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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3223(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

무선 기술을 지원하는 인쇄형 플렉서블 전자 장치는 사물 인터넷(IoT), 인간-기계 상호 작용, 웨어러블 및 생체 의학 응용 분야에 매우 중요합니다. 그러나 낮은 인쇄 정밀도, 등각 인쇄의 어려움, 복잡한 잉크 제제 및 프로세스와 같은 기존 인쇄 접근 방식에는 여전히 과제가 남아 있습니다. 여기에서는 고유한 고성능 기능 모듈(예: 안테나, 마이크로 슈퍼커패시터 및 센서)을 고해상도로 제작하고 다양한 평면/곡선 기판에 추가로 통합할 수 있는 유연한 무선 전자 장치를 위한 실온 직접 인쇄 전략을 제시합니다. 무첨가 티타늄 카바이드(Ti3C2Tx) MXene 수성 잉크는 큰 단일층 비율(>90%)과 좁은 플레이크 크기 분포로 규제되어 초미세 인쇄 트랙에서 금속 전도성(~6, 900 S cm−1)을 제공합니다. (3 μm 라인 갭 및 0.43% 공간 균일성) 어닐링 없음. 특히, 무선통신, 에너지 하베스팅, 스마트 센싱이 가능한 올 MXene 프린팅 통합 시스템을 구축합니다. 이 연구는 실온에서 인쇄된 무선 전자 장치의 고정밀 적층 제조에 대한 가능성을 열어줍니다.

인쇄 전자 분야의 발전은 웨어러블 및 유연한 장치의 확장 가능하고 지속 가능한 제조를 지속적으로 자극합니다1,2,3. 기존의 감산 공정과 달리 직접 잉크 인쇄는 비교적 간편하고 비용 효율적인 절차와 바람직한 재료 호환성 및 활용으로 인해 신속하고 대규모 제조를 위한 실행 가능한 대안을 제공합니다4,5. 그럼에도 불구하고 유연한 전자 장치의 실온 제조와 관련하여 기존 인쇄 방식은 아직 이상적이지 않습니다. 주요 장애물은 잉크 제제 및 인쇄 공정에서 발생합니다. 대부분의 인쇄 가능한 잉크(금속 또는 탄소 기반)는 복잡한 잉크 조성(계면활성제/유변학적 개질제/결합제 필요), 불만족스러운 고유 물리적 특성(예: 낮은 전기 전도성) 또는 긴 후처리(예: 고온 첨가제 제거를 위한 어닐링)6,7. 이러한 문제는 장치의 제조 공정을 복잡하게 만들고 저가형 고분자 기판 선택을 배제하는 동시에 장치 인쇄 정밀도와 그 이후의 특성을 손상시킵니다. 반면, 유연한 전자 장치(특히 다양한 무선 다기능 시스템)의 구조적 복잡성이 증가함에 따라 직접 잉크 인쇄 기술, 특히 고정밀 컨포멀 인쇄 및 다중 모듈 통합 제조에 대한 요구 사항이 높아져 시간이 많이 걸리고 번거로운 전사 및 조립 공정8,9.

유망한 접근법 중 하나는 무첨가 수성 전도성 잉크와 압출 인쇄 기술을 결합하는 것입니다. 다른 인쇄 방법과 비교하여 압출 인쇄는 추가 마스크 및 액세서리 없이 높은 처리량의 적층 제조를 가능하게 하여 재료/기판 선택 및 인쇄 확장성(동일 평면에서 3차원으로)에 더 큰 기회를 제공합니다10,11. 그럼에도 불구하고 무첨가 수성 전도성 잉크는 잉크 제제를 단순화하고 후처리를 제거하는 데 유망한 것으로 입증되었지만 유연한 무선 전자 장치의 실온 제조를 달성하기 위해 기능성 잉크에 적절한 유변학적 및 전기적 특성을 부여하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 이와 관련하여 기능성 잉크에 바람직한 고유한 특성(즉, 금속 전도성, 친수성 및 음의 표면 전하)을 보유하는 2D 전이 금속 탄화물 및 질화물의 새로운 계열인 MXene은 새로운 가능성을 제공합니다. 특히, 가장 널리 연구된 MXene인 Ti3C2Tx(Tx는 표면 종단을 나타냄)는 어떠한 첨가제 없이 안정한 무첨가제 수성 콜로이드 분산액의 제어 가능한 형성을 허용하므로 배터리, 마이크로 슈퍼커패시터와 같은 다양한 장치에 적용되었습니다. MSC), 마찰전기 나노발전기(TENG), 트랜지스터, 센서 등18,19,20,21. 그러나 유연한 무선 전자 장치를 제작할 때 MXene 잉크를 기반으로 한 초고 전기 전도성을 갖춘 구성 요소 라인의 상온 미세 인쇄 정밀도에서는 거의 성공하지 못했습니다. 더욱이, 모든 인쇄된 무선 장치에 대한 다중 모듈 통합 인쇄의 실행 가능한 프로토콜은 지금까지 거의 보고되지 않았습니다.

90%), and narrow flake size distribution, the as-formulated inks showcase desirable shear-thinning viscoelastic properties (viscosity of ~2.5 × 102 Pa·s) allowing continuous extrusion and quick solidification (Fig. 1d, e)23. Supplementary Figure 3 provides more details regarding the ink rheological characteristics. Notably, these aqueous inks are stable without sedimentation when stored in Ar-sealed bottles in the dark and low temperature (<4 °C) for at least two years, ensuring a sufficient time window for potential ink printing. After removing dissolved oxygen, these aqueous inks are also stable for long periods of time under ambient conditions (Supplementary Fig. 4). Besides, the ink wettability on the substrates are enhanced through plasma treatments to form continuous films and improve the substrate adhesion (See more details in Supplementary Figs. 5–7)24,25./p>

, bottom) in e. g Raman spectrum of MXene films on different substrates. h SEM image of the MXene film. Scale bar, 25 µm. i Sheet resistance (in red) and thickness (in blue) of MXene films as a function number of printing pass, . Inset: the surface profile of MXene films ( = 6). Scale bar, 1 mm. j The electrical conductivity changes of MXene films as a function of . The red and blue dots represent that the MXene films were dried under ambient conditions and low humidity, respectively. k The comparison of ink conductivity (σ) and concentration (c) of the MXene ink with other reported printable ink systems./p> results in thicker films with lower sheet resistance. Notably, the printed thickness scales linearly with , another indicative of high-resolution prints with sharp printing edges (Supplementary Fig. 17); otherwise, the thickness deviates from the fitted line because of the dome formation. Based on the sheet resistance and thickness, the electrical conductivity of all-printed lines was obtained, showing a value up to 6260 S cm−1 when = 2 right after printing (Fig. 2j), which can be further improved to 6900 S cm−1 by simply storing in low-humidity condition (~10% RH) for 4 h. We note the direct printing of MXene inks at room temperature to achieve metallic conductivity possesses apparent advantages over the printing of liquid metals or other metal-based inks (such as Zn, Ag nanoparticles, Supplementary Table 2), as the latter require either UV curing or annealing, which is not plausible for printed electronics mounted on temperature-sensitive, low-cost substrates./p> = 2), exceeding that of all other reported printable inks27. The preferable rheological, electrical, and mechanical properties of MXene inks suggest the great plausibility of room-temperature printing of high-performance flexible wireless electronics, as discussed below./p>30 versatile members and is still quickly expanding, more advanced MXene-based wireless electronics may be enabled by either choosing novel MXene inks and/or the booming printing/wireless technologies40,41 or varying the energy storage devices (such as flexible batteries, solar cells, TENGs, etc.)42/sensing modules (such as flexible chemical, physical, and biological sensors)43,44 etc./p>