科學家研發出大型可拉伸透明電極

2020-12-05 科技報告與資訊

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韓國科學技術研究院(KIST)宣布,由KIST光電混合研究中心的Sang-Soo Lee博士和Jeong Gon Son博士領導的研究小組開發出一種可以製造大面積(比A4紙大)波浪形納米銀線網絡電極的技術,在結構上可拉伸,具有高度的導電性和透明度,可用於可拉伸顯示器。

透明電極可以使電流流過,這對於基於太陽能電池和觸控螢幕的顯示設備至關重要。目前,基於銦錫氧化物(ITO)的透明電極已商業化使用。基於ITO的透明電極由具有非常低的可拉伸性且非常脆弱的金屬氧化物薄層製成,因此,ITO電極不適用於柔性和可穿戴設備。而柔性和可穿戴設備有望成為電子設備市場上的主流產品,因此,有必要開發一種具有可拉伸性的透明電極。

一般銀納米線的直徑只有幾十納米,納米材料本身就像棍子一樣長而細。納米線的體積小,所以在外力作用下,納米線可以彎曲。由於是用銀製成的,所以銀納米線具有良好的導電性能,可以用銀納米線隨機組成的納米線網絡來製造出高透明度的柔性電極。然而,儘管銀納米線具有可彎曲性和柔性特徵,但還不能作為可拉伸材料使用。

其他研究小組研究了可拉伸電極的方法,將銀納米線放在預拉伸的彈性基材上,並將基材放鬆,使其恢復到原來的大小,同時在這個過程中產生波浪狀或皺紋狀的銀納米線結構,不過其曲率半徑都很小。此外這種方法還有一個主要問題:納米線經反覆的拉伸-放鬆,會很容易折斷。解決這個問題的方法通常是通過增加納米線的數量,使之成為高密度的納米線網絡,這樣即使納米線部分斷裂,仍然可以保持足夠的電連結,以實現彈性電極。然而,製造高密度網絡會大大降低透明度,並且要製造出一個既能拉伸又能導電的高透明度電極是非常有挑戰性的。

由Sang-Soo Lee博士和Jeong Gon Son博士領導的KIST研究小組開發了一種新工藝,通過使納米線網絡與溶劑接觸,形成結構上可拉伸的納米線網絡,從而克服了納米線在鬆弛預拉伸基材時的斷裂和損傷問題。當溶劑放在納米線網絡上時,納米線網絡變得溼潤,各個納米線之間的摩擦阻力較小。特別是,每根銀納米線在水中加工後,可重新排列成曲率半徑較大的弧形納米線結構,從而實現了能夠穩定拉伸的結構。由於納米線不會出現不穩定的情況,因此不會出現斷裂和剝落的問題。

通過這種方式製造出銀納米線網絡,研究團隊能夠將基體及其納米線的長度至少拉伸50%以上,在大約5000次拉伸循環中穩定地保持透明度和導電性。研究小組還發現,這種類型的材料可以通過使用乙醇和水作為溶劑的廉價環保工藝來生產。

KIST研究團隊使用其最新開發的工藝在A4紙大小的基底上形成波浪形的銀納米線網絡膜,並成功地製作了可伸縮且透明的顯示器,其大小與成年人的手大小相同。儘管施加了各種機械變形,該顯示器仍保持其恆定的發光效率。通過測試,該團隊能夠證明新工藝對除電致發光層以外的所有透明顯示器的適用性。

KIST的Sang-Soo Lee博士說:「 用波浪形銀納米線網絡製成的可拉伸透明電極具有很高的導電率,並且不會因任何變形而改變。」 KIST的Jeong Gon Son博士補充說:「由於該技術可用於批量生產,因此有望對可穿戴電子設備相關的市場產生巨大影響,例如高性能智能穿戴和醫療設備領域。」

論文標題為《Buckling Instability Control of 1D Nanowire Networks for a LargeArea Stretchable and Transparent Electrode》,發表於《Advanced Functional Materials 》。

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