[论文解读] Erasing and Correction of Liquid Metal Printed Electronics Made of Gallium Alloy Ink from the Substrate

Rongchao Ma, Yixin Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2017

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 22被引用 3

一句话总结

本文提出了三种低成本、高效的擦除与修正镓基液态金属印刷电子器件的方法——机械法、化学法和电化学法。采用乙醇作为机械擦除剂，NaOH 溶液作为化学擦除剂，以及使用水覆盖并施加 15 V 电压的电化学过程，研究展示了对液态金属电路的选择性去除，且基底损伤极小，从而实现了可重构和可修复的印刷电子器件。

ABSTRACT

Gallium-based liquid metals have recently been found important in a variety of newly emerging applications such as room temperature metal 3D printing, direct writing of electronics and biomedicine etc. In all these practices, one frequently encounters the situations that a printed circuit or track needs to be corrected or the unwanted parts of the device should be removed as desired. However, few appropriate strategies are currently available to tackle such important issues at this stage. Here we have identified several low cost ways toward this goal by comparatively investigating three typical strategies spanning from mechanical, chemical, to electrochemical principles, for removing the gallium-based liquid metal circuits or thin films. Regarding the mechanical approach, we constructed an eraser for removing the liquid metal thin films. It was shown that ethanol (CH3CH2OH) could serve as a good candidacy material for the mechanical eraser. In the chemical category, we adopted alkalis and acids to remove the finely printed liquid metal circuits and sodium hydroxide (NaOH) solution was particularly revealed to be rather efficient in making a chemical eraser. In the electrochemical strategy, we applied a 15 V voltage to a liquid metal thin film (covered with water) and successfully removed the target metal part. These methods were comparatively evaluated with each of the merits and shortcomings preliminarily clarified in the end. The present work is expected to be important for the increasing applications of the liquid metal enabled additive manufactures.

研究动机与目标

• 解决在印刷电子器件中缺乏有效策略以修正或去除镓基液态金属电路的问题。
• 克服在制造后对印刷液态金属结构进行修改或修复的挑战。
• 评估并比较机械法、化学法和电化学法在最小化基底损伤条件下的液态金属去除效果。
• 为液态金属增材制造和直接写入电子技术中的实时修正提供实用且低成本的解决方案。
• 推动使用镓合金油墨开发可重构和可修复电子器件。

提出的方法

• 开发了一种使用浸有乙醇材料的机械擦除工具，通过物理方式从基底上去除液态金属薄膜。
• 评估了多种酸和碱对液态金属电路化学蚀刻的效果，特别关注氢氧化钠（NaOH）的效能。
• 在覆盖有水的液态金属薄膜上施加 15 V 电压，通过电化学氧化作用实现金属的去除。
• 从去除效率、基底兼容性和工艺简便性三个方面比较三种方法。
• 通过目视检查和电气连续性测试评估每种擦除方法的成功程度。
• 通过表征各擦除工艺后的表面形貌和残留痕迹，评估基底的完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 乙醇能否有效用作镓基液态金属薄膜的机械擦除剂？
• RQ2 氢氧化钠（NaOH）溶液在不损伤基底的前提下，对液态金属电路的化学去除效果如何？
• RQ3 在水覆盖下施加 15 V 电压的电化学氧化是否能选择性地从基底上去除液态金属结构？
• RQ4 从精度、速度和基底安全性角度，机械法、化学法和电化学法在擦除方面的相对优势与局限性是什么？
• RQ5 这些方法在多大程度上能够实现液态金属印刷电子器件的修正与可重用性？

主要发现

• 浸有乙醇的擦除工具能有效去除液态金属薄膜，残留极少，且基底无可见损伤。
• 氢氧化钠（NaOH）溶液在化学溶解液态金属电路方面表现出高效率，可在短时间内实现完全去除。
• 采用 15 V 直流电压和水覆盖的电化学方法，成功通过氧化和溶解作用去除了目标区域的液态金属。
• 所有三种方法均保持了基底的完整性，测试材料中未观察到明显劣化。
• 使用 NaOH 的化学方法去除速度最快，而机械方法则提供了最高的精度和操作简便性。
• 电化学方法可选择性地去除特定电路结构，而不影响相邻区域。