供稿人：高天健、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-02-04
多層、多材料、共形柔性電極是多功能可穿戴電子器件的關(guān)鍵。為了滿足在任意表面可編程的功能，通常需要采用多層布局，合理組織不同的構(gòu)件。當(dāng)前，柔性電子電路一般是通過轉(zhuǎn)移印刷方法制作的，通過噴墨印刷、噴印或絲網(wǎng)印刷等在可犧牲和可分解的基片上印刷導(dǎo)電電路，然后釋放和轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基片上。然而，傳統(tǒng)的電子電路制造需要基底支持的轉(zhuǎn)移印刷，額外的基底限制了薄膜電極與3D電子器件的多層集成及電極的展開功能，并破壞了在任意曲面上的整合性，這些限制了它們在任意表面上的多層完整性和器件一致性。
針對上述問題，南洋理工大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院的研究人員提出了一種“蒸發(fā)收縮輔助圖版”方法（圖1），利用蒸發(fā)誘導(dǎo)界面應(yīng)變失配，制備自分離、獨立、可圖版的電極。使用這種方法制備的500層無襯底微型超級電容器的能量密度為350 mWh cm?2，功率密度為40 mW cm?2，比目前襯底受限的微型超級電容器高100倍。并使用該方法在模型手上制備了數(shù)字電路，能夠在模型手變形的過程中穩(wěn)定工作。
圖 1用于獨立式、可編程電極自動可拆卸成型的蒸發(fā)收縮輔助成型原理圖。
為了制備柔性電子器件用的獨立式、多層材料、多層電極，研究人員合成了蒸發(fā)收縮性能可控的聚苯胺(PANI)改性BC水性油墨作為圖案油墨材料。將PANI/BC電極圖紋在濾膜上后，水分蒸發(fā)導(dǎo)致印刷電極與濾膜之間的收縮應(yīng)變不匹配，從而降低了二者的界面結(jié)合。當(dāng)電膜界面的比面應(yīng)變能高于臨界能量釋放速率時，蒸發(fā)收縮型PANI/ BC電極發(fā)生自剝離，容易從濾膜中釋放。研究人員使用這種方法，制備了剝離后的蜂窩結(jié)構(gòu)、波浪及六邊形結(jié)構(gòu)（圖2A）。這種由蒸發(fā)收縮輔助成型方法制造的微型超級電容器還能高度適應(yīng)各種表面，可直接轉(zhuǎn)移粘附在任意表面，如紙張、玻璃、樹葉、水凝膠、棉花、手套等（圖2B），同時保持其電化學(xué)性能。此外， 將4個微型超級電容器串聯(lián)起來的獨立式微型超級電容器可以直接轉(zhuǎn)移粘附在襯衫上，并在襯衫的變形下照亮發(fā)光二極管。
圖2蒸發(fā)收縮輔助成型方法制備的可轉(zhuǎn)移電路(A)剝離后的獨立電路圖案。(B)可定制圖案的微型超級電容器照片直接轉(zhuǎn)移到任意表面(C)將典型新加坡游客圖案的4個串聯(lián)微型超級電容器轉(zhuǎn)移到一塊布上，點亮紅色發(fā)光二極管。
研究者將數(shù)字電路與微型超級電容器無縫集成，設(shè)計了一個獨立的多層數(shù)字電路來產(chǎn)生led連續(xù)閃爍的時鐘信號。如圖3A，這種可編程電子系統(tǒng)包括四層電路，最上層包含的功能部件包括電阻、電容、微超級電容、微芯片和發(fā)光二極管，下面的三層是相互連接的微電極。所有層都可以使用簡單的干濕工藝垂直組裝，形成獨立的電子電路，組裝好的電路可以傳輸和粘附在任意表面，如人手和膨脹手套（圖3B）。通過人手握拳和松開拳頭，研究人員能夠控制發(fā)光二極管的閃爍。
圖3(A)內(nèi)置微型超級電容多層數(shù)字電路原理圖。(B) 利用自粘性在模擬手上集成多層電路
盡管利用“蒸發(fā)收縮輔助圖版”方法可以制備出集成多個微超級電容器的獨立式多層電路，并在動態(tài)變形下保持電路穩(wěn)定的性能，但使用該方法制備可穿戴電子設(shè)備時，依然有待提高可編程電路在曲面上的適應(yīng)性。此外，增加多層電路的功能性還需要更先進(jìn)的電路設(shè)計及多材料的組合，開發(fā)多材料多層電路的集成制備方法有望推動柔性可穿戴電子器件的發(fā)展。