供稿人：高天健、贺健康 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-02-04
多层、多材料、共形柔性电极是多功能可穿戴电子器件的关键。为了满足在任意表面可编程的功能，通常需要采用多层布局，合理组织不同的构件。当前，柔性电子电路一般是通过转移印刷方法制作的，通过喷墨印刷、喷印或丝网印刷等在可牺牲和可分解的基片上印刷导电电路，然后释放和转移到目标基片上。然而，传统的电子电路制造需要基底支持的转移印刷，额外的基底限制了薄膜电极与3D电子器件的多层集成及电极的展开功能，并破坏了在任意曲面上的整合性，这些限制了它们在任意表面上的多层完整性和器件一致性。
针对上述问题，南洋理工大学材料科学与工程研究院的研究人员提出了一种“蒸发收缩辅助图版”方法（图1），利用蒸发诱导界面应变失配，制备自分离、独立、可图版的电极。使用这种方法制备的500层无衬底微型超级电容器的能量密度为350 mWh cm−2，功率密度为40 mW cm−2，比目前衬底受限的微型超级电容器高100倍。并使用该方法在模型手上制备了数字电路，能够在模型手变形的过程中稳定工作。
图 1用于独立式、可编程电极自动可拆卸成型的蒸发收缩辅助成型原理图。
为了制备柔性电子器件用的独立式、多层材料、多层电极，研究人员合成了蒸发收缩性能可控的聚苯胺(PANI)改性BC水性油墨作为图案油墨材料。将PANI/BC电极图纹在滤膜上后，水分蒸发导致印刷电极与滤膜之间的收缩应变不匹配，从而降低了二者的界面结合。当电膜界面的比面应变能高于临界能量释放速率时，蒸发收缩型PANI/ BC电极发生自剥离，容易从滤膜中释放。研究人员使用这种方法，制备了剥离后的蜂窝结构、波浪及六边形结构（图2A）。这种由蒸发收缩辅助成型方法制造的微型超级电容器还能高度适应各种表面，可直接转移粘附在任意表面，如纸张、玻璃、树叶、水凝胶、棉花、手套等（图2B），同时保持其电化学性能。此外， 将4个微型超级电容器串联起来的独立式微型超级电容器可以直接转移粘附在衬衫上，并在衬衫的变形下照亮发光二极管。
图2蒸发收缩辅助成型方法制备的可转移电路(A)剥离后的独立电路图案。(B)可定制图案的微型超级电容器照片直接转移到任意表面(C)将典型新加坡游客图案的4个串联微型超级电容器转移到一块布上，点亮红色发光二极管。
研究者将数字电路与微型超级电容器无缝集成，设计了一个独立的多层数字电路来产生led连续闪烁的时钟信号。如图3A，这种可编程电子系统包括四层电路，最上层包含的功能部件包括电阻、电容、微超级电容、微芯片和发光二极管，下面的三层是相互连接的微电极。所有层都可以使用简单的干湿工艺垂直组装，形成独立的电子电路，组装好的电路可以传输和粘附在任意表面，如人手和膨胀手套（图3B）。通过人手握拳和松开拳头，研究人员能够控制发光二极管的闪烁。
图3(A)内置微型超级电容多层数字电路原理图。(B) 利用自粘性在模拟手上集成多层电路
尽管利用“蒸发收缩辅助图版”方法可以制备出集成多个微超级电容器的独立式多层电路，并在动态变形下保持电路稳定的性能，但使用该方法制备可穿戴电子设备时，依然有待提高可编程电路在曲面上的适应性。此外，增加多层电路的功能性还需要更先进的电路设计及多材料的组合，开发多材料多层电路的集成制备方法有望推动柔性可穿戴电子器件的发展。