入金属网的FTE宏观图像。图2g-h是半嵌入金属网格的SEM图像和部分放大的SEM图像。图2i-j是半嵌入银条的SEM图像和部分放大的SEM图像。

图3展示的是FTE的光学性能、机械稳定性和环境稳定性。图3a是全嵌入式金属网在不同间距尺寸PDMS/PET衬底上可见光范围内的透光率。图3b是在可见光范围内，不含不同间距尺寸PDMS/PET衬底的全嵌入式金属网的透光率。图3c是在可见光范围内，不含不同间距尺寸PDMS/PET衬底的半嵌入式金属网的透光率。图3d是全埋金属网在不同间距的Rs。图3e-h是ITO/PET与弯曲半径为3 mm的嵌入式金属网的弯曲稳定性比较。图3f-i是嵌入式金属网与ITO/PET薄膜的湿热试验比较。图3g是预埋金属网的化学稳定性试验

图4展示的嵌入金属网FTE的传感应用。图4a是身体不同位置的应力变量。图4b是不同面部表情对应的应变传感器实时响应。图4c是人体关节对应的应变传感器在不同弯曲角度下实时响应。图4d是应变传感器疲劳试验。

结果表明，该应变传感器在1000次拉伸循环后仍具有良好的稳定性。这表明了其良好的实际应用潜力。应变传感器具有良好的柔韧性和光学透明度，且不影响光学透过率。它可以很好地附着在人体皮肤上，实现任意拉伸、扭转和弯曲功能，从而实现精确的测量。此外，嵌入式金属网在许多实际应用中具有良好的稳定性，包括柔性电子产品，透明电加热和传感器。将该材料用于热驱动4D打印结构，制备了电阻应变传感器，取得了良好的实际应用效果。因此，液体基底电场驱动微尺度3D打印技术可用于方便、环保和高通量的FTEs制造，有利于柔性光电器件的低成本和绿色制造发展。

参考文献：
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