3D打印弹性导体:让可穿戴设备迈向柔性电子时代 

3D打印技术 /[科研]
发布时间: 2023-05-16 17:30
近年来,3D打印技术不断进步,已成功用于制造各种物品,如玩具、家具和电子元件。随着3D打印设备的价格越来越便宜,人们开始探索将其应用于制造可穿戴设备的软电子元件。

尽管3D打印在这方面具有很大潜力,但迄今为止,它在生产复杂而灵活的电子产品方面的应用还很有限。其中一个原因是使用现有的油墨很难打印出能导电的固态弹性材料。
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显示稀释型导电弹性油墨与KIST乳液型导电弹性油墨之间差异的示意图,来源:《自然·电子学》

最近,韩国科学技术研究院的研究人员展示了一种成功制造导电弹性部件的3D打印方法。他们在《自然·电子学》杂志上的一篇论文中介绍了他们提出的打印策略,该研究可能为大规模打印可穿戴设备的多功能和可拉伸组件铺平道路。
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该图显示了KIST墨水的可印刷性、可拉伸性和特征尺寸,来源:《自然·电子学》

该研究团队使用自己设计的一种新型乳液基复合墨水来实现弹性导电体的3D打印。这种特殊的墨水由液体成分分散在导电弹性体(一种导电的橡胶材料)中而成。

“由于现有油墨的流变特性通常只能进行逐层沉积,因此打印具有三维几何形状的固态弹性导体具有挑战性,”Byeongmoon Lee、Hyunjoo Cho及其同事在论文中写道。

他们解释说:“我们证明了使用导电弹性体复合材料、不混溶溶剂和乳化溶剂构成的乳液系统可用于全向印刷弹性导体。复合材料的黏弹性提供了结构完整性,使得我们可以直接打印独立、丝状和平面外的三维几何形状,并提供印刷的稳定性,同时防止喷嘴堵塞。”

与常用的3D打印油墨相比,研究人员使用的复合墨水具有许多优势。特别是,它具有粘弹性、剪切稀化和润滑性能,可以更好地支持复杂三维结构的打印。

“印刷的固有可拉伸导体结构具有小于100微米的最小特征尺寸和超过150%的拉伸性能,”Lee、Cho及其同事在他们的论文中补充道:“乳液中分散的溶剂相蒸发后,形成微细的、表面定位的导电网络,从而提高了导电性能。”
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图中显示了带有KIST 3D打印布线的温度传感器,来源:《自然·电子学》

为了展示他们的3D打印方法和设计的乳液墨水的潜力,研究人员打印了弹性互连器,并利用它制造了一款带有可拉伸显示器的可穿戴温度传感器。该设备表现出良好的性能,而同样的方法很快也可以用于制造各种其他可拉伸和导电的组件。

在论文中,Lee、Cho及其同事强调了将他们的方法与3D扫描技术相结合的可能性,以创造与人体形状完美对齐的软电子产品,从而使用户佩戴更加舒适。此外,他们所创造的墨水还可以激发其他基于乳液的油墨的开发,这些油墨虽然基于不同成分和弹性体,但具有类似的工作原理。

3D打印技术在制造导电的弹性部件方面的进展,为可穿戴设备的发展提供了新的可能性。随着这项技术的不断发展和改进,我们有望看到更多具备复杂功能、灵活可变的电子产品问世,为我们的生活带来更多便利和创新。
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