I dispositivi elettronici di oggi cercano nuovi fattori di forma:renderli pieghevoli, estensibile, e deformabile. Per produrre tali dispositivi che sono altamente estensibili o deformabili, è necessario sviluppare elettrodi e linee circuitali le cui proprietà elettriche possano resistere a forti deformazioni o danni meccanici. A questa, Il team di ricerca congiunto POSTECH-Yonsei University ha recentemente sviluppato un inchiostro a metallo liquido per accelerare i dispositivi elettronici stampati che possono essere modificati in qualsiasi forma.

Professor Unyong Jeong e Dr. Selvaraj Veerapandian del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali di POSTECH, con il Professor Aloysius Soon e il Dr. Woosun Jang del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Yonsei University, hanno sviluppato microparticelle di metallo liquido con elevata conduttività e viscoplasticità. Questi risultati della ricerca sono stati pubblicati nell'autorevole rivista internazionale Materiali della natura il 4 gennaio 2021.

I dispositivi elettronici utilizzano convenzionalmente elettrodi e linee circuitali in metalli duri come oro, d'argento, o rame. Però, tali substrati metallici si rompono e perdono la loro conduttività elettrica a causa della pressione esterna e dell'allungamento, rendendoli inadatti all'uso in dispositivi elettronici deformabili. Anzi, i metalli liquidi, che scorrono come un liquido a temperatura ambiente e sono facilmente deformabili e altamente conduttivi, hanno attirato grande attenzione per la loro potenziale applicabilità nelle linee dei circuiti estensibili. Però, quando questi metalli liquidi vengono trasformati in inchiostro, sulla superficie si forma una pelle di ossido isolante che rimuove la loro conduttività dopo essere state stampate.

Il team di ricerca congiunto ha ideato un metodo per convertire il film di ossido delle microparticelle di metallo liquido in un conduttore drogando ioni idrogeno nei film. Per verificare teoricamente la conducibilità del film di ossido tramite drogaggio con idrogeno, il team ha utilizzato simulazioni di materiali basate sulla meccanica quantistica per confermare che gli ossidi di indio drogati con idrogeno o gli ossidi di gallio possono avere una conduttività elettrica simile agli elettrodi di ossido di indio e stagno (ITO) attualmente utilizzati negli elettrodi trasparenti. I ricercatori hanno inoltre confermato che il film di ossido drogato con idrogeno con assorbimento del polimero sulla superficie aveva una viscoplasticità che poteva resistere a circa il 300% di allungamento senza rotture.

Questo nuovo inchiostro di metallo liquido contenente le microparticelle di metallo liquido drogate con idrogeno ha consentito la stampa diretta di linee di circuiti 3D su vari substrati elastici. Poiché le microparticelle potrebbero cambiare forma in seguito a deformazione mantenendo un'elevata conduttività, gli elettrodi stampati e le linee del circuito hanno mostrato una variazione trascurabile della resistenza anche quando allungati oltre il 500% e hanno mantenuto le proprietà elettriche anche in ambienti difficili come elevata umidità, temperature elevate o gravi danni meccanici. Si prevede che questa tecnologia innovativa consentirà lo sviluppo di dispositivi estensibili di prossima generazione.

"Finora non è mai stata studiata una viscoplasticità così elevata degli ossidi metallici, " ha osservato il professor Aloysius Soon della Yonsei University. "Ciò che è iniziato come uno studio sulla viscoplasticità della pelle di ossido conduttivo ha aperto la possibilità di sviluppare ossidi metallici duttili di semiconduttori e isolanti".

Il team di ricerca di POSTECH guidato dal professor Unyong Jeong sta lavorando alla commercializzazione di circuiti altamente estensibili utilizzando l'inchiostro e la tecnologia di stampa di nuova concezione. Poiché il loro inchiostro metallico liquido consente di utilizzare i metodi di stampa tradizionali per la fabbricazione di circuiti 3D complessi senza corrente di dispersione, il nuovo inchiostro è progettato per essere altamente applicabile in altri settori come la robotica, pelli elettroniche, e dispositivi indossabili attraverso la stampa 3D.

"L'obiettivo finale di questa ricerca è sviluppare dispositivi elettronici 3-D estensibili e pieghevoli che mantengano le loro proprietà elettroniche anche in condizioni difficili o danni meccanici, " ha aggiunto il professor Unyong Jeong.