Les appareils électroniques d'aujourd'hui recherchent de nouveaux facteurs de forme, pour les rendre pliables, extensible, et déformable. Pour réaliser de tels dispositifs hautement extensibles ou déformables, il est nécessaire de développer des électrodes et des lignes de circuits dont les propriétés électriques peuvent résister à des déformations sévères ou à des dommages mécaniques. Pour ça, L'équipe de recherche conjointe POSTECH-Université Yonsei a récemment développé une encre à métal liquide pour accélérer les appareils électroniques imprimés qui peuvent être transformés en n'importe quelle forme.

Professeur Unyong Jeong et Dr Selvaraj Veerapandian du Département de science et génie des matériaux de POSTECH, avec le professeur Aloysius Soon et le Dr Woosun Jang du département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Université Yonsei, ont développé des microparticules de métal liquide à haute conductivité et viscoplasticité. Ces résultats de recherche ont été publiés dans la revue internationale faisant autorité Matériaux naturels le 4 janvier, 2021.

Les appareils électroniques utilisent classiquement des électrodes et des lignes de circuits en métaux durs tels que l'or, argent, ou cuivre. Cependant, de tels substrats métalliques se fissurent et perdent leur conductivité électrique lors d'une pression externe et d'un allongement, les rendant impropres à l'utilisation dans des appareils électroniques déformables. Au contraire, les métaux liquides - qui s'écoulent comme un liquide à température ambiante et sont facilement déformables et hautement conducteurs - ont attiré une grande attention pour leur applicabilité potentielle dans les lignes de circuits étirables. Cependant, lorsque ces métaux liquides sont transformés en encre, une peau d'oxyde isolante se forme à la surface qui enlève leur conductivité après avoir été imprimée.

L'équipe de recherche conjointe a mis au point une méthode pour convertir le film d'oxyde des microparticules de métal liquide en un conducteur en dopant les ions hydrogène dans les films. Pour vérifier théoriquement la conductivité du film d'oxyde par dopage à l'hydrogène, l'équipe a utilisé des simulations de matériaux basées sur la mécanique quantique pour confirmer que les oxydes d'indium dopés à l'hydrogène ou les oxydes de gallium peuvent avoir une conductivité électrique similaire à celle des électrodes en oxyde d'indium et d'étain (ITO) actuellement utilisées dans les électrodes transparentes. Les chercheurs ont en outre confirmé que le film d'oxyde dopé à l'hydrogène avec adsorption de polymère à la surface avait une viscoplasticité qui pouvait résister à une déformation d'allongement d'environ 300 % sans rupture.

Cette nouvelle encre à métal liquide contenant les microparticules de métal liquide dopées à l'hydrogène a permis l'impression directe de lignes de circuits 3D sur divers substrats étirables. Étant donné que les microparticules pourraient changer de forme lors de la déformation tout en maintenant une conductivité élevée, les électrodes imprimées et les lignes de circuit ont affiché un changement de résistance négligeable même lorsqu'elles étaient étirées à plus de 500 % et ont maintenu les propriétés électriques même dans des environnements difficiles comme une humidité élevée, températures élevées ou de graves dommages mécaniques. Cette technologie innovante devrait permettre le développement d'appareils extensibles de nouvelle génération.

"Une viscoplasticité aussi élevée des oxydes métalliques n'a jamais été étudiée jusqu'à présent, " a fait remarquer le professeur Aloysius Soon de l'Université Yonsei. " Ce qui a commencé comme une étude sur la viscoplasticité de la peau d'oxyde conductrice a ouvert les possibilités de développer des oxydes métalliques ductiles de semi-conducteurs et d'isolants. "

L'équipe de recherche de POSTECH dirigée par le professeur Unyong Jeong travaille à la commercialisation de circuits hautement extensibles utilisant la nouvelle technologie d'encre et d'impression. Étant donné que leur encre à métal liquide permet d'utiliser les méthodes d'impression traditionnelles pour la fabrication de circuits 3-D complexes sans courant de fuite, la nouvelle encre devrait être hautement applicable dans d'autres industries comme la robotique, peaux électroniques, et appareils portables grâce à l'impression 3D.

"Le but ultime de cette recherche est de développer des dispositifs électroniques 3D extensibles et pliables qui conservent leurs propriétés électroniques même dans des conditions difficiles ou des dommages mécaniques, " a ajouté le professeur Unyong Jeong.