KIST研發(fā)出導(dǎo)電彈性墨水，可實(shí)現(xiàn)3D 打印自支撐結(jié)構(gòu)

2023年5月16日，南極熊獲悉，來自韓國科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)的研究人員最近展示了一種導(dǎo)電彈性油墨，可以在任何方向打印出自支撐結(jié)構(gòu)。這種新型墨水使用乳液系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所需的打印流動性能，并且它的發(fā)布可能會在可拉伸和可穿戴電子領(lǐng)域帶來眾多創(chuàng)新。

這項(xiàng)研究以題為“Omnidirectional printing of elasticconductors for three-dimensional stretchable electronics”的論文被發(fā)表在《Nature Electronics》期刊上，由Byeongmoon Lee,Hyunjoo Cho, Sooyeon Moon等人聯(lián)合撰寫。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-00949-5

3D 打印電子產(chǎn)品是一個不斷增長的市場，但由于各廠商將之視為商業(yè)機(jī)密，其真實(shí)的發(fā)展水平很難被外界所了解。3D 打印導(dǎo)電彈性體一直以來都是一個備受關(guān)注的領(lǐng)域。目前，打印導(dǎo)電彈性體僅限于二維平面，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)油墨受限于流變特性，無法在打印后立即支撐它們的重量。然而，如果一種材料可以打印出獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，同時又具有足夠的柔韌性以隨人體移動，那么它就可以最大限度地提高可穿戴設(shè)備的保真度，并制造與個體患者外形相匹配的復(fù)雜電路。KIST的研究團(tuán)隊(duì)采納了這種研究思路，并找到了一種方法來操縱墨水的流變特性來全方位打印彈性導(dǎo)體。

KIST研究人員使用的乳液系統(tǒng)由導(dǎo)電彈性體復(fù)合材料（銀、Ag、多壁碳納米管、MWCNT和聚二甲基硅氧烷，PDMS）、不混溶溶劑（二甘醇，DEG）和乳化溶劑（氯仿，CHCl3)。事實(shí)證明，DEG 是獲得適當(dāng)流變性能的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗梢宰柚固盍显诜稚Ⅲw中沉淀，并賦予其假塑性和潤滑特性，從而防止噴嘴堵塞，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定打印。

△顯示稀釋型導(dǎo)電彈性油墨與 KIST 乳液型導(dǎo)電彈性油墨之間差異的示意圖。（來源：NatureElectronics）

乳液油墨中填料的最小特征尺寸小于 100 μm，最大特征尺寸為幾毫米。該油墨還實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的高達(dá)150%的拉伸性，并且由于分散溶劑蒸發(fā)時形成的表面局部微結(jié)構(gòu)而提高了導(dǎo)電性。

△圖中顯示了 KIST 墨水的可打印性、可拉伸性和特征尺寸。（來源：NatureElectronics）

KIST的新方法將允許打印各種3D布線圖案，他們在下圖中展示了它的能力。研究人員使用他們的新型乳液導(dǎo)電油墨作為布線、迷你LED和帶有溫度傳感器的微控制器單元，創(chuàng)建了一個可安裝在皮膚上的溫度傳感器。該傳感器的矩陣型可拉伸顯示屏可輕松讀取周圍空氣的溫度，當(dāng)研究人員首次觸摸該設(shè)備時，可以看到溫度從25℃變化到32℃，當(dāng)接觸到溫暖的玻璃杯時，溫度從 33℃ 變化到 42℃。

△圖中顯示了帶有 KIST 3D 打印布線的溫度傳感器。（來源：Nature Electronics）

導(dǎo)電油墨在走向商業(yè)化之前還需要更多的改進(jìn)，但它仍然為可穿戴和可拉伸電子產(chǎn)品的新可能性打開了大門。作者甚至說可以很容易地修改墨水的配方，以滿足不同情況下所需要的理想特性。時間會證明這項(xiàng)技術(shù)是如何實(shí)施的，但如果它能夠幫助電子設(shè)備更輕松、更有效地與人體交互，那么聽起來該領(lǐng)域正朝著正確的方向發(fā)展。