即使拉伸至原长1.5倍仍能稳定工作的电子纤维问世

Published 25 Jul.2023 14:52(KST)

KAIST研究团队利用液态金属材料

韩国国内研究团队开发出即使被大幅拉伸也能正常工作的电子织物。

韩国科学技术院（KAIST）25日表示，新材料工学系的 Steve Park 教授、电气及电子工程学部的 Jung Jaeung 教授、生物及脑工学系的 Park Sungjun 教授共同率领的研究团队，利用具有高导电性和高耐久性的液态金属复合体，开发出了伸缩性优异的电子纤维。

电子纤维近年来作为用户友好型可穿戴器件、医疗健康器件以及微创植入式电子器件的核心要素而备受关注，相关研究也在积极推进中。然而，当试图在拉伸状态下使用采用固体金属导电填料的电子纤维时，其电导率会急剧下降，导致电学性能受损，这是一个主要缺点。

为解决电子纤维难以伸展的缺陷，研究团队提出了一种以液态金属颗粒为基础的导电填料。该填料并非如固体般形状固定，而是可根据机械形变改变自身形态。液态金属微粒在受到拉伸时，其形状会被拉长成椭圆，从而将电阻变化降至最低。但由于其尺寸在数微米量级，无法通过以往使用的浸涂（dip-coating）等简单方法对纱线进行涂覆。

研究团队通过一种名为悬浮液剪切（suspension shearing）的新方法解决了这一问题。该方法可以使高密度液态金属颗粒有效转移到纱线上，并在刀片与基板之间实时改变悬浮液的组成，通过化学改性使液态金属颗粒与纱线粘附在一起。研究人员还采用在其外层再涂覆含有机械稳定性优异的碳纳米管（CNT）的液态金属颗粒的方式，进一步确保了液态金属复合体的机械稳定性。

制备出的可伸缩电子纤维在无需额外工艺的情况下就表现出优异的初始导电性（2.2×10⁶ S/m），并且与现有基于固体金属导电填料的纤维不同，即便被拉伸至原长的150%，其电阻变化也几乎可以忽略。其机械稳定性同样出色，在反复形变实验中仍能保持电学性能，并且可以轻松与各种电子元件集成。研究团队利用这一技术，在实际商用服装上实现了多种电子电路。

进一步地，研究团队利用液态金属复合体的涂覆方法，可与多种纱线兼容，加之材料具有优异的生物相容性，从而实现了可用于神经科学研究的纤维型生物电子纤维。研究团队利用所提出的涂覆方法，制作了不受机械形变影响的脑活动电极、神经刺激电极以及多功能光遗传学探针，证明了该技术具有广泛的通用性和较高的工艺可靠性。