Điện tử linh hoạt cổ điển có tính mềm, dẻo dùng công nghệ mà các thiết bịđiện tử hữu cơ / vô cơ được lắng đọng trên một chất nền dẻo để tạo thành mạch.Mặc dù bảng mạch cứng có thể bảo vệ
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Điện tử in là công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử dựa trên nguyên tắc in ấn, sử dụng mực điện tử có khả năng dẫn điện, điện môi, bán dẫn hoặc từ tính Công nghệ này liên quan chặt chẽ đến các lĩnh vực như điện tử hữu cơ, điện tử nhựa, điện tử linh hoạt và điện tử giấy, cho phép in mạch trên nhiều loại nền dẻo như nhựa, giấy và silicon Điện tử linh hoạt cổ điển sử dụng công nghệ lắng đọng các thành phần điện tử trên nền dẻo, tạo ra các thiết bị có tính mềm, dẻo và chi phí thấp, mở rộng ứng dụng trong công nghệ thông tin, y học, năng lượng và quốc phòng Các thiết bị điện tử linh hoạt vượt trội về khả năng co giãn, phù hợp, di động, có thể đeo và dễ in nhanh, mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng cảm biến thông minh, màn hình linh hoạt, cảm biến áp suất, cảm biến nhãn cầu, ăng-ten, camera và thiết bị cấy ghép Mặc dù bảng mạch cứng bảo vệ tốt các thành phần, nhưng hạn chế tính linh hoạt của thiết bị, khiến công nghệ điện tử linh hoạt trở thành xu hướng phát triển tiềm năng trong các lĩnh vực công nghệ cao.
Hiện nay, hai chiến lược chính được sử dụng để nâng cao độ mềm của thiết bị điện tử là nhúng vật liệu dẫn điện, cứng và rắn vào chất đàn hồi như poly (dimethylsiloxan) (PDMS) để tạo ra các cấu trúc gợn sóng giúp mạch điện co giãn tốt và chịu lực căng; đồng thời, sử dụng dây dẫn co giãn để tạo mạch linh hoạt Rogers và cộng sự đã phát triển các cấu trúc gợn sóng phức tạp nhằm duy trì tính đàn hồi của mạch điện dưới tác động của lực, trong khi Russo và đồng nghiệp trình diễn phương pháp kết nối mạch bằng mực bạc dẫn điện, cho phép viết trực tiếp các đường dẫn điện để liên kết các mảng LED và ăng-ten 3D trên giấy, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử mềm dẻo.
Điện tử in linh hoạt (FPE) kết hợp các tính năng của điện tử linh hoạt và điện tử in, cho phép sản xuất nhanh các thiết bị điện tử đa chức năng Công nghệ in dẻo ngày càng trở thành chủ đề nghiên cứu hot, nhờ vào sự phát triển của các phương pháp in tiên tiến như in tapping, in xịt jet, in cuộn, in phun, và in bằng máy vi tính cùng chổi quét.
Micropen là phương pháp đơn giản nhất để viết các văn bản dẫn điện bằng cách bơm mực điện vào hộp mực, giúp dễ dàng vẽ sơ đồ mạch trên giấy A4 Vi mạch rõ ràng góp phần giảm độ phức tạp trong sản xuất mạch, nâng cao hiệu quả trong chế tạo vi mạch điện tử Công nghệ FPE đã đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như thiết bị hiển thị linh hoạt, pin mặt trời màng mỏng, cảm biến và trình điều khiển diện tích lớn, cũng như da điện tử.
Thiết bị điện tử đeo được và thiết bị giả sinh học cùng hệ thống tự sạc, giám sát tự cấp nguồn không dây đang mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ Các mạch điện tử mềm, phù hợp, co giãn và di động được gọi là thiết bị điện tử một chiều, giúp nâng cao tính linh hoạt và tiện dụng Nhiều phòng thí nghiệm đã phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt như màn hình cong, pin gấp, bóng bán dẫn mềm hiệu ứng trường và dây co dãn, đáp ứng các ứng dụng đa dạng Công nghệ FPE còn được ứng dụng trong theo dõi sức khỏe, kiểm tra y tế, phát hiện các dấu hiệu sinh học quan trọng và phục vụ các nhu cầu hàng ngày, đặc biệt trong lĩnh vực cấy ghép y sinh, nơi các thiết bị linh hoạt đóng vai trò then chốt trong điều trị và chăm sóc sức khỏe.
FPE đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như kết nối thần kinh, theo dõi sức khỏe và thiết bị y tế đeo được, đặc biệt trong công nghệ cảm biến sinh học Trong đó, da điện tử (E-skin) là ứng dụng quan trọng nhất của FPE, mang lại khả năng lập bản đồ áp suất, cảm biến tự phục hồi, chân tay giả và cảm biến áp suất Nhiều tổ chức nghiên cứu đang phát triển các vật liệu khác nhau để ứng dụng trên da điện tử dẻo, mở ra nhiều tiềm năng cho các thiết bị y tế thông minh và phục hồi chức năng.
Trong phòng thí nghiệm của Bao, họ đã chế tạo hệ thống thụ cảm cơ học nhân tạo dựa trên cảm ứng từ da, có khả năng biến đổi tín hiệu áp suất thành tín hiệu điện sinh lý mà tế bào thần kinh có thể cảm nhận Đồng thời, phòng thí nghiệm của Rogers đã phát triển cấu trúc gợn sóng để nhận diện các thiết bị điện tử biểu bì co giãn, giữ nguyên hình dạng và chức năng sau khi bị nén hoặc kéo dài, mở ra các ứng dụng mới trong công nghệ cảm biến linh hoạt và bền bỉ.
Trong phòng thí nghiệm của Chiolerio, các nhà nghiên cứu đã phát minh ra mực tổng hợp nano bạc phủ spin in được, mở ra khả năng sản xuất thiết bị chuyển đổi điện trở cho các ứng dụng thần kinh cấu trúc Đồng thời, họ còn phát triển thiết bị trạng thái lỏng linh hoạt tổng hợp nano trong keo huyền phù, nhằm thúc đẩy công nghệ in 3D và các ứng dụng điện tử linh hoạt Những sáng chế này hứa hẹn mang lại bước tiến mới trong công nghiệp điện tử bền vững và các thiết bị thông minh linh hoạt.
Bảng 1: So sánh độ dẫn điện của một số loại mực dẫn điện điển hình
Hình 1: Các thiết bị điện tử dùng công nghệ in kim loại lỏng được ứng dụng trên con người
Tính chất cơ bản của kim loại lỏng
Điện trở suất
Điện trở suất phản ánh khả năng của vật liệu dẫn điện, với kim loại thường có khả năng dẫn điện tốt hơn phi kim loại Trong quá trình in mạch dẻo sử dụng kim loại lỏng, giá trị điện trở của dây kim loại lỏng có thể được tính toán dựa trên công thức phù hợp Việc hiểu rõ điện trở suất giúp tối ưu hóa hiệu suất của các mạch dẻo, đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả và ổn định trong các ứng dụng điện tử.
• ρ là điện trở suất và đối với cùng một vật liệu, ρ là một giá trị cố định;
• L là chiều dài của dây dẫn kim loại lỏng đo được
• A là diện tích mặt cắt ngang.
Điện trở của vật liệu tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu và điện trở suất, đồng thời tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang của nó, như đã thể hiện trong Phương trình (1) Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các hệ thống điện và vật liệu, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa điện trở, chiều dài, điện trở suất và diện tích mặt cắt là yếu tố then chốt để chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng kỹ thuật và công nghiệp.
Mối quan hệ giữa khối lượng và chiều dài là:
Từ đó, người ta nhận ra được các yếu tố liên quan đến sự thay đổi điện trở ρ.L
Thể tích của dây dẫn kim loại lỏng không đổi khi V = V0; điện trở suất cũng là được coi là không đổi, ρ = ρ0.
Độ biến thiên điện trở của dây dẫn kim loại lỏng tỉ lệ tuyến tính với bình phương của sự thay đổi chiều dài trước và sau khi kéo căng, xác nhận mối liên hệ giữa điện trở và độ dài kéo của dây dẫn Công thức được đơn giản hóa giúp làm rõ mối quan hệ này, từ đó cung cấp cơ sở lý thuyết vững chắc cho sự phát triển cảm biến linh hoạt dựa trên kim loại lỏng Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị cảm biến linh hoạt, nâng cao độ chính xác và độ bền của các hệ thống cảm biến kim loại lỏng.
Tuy nhiên, điện trở suất c của kim loại lỏng có mối quan hệ đáng kể với nhiệt độ dẫn nhiệt
Người ta có thể xác định giá trị điện trở của các dây nối song song dựa trên Định luật Ôm, trong đó n đại diện cho số lượng dây kết nối song song Các giá trị điện trở riêng lẻ của từng dây được ký hiệu là R₁, R₂, R₃, v.v Áp dụng công thức tính điện trở của mạch song song, người ta có thể dễ dàng tính toán tổng điện trở tương ứng, giúp tối ưu hóa thiết kế mạch và nâng cao hiệu quả điện năng.
Điện trở suất của EGaIn là 29,4 × 10^−6 Ω·cm, và các nghiên cứu của Gozen cùng đồng nghiệp đã chứng minh rằng các giá trị điện trở đo được phù hợp cao với dự đoán dựa trên chiều dài dây Tuy nhiên, một số hiện tượng observed không phù hợp Định luật Ohm, khi dòng điện không biến thiên tuyến tính theo điện áp (Hình 3A) Trong nghiên cứu, kim loại lỏng EGaIn được phủ lớp WO3 và nền vàng, tạo thành một giao diện điện trên bán dẫn loại n phủ WO3 mà không có lớp oxit bản địa, khiến dòng điện chủ yếu do sự kết hợp của hạt tải điện tử và lỗ trống, hình thành lớp bán dẫn loại n.
Dòng điện-điện áp đo được (I – V) thể hiện hiện tượng Định luật không Ohm Các đường cong I-V có hình dạng tương tự trong Hình 3A nhưng khác về lý thuyết, phản ánh các đặc tính của thiết bị điện tử gồm giọt gali và lớp hạt nano vàng, trong đó giọt gali đóng vai trò điện cực Quá trình nạp và xả tụ điện xảy ra do các hạt nano và phối tử tạo thành tụ, và mạch không bật dưới ngưỡng điện áp, dòng điện bằng không Khi điện áp vượt qua ngưỡng, mạch sẽ bật lên, đồng thời một số dữ liệu cho thấy mối quan hệ giữa điện trở, điện kháng và tần số, như thể hiện trong Hình 2A khi tần số thay đổi từ 1.
Điện trở của Ga giữ ở mức 0,225 Ω khi tần số từ 0 đến 10 kHz, nhưng từ 1 Hz đến 100 Hz, điện trở của Ga đóng thành 0 Ω, thể hiện khả năng chống biến đổi điện trở ở các tần số thấp Từ 100 Hz đến 10 kHz, điện trở của Ga tăng trưởng theo cấp số nhân, phản ánh đặc tính điện kháng của kim loại lỏng trong các dải tần số khác nhau Sự ổn định của điện trở kim loại lỏng dưới các tần số khác nhau có thể được ứng dụng để đo lường các thay đổi tần số trong mạch điện, giúp nâng cao độ chính xác trong các quá trình kiểm tra và đo lường điện tử.
A) Các đường cong điện trở và điện kháng từ 1 Hz đến 10 kHz của kim loại lỏng Ga
B) ρ (điện trở suất) -T (nhiệt độ) và Λ (độ dẫn nhiệt) của kim loại lỏng
C) Các giá trị điện trở của dòng kim loại lỏng ở năm giá trị góc uốn khác nhau D) Giá trị điện trở của dòng kim loại lỏng ở các góc uốn khác nhau và chu kỳ uốn khác nhau
A) Đồ thị của dòng điện và điện áp đo được của thiết bị điện tử bao gồm một giọt gali và một lớp hạt nano vàng
B) Đồ thị của dòng điện và điện áp đo được của thiết bị điện tử một ga
Tính linh hoạt và vượt trội
Để chứng minh tính khả thi của kim loại lỏng trong sản xuất mạch dẻo, Zheng et al đã thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của uốn cong lên sự ổn định của mạch bằng cách đo giá trị điện trở khi uốn dây kim loại lỏng được in Kết quả cho thấy kim loại lỏng có khả năng duy trì hiệu suất điện tốt ngay cả khi chịu tác động uốn cong, xác lập tiềm năng ứng dụng trong công nghệ mạch dẻo Nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển các giải pháp điện linh hoạt, bền bỉ và phù hợp với yêu cầu của các thiết bị công nghệ cao.
Sự thay đổi điện trở của dây in kim loại lỏng khi uốn ở các góc −180°, −90°, 0°, 90° và 180° rất ít, cho thấy độ ổn định điện trở của kim loại lỏng khi uốn gập, phù hợp để chế tạo linh kiện điện tử dẻo Nghiên cứu của Wang et al cũng cho thấy màng nhựa PVC in bằng kim loại lỏng có thể uốn cong ở các góc trên trong một chu kỳ, với giá trị điện trở đo sau mỗi 50 lần uốn, dao động nhẹ từ 1 đến 1000 chu kỳ, chứng minh tính ổn định của dòng điện trở kim loại lỏng Khi căng mạch kim loại lỏng, tần số cộng hưởng và điện trở có thể thay đổi, nhưng các thử nghiệm cho thấy dây in kim loại lỏng vẫn đảm bảo độ mềm dẻo và đáng tin cậy cho ứng dụng trong điện tử in linh hoạt.
Điều chỉnh độ kết dính
Sự kết dính giữa các phân tử, đặc biệt là giữa các hạt kim loại và chất nền, đóng vai trò quan trọng trong quá trình in mạch điện tử Khi kim loại lỏng được phun ra thành các giọt, bề mặt của chúng có thể tạo thành lớp oxit gồm Ga2O3 / Ga2O do tiếp xúc với không khí, ảnh hưởng đến sức căng bề mặt và khả năng bám dính Các giọt kim loại nhỏ hơn chứa hàm lượng oxit cao hơn, dẫn đến sức căng bề mặt lớn hơn và tăng cường độ bám dính trên bề mặt nền Zhang et al đã đề xuất một phương pháp luận tổng quát để in điện tử bằng cách phun nguyên tử hóa các giọt kim loại lỏng, cho phép chế tạo nhanh chóng các mạch điện trên nhiều loại bề mặt rắn khác nhau, dù là nhẵn hay thô Ngoài ra, hàm lượng oxit càng cao trong các giọt kim loại thì góc tiếp xúc giữa giọt và chất nền càng nhỏ, nâng cao khả năng liên kết và chắc chắn của mạch in.
Theo phương trình của Young-Dupré, khả năng bám dính của giọt kim loại lỏng được mô tả bởi công thức WSL = γL(1 + cosθ), trong đó WSL biểu thị lực bám dính, γL là sức căng bề mặt của kim loại lỏng, và θ là góc tiếp xúc giữa giọt và chất nền Khi kích thước của giọt nhỏ, WSL tăng lên do đó khả năng bám dính cải thiện đáng kể; điều này đồng nghĩa với việc kiểm soát tiếp xúc và lớp oxit của kim loại là biện pháp hiệu quả để điều chỉnh độ dính Một chiến lược khác để tăng cường khả năng bám dính là thực hiện quá trình làm giảm độ ướt sau khi kim loại đã đông cứng, bằng cách tăng nhiệt độ nhẹ nhàng Tuy nhiên, mực hợp kim kim loại lỏng thường có khả năng bám dính mạnh với hầu hết các chất nền, gây khó khăn trong quá trình sản xuất các mạch tích hợp chính xác.
Khả năng thấm ướt
Khả năng thấm ướt của chất lỏng thể hiện qua góc tiếp xúc, trong đó góc tiếp xúc nhỏ cho thấy khả năng thấm ướt tốt hơn Góc tiếp xúc động, bao gồm góc trượt và góc tiến-lùi, đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá tính chất thấm ướt của các chất oxy hóa như Giọt Galinstan Các công thức liên quan như góc trượt α, góc lùi θ_rec, và góc tiến θ_adv giúp xác định đặc tính thấm ướt của chất lỏng trên bề mặt rắn, góp phần hiểu rõ hơn về hành vi của giọt kim loại lỏng và khả năng kiểm soát trong các ứng dụng kỹ thuật và nghiên cứu vật liệu.
Giọt kim loại lỏng trên giấy dẹt tẩm HCl cho thấy góc tiếp xúc thấp nhất, trong khi trên giấy in không qua xử lý lại có góc tiếp xúc lớn nhất, phản ánh khả năng thấm ướt ưu việt của kim loại lỏng GaIn 10 trên các bề mặt khác nhau Nghiên cứu của Gao và cộng sự cho thấy kim loại lỏng GaIn 10 có khả năng thấm ướt vượt trội trên nhiều vật liệu nền như polyvinylclorua mịn, cao su xốp, giấy gõ, thủy tinh, vải bông, và silica gel, tùy thuộc vào độ nhám và tính chất vật lý của từng chất liệu Kramer và cộng sự đã điều tra mối liên hệ giữa địa hình bề mặt vi kết cấu của các viên bi kim loại lỏng và khả năng thấm ướt, trong khi Doudrick và cộng sự chỉ ra rằng lớp oxit tạo thành từ hợp kim kim loại lỏng có thể cải thiện đáng kể khả năng thấm ướt giữa kim loại và chất nền Khi hàm lượng oxy của hợp kim tăng, điện trở suất giảm còn độ nhớt và khả năng thấm ướt lại tăng lên, cho phép kiểm soát độ dày lớp oxit để tối ưu hóa khả năng thấm ướt của dây kim loại lỏng trên nền mềm, từ đó nâng cao hiệu suất của các mạch in linh hoạt.
Hình 4: Tính thấm ướt của kim loại trên từng loại vật liệu khác nhau (A) Polyvinylclorua mịn;
Các nguyên tắc cơ bản và công nghệ chính
Oxy hóa vi mô
Vấn đề của sức căng bề mặt cao của kim loại lỏng khiến chúng gặp khó khăn trong việc làm ướt nhiều bề mặt trong điều kiện bình thường, dẫn đến liên kết kém chặt chẽ với bề mặt mục tiêu (Daeneke và cộng sự, 2018) Khả năng thấm ướt của mực điện tử gốc kim loại lỏng vẫn chưa được cải thiện đáng kể, gây hạn chế lớn về giá trị thực tiễn của loại mực này Tuy nhiên, nhờ chiến lược oxy hóa vi mô nhằm tăng cường độ bám dính của mực kim loại lỏng (Gao và cộng sự, 2012), việc đặt thiết bị điện tử lên các chất nền khác nhau đã trở thành hiện thực chỉ với một công cụ đơn giản như bút hoặc bàn chải (Hình 5 A và 2B) Phương pháp này mở ra khả năng ghi trực tiếp các thành phần điện tử trên nhiều loại chất nền khác nhau, góp phần nâng cao khả năng ứng dụng của mực điện tử gốc kim loại lỏng (Hình 5 C).
Việc bổ sung các oxit làm tăng đáng kể năng lượng bề mặt của mực kim loại lỏng, giảm góc tiếp xúc giữa mực và chất nền, từ đó nâng cao khả năng bám dính và độ bền của lớp mực Các nghiên cứu còn cho thấy rằng đặc điểm địa hình bề mặt của chất nền ảnh hưởng rõ rệt đến khả năng thấm ướt của kim loại lỏng, giúp cải thiện quá trình liên kết giữa mực và chất nền trong các ứng dụng in ấn.
Kim loại lỏng nano đã được đề xuất như một giải pháp để nâng cao đặc tính của vật liệu kim loại lỏng nhờ vào vai trò trung gian của các hạt nano, mặc dù độ dẫn điện của kim loại lỏng vẫn còn hạn chế (Ma và Liu, 2007a; Liu, 2016) Các nhà nghiên cứu đã khám phá việc pha tạp các hạt kim loại như Cu, Ag để sửa đổi mực kim loại lỏng, nhằm cải thiện khả năng bám dính và tính lưu động của vật liệu, đồng thời giữ được khả năng thấm ướt mong muốn trên các chất nền Ngoài ra, việc sửa đổi quá trình oxy hóa và điều chỉnh thành phần pha tạp giúp vật liệu tổng hợp trở nên linh hoạt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu ứng dụng trong công nghiệp.
2017 ), Fe ( Cao và cộng sự, 2020 ;Carle và cộng sự, 2017 ; Hu và cộng sự,
Nghiên cứu về các kim loại như Ni, Mg, W đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể (Chang và cộng sự, 2018; Guo và cộng sự, 2018c; Wang và cộng sự, 2018c; Kong và cộng sự, 2019) Ngoài ra, chiến lược tổng thể về kim loại lỏng hợp kim composite được phát triển dựa trên phương pháp phân tán kim loại lỏng thành các giọt nano siêu nhỏ, từ đó tạo thành vật liệu kim loại-polyme lỏng thông qua sự kết hợp với polymer (Chen và cộng sự, 2020; Chechetka và cộng sự, 2017; Fassler và Majidi).
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loại mực in mới có khả năng ứng dụng linh hoạt trên các chất nền khác nhau, phù hợp với các điều kiện và yêu cầu đa dạng (Krisnadi và cộng sự, 2015; Li và cộng sự, 2018, 2020; Peng và cộng sự, 2019; Tang và cộng sự, 2018; Wang và cộng sự, 2018b) Các loại mực này không chỉ nâng cao hiệu quả in ấn mà còn mở rộng khả năng sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt khi loại mực được tối ưu hóa phù hợp với từng chất nền cụ thể (Hình 5 B).
Các phương pháp xử lý tăng độ dẫn điện
Do các giọt kim loại lỏng phân tán, việc áp dụng các phương pháp xử lý đặc biệt để làm cho chúng dẫn điện thường là cần thiết Một trong những kỹ thuật phổ biến là sử dụng laser, như đã được nghiên cứu bởi Deng và Cheng vào năm 2019, nhằm cải thiện khả năng dẫn điện của các giọt kim loại lỏng trong các ứng dụng công nghiệp và công nghệ cao.
; Liu và cộng sự, 2018a ), nhiệt độ thấp ( Chen và cộng sự, 2019 ; Wang và cộng sự
Kim loại lỏng đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực in ấn và chế tạo các thiết bị điện tử nhờ các đặc tính phù hợp như áp suất cơ học (Boley và cộng sự, 2015; Zhang và cộng sự, 2019a), khả năng bay hơi (Li và cộng sự, 2019b), giảm tại chỗ của vỏ bạc (Zheng và cộng sự, 2020), và kéo căng (Thrasher và cộng sự, 2019; Xin và cộng sự, 2019) Với sự đa dạng về loại mực và phương pháp in, kim loại lỏng có thể được sử dụng để in thành các chất bán dẫn 2D (Lin và cộng sự, 2019) hoặc được áp dụng trực tiếp để tạo bóng bán dẫn và các thiết bị chức năng, mở ra nhiều tiềm năng trong công nghệ điện tử linh hoạt và in 3D.
Hình 5 Các nguyên tắc cơ bản và công nghệ chính.
Thiết bị điện tử in kim loại lỏng có khả năng kết dính vượt trội, được chứng minh qua khả năng thấm ướt của mực kim loại lỏng trên các vật liệu nền khác nhau Nghiên cứu của Gao et al (2012) đã xác nhận tính khả thi của công nghệ này trong việc in kim loại lỏng có khả năng kết dính tốt, mở ra tiềm năng ứng dụng trong sản xuất linh kiện điện tử và các lĩnh vực công nghiệp liên quan.
(B) Kim loại lỏng nguyên chất (phần trên) và mực kim loại lỏng (phần dưới).Hình ảnh được điều chỉnh với sự cho phép của Chechetka et al (2017)
Quá trình viết trực tiếp các thành phần điện có hoa văn sử dụng mực kim loại lỏng, giúp tạo ra các bản mẫu chính xác và hiệu quả cho các thiết bị điện tử Hình ảnh minh họa trong bài viết được điều chỉnh dựa trên nghiên cứu của Gao et al (2013), đảm bảo độ chính xác và phù hợp với nội dung kỹ thuật Phương pháp này thể hiện tiềm năng trong việc nâng cao quá trình sản xuất linh kiện điện tử, giảm thiểu lỗi và tiết kiệm thời gian chế tạo.
(D) Sơ đồ in 3D hỗn hợp của mực kim loại lỏng và vật liệu đóng gói Hình ảnh được điều chỉnh với sự cho phép của ( Zheng và cộng sự, 2013a ).
(E) Nguyên mẫu phòng thí nghiệm cho máy in 3D kim loại lỏng để bàn.
Hình ảnh được điều chỉnh với sự cho phép của ( Zheng và cộng sự, 2013a ).
Các thành phần điện tử hiện nay được chế tạo với lớp bao bì nhờ công nghệ in kim loại lỏng lai 3D, giúp tăng tính linh hoạt và độ chính xác trong quá trình sản xuất Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả thông qua các nghiên cứu của Zheng và cộng sự vào năm 2013, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu suất của các thiết bị điện tử hiện đại.
Cơ học chất lỏng tổng hợp đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp, truyền and kết dính mực kim loại lỏng vào chất nền mục tiêu, đảm bảo sự chính xác và độ bền của lớp màng mực (Hình ảnh được điều chỉnh theo sự cho phép của Zheng et al., 2014).
Máy in kim loại lỏng thương mại cho phép in nhanh chóng các bản vẽ chiếu sáng, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp Hình ảnh được điều chỉnh phù hợp theo nghiên cứu của Zheng et al., đảm bảo chất lượng và độ chính xác của bản in Công nghệ in kim loại lỏng đã trở thành giải pháp tối ưu cho các dự án đòi hỏi yêu cầu cao về độ nét và độ bền của hình ảnh.
Dưới đây là sơ đồ các mạch tạo mẫu nhanh dựa trên quá trình in phun nguyên tử hóa các giọt kim loại lỏng, được điều chỉnh với sự cho phép của hình ảnh Quá trình này sử dụng công nghệ in phun nguyên tử để tăng tốc hoạt động tạo mẫu kim loại lỏng, mang lại hiệu quả cao và chính xác Các mạch này đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật chế tạo nhanh các mẫu kim loại phức tạp, góp phần thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.
Kim loại lỏng có khả năng in trên mọi bề mặt nền mong muốn nhờ vào công nghệ in phun nguyên tử hóa Phương pháp này đã được chứng minh hiệu quả trong việc tạo ra các hình ảnh chính xác và bền vững trên nhiều loại bề mặt khác nhau Đề tài của Zhang et al (2014) đã điều chỉnh hình ảnh để tối ưu hóa quá trình in, giúp đạt được chất lượng cao và độ chính xác trong quá trình in kim loại lỏng.
Chúng tôi phát triển thiết bị điện tử linh hoạt bằng phương pháp chuyển đổi kép, in bố trí mạch kim loại lỏng chức năng đầu tiên trên màng PVC, sau đó chuyển sang chất nền PDMS bằng cơ chế chuyển pha đóng băng Phương pháp này mở ra tiềm năng trong việc chế tạo các thiết bị điện tử mềm dẻo và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao (Theo Wang et al., 2015)
Chuyển đổi kim loại lỏng là bước quan trọng trong việc chế tạo thiết bị điện tử dẻo trên nhiều loại chất nền, góp phần nâng cao tính linh hoạt và hiệu suất của các thiết bị điện tử mới (Nguồn: Guo et al., 2018a) Các kỹ thuật này giúp tối ưu quá trình tích hợp kim loại lỏng để đạt được các đặc tính mong muốn cho điện tử dẻo.
Nguyên lý và cách làm việc của công nghệ in SMART (In cán và chuyển kim loại bán lỏng cùng chất kết dính) dựa trên cơ sở tạo ra các lớp mỏng kim loại bán lỏng có khả năng chuyển dạng linh hoạt trên bề mặt Công nghệ này sử dụng chất kết dính đặc biệt giúp kim loại bán lỏng bám chắc và phân bổ đều, từ đó nâng cao độ chính xác và độ bền của sản phẩm in In SMART giúp tối ưu quá trình sản xuất bằng cách giảm thiểu lượng chất thải và tiết kiệm thời gian Hình ảnh minh họa về quy trình được điều chỉnh theo sự cho phép của Guo et al (2019), thể hiện rõ các bước chính trong quá trình in cán và chuyển kim loại bán lỏng Công nghệ này đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo cao cấp nhờ khả năng linh hoạt và hiệu quả vượt trội.
Các phương thức in
Việc hiện thực hóa quá trình sản xuất tự động hóa quy mô lớn của LMPE là cần thiết để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí trong ngành công nghiệp in kim loại lỏng Phát minh ra thiết bị có khả năng in kim loại lỏng ra bên ngoài một cách hiệu quả mang ý nghĩa to lớn trong việc thúc đẩy công nghệ in kim loại tự động Sau nhiều năm nỗ lực nghiên cứu không ngừng, phòng thí nghiệm đã phát triển thành công các phương pháp khả thi để in kim loại lỏng, đồng thời chế tạo nhóm thiết bị thực tế phù hợp cho quá trình sản xuất Một bước tiến đáng chú ý là vào năm, các nhà nghiên cứu đã đạt được thành tựu quan trọng trong việc tối ưu hóa các thiết bị in kim loại lỏng, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Năm 2013, một bước tiến lớn trong công nghệ LMPE đã được công bố, dẫn đến khái niệm chế tạo thiết bị điện tử cá nhân Các nghiên cứu của Zheng và cộng sự đã tạo ra mực kim loại lỏng dính đủ mạnh, phát triển đầu ghim in xốp, và đổi mới các máy tạo mẫu trong nhiều cơ chế in khác nhau, đồng thời xác định loại giấy phù hợp làm nền cho quá trình in Nhờ đó, họ đã trình diễn thành công máy LMPE để bàn có thể hoạt động trực tiếp ở nhiệt độ phòng, mở ra nhiều triển vọng mới cho công nghệ in 3D điện tử.
Việc kết hợp cao su silicone lưu hóa để làm mực cô lập đã giúp in trực tiếp các thiết bị cơ điện hỗn hợp 3D với cấu trúc bao bọc, mở ra khả năng chế tạo các mạch điện và thành phần chức năng như dây dẫn điện, cuộn dây dẫn 3D và antenna linh hoạt—khác biệt so với các in 3D truyền thống chỉ tạo ra các vật thể cơ khí Nghiên cứu mới còn mở rộng phương pháp sản xuất điện tử 3D, trong đó cơ chế phân phối chất lỏng hỗn hợp được sử dụng để chế tạo máy in tự động, hiệu quả về chi phí, có khả năng in cao các thiết bị điện tử cá nhân và giải quyết vấn đề khó vận hành của mực kim loại lỏng do sức căng bề mặt cao Công nghệ in kim loại lỏng này đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, cho phép in các mẫu điện tử như IC, PCB, và các thiết bị tự làm với độ phân giải cao trong thời gian ngắn, đồng thời chi phí máy móc rất cạnh tranh, mở đường cho sản xuất quy mô lớn các thiết bị điện tử cá nhân Hiện nay, nhiều loại máy in mạch kim loại lỏng đã phổ biến trên thị trường Trung Quốc, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp in điện tử tự chế và tùy chỉnh.
Dựa trên thành công trong phát triển công nghệ in điện tử khả thi, câu hỏi về việc in kim loại lỏng trên mọi bề mặt đã được trả lời là có thể Nghiên cứu của Zhang et al đã chứng minh phương pháp in kim loại lỏng qua nguyên tắc phun nguyên tử hóa, cho phép chế tạo linh kiện điện tử trên các loại bề mặt đa dạng như phẳng, nhám, và các vật liệu khác nhau từ cấu hình 1D đến 3D Với mặt nạ thiết kế sẵn, mực kim loại lỏng có thể in trực tiếp lên chất nền để tạo mẫu nhanh chóng, loại bỏ hạn chế về sức căng bề mặt và độ bám dính như trong công nghệ viết trực tiếp truyền thống Khác biệt lớn là kim loại lỏng không cần oxy hóa trước để ứng dụng trên chất nền, vì quá trình oxy hóa nhanh chóng xảy ra trong không khí nhờ diện tích bề mặt lớn, tăng khả năng kết dính và độ chắc chắn của lớp mực Phát hiện này mở ra khả năng in điện tử trực tiếp đa dạng trên nhiều loại chất nền khác nhau, gây ảnh hưởng lớn đến lĩnh vực kỹ thuật điện Phương pháp in lụa áp suất cao còn cho phép in mẫu điện tử phức tạp với độ phân giải cao trên các vật liệu như thủy tinh, vải, giấy, da, và lá cây Ngoài ra, mực kim loại lỏng còn được ứng dụng để in hình thành các thiết bị điện tử mềm bằng hydrogel tự phục hồi 3 chiều, mở ra nhiều triển vọng mới trong công nghiệp công nghệ sinh học và điện tử mềm.
Nhóm nghiên cứu đã tập trung giải quyết các vấn đề cơ bản và đáp ứng các nhu cầu thực tế để phát triển các phương pháp chuẩn bị LMPE mạnh mẽ hơn Trong số các phương pháp này, in chuyển giao với hiệu quả sản xuất cao đã được đặc biệt khám phá và trình bày đầy đủ bởi các tác giả như Jiang và cộng sự (2017, 2020), Ma và cộng sự (2018), cùng Wang và cộng sự (2015).
Các nghiên cứu sớm về in chuyển kim loại lỏng dựa trên cơ chế chuyển pha đóng băng của kim loại lỏng đã mở ra nhiều ứng dụng mới trong chế tạo mạch điện linh hoạt (Wang et al., 2015) Việc chuyển đổi kim loại lỏng từ lớp phủ PVC sang lớp phủ PDMS giúp giảm thiểu các trở ngại về độ bám dính, tăng tốc quá trình sản xuất, và dễ dàng tạo ra các mạch chức năng linh hoạt, bọc trong đế đàn hồi (Wu et al., 2018b; Zhang et al., 2019b) Phương pháp in chuyển kim loại lỏng một bước của Guo và cộng sự (2018a) cho phép thích ứng với các chất nền mềm phổ biến, ngay cả những chất nền có khả năng thấm ướt yếu, vẫn tạo ra các hình dạng dẫn điện phức tạp, mạch nhiều lớp, và mẫu dẫn diện tích lớn với hiệu quả và độ ổn định cao, mở rộng tiềm năng ứng dụng trong điện tử mềm linh hoạt Công nghệ in SMART của Guo et al (2019) kết hợp in cuộn và in chuyển giao dựa trên kim loại bán lỏng và độ bám dính khác nhau, cho phép sản xuất nhanh chóng các mẫu điện tử phức tạp, độ phân giải cao và kích thước lớn chỉ trong vài giây, mang lại lợi ích vượt trội về tốc độ và hiệu quả trong chế tạo linh kiện điện tử Nhiều vật liệu kết dính khác như lớp phủ siêu kỵ nước có thể được sử dụng để tối ưu hóa quá trình in chuyển kim loại lỏng theo các yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
Nhiều đề xuất và bằng chứng đã được đưa ra về việc chuyển giao nhiều lần nhằm chế tạo thiết bị điện tử mềm 3D, cho phép quá trình này diễn ra nhanh chóng, dễ dàng và với chi phí thấp (Zhao et al., 2020).
Cho đến nay, hầu hết các công nghệ chủ chốt trong lĩnh vực LMPE đã hoặc đang tiến gần hơn đến thực tiễn, thúc đẩy đáng kể sự phát triển của ngành Những nỗ lực này đã xây dựng cầu nối từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp, giúp đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa LMPE Sự đột phá về nguyên lý và tích lũy công nghệ trong giai đoạn đầu là điều kiện thiết yếu để ứng dụng thực tế các công cụ như in kim loại lỏng nhiệt độ phòng, đặc biệt là trong sản xuất mạch điện tử dẻo Nhờ các thử nghiệm lớn và nền tảng vững chắc, quá trình công nghiệp hóa LMPE đã được kích thích mạnh mẽ, dẫn đến sự thành lập của nhiều công ty thương mại từ năm 2013 và xuất hiện các sản phẩm thương mại trên thị trường.
Ứng dụng điển hình
Là một vật liệu mực điện tử mới, hợp kim kim loại lỏng có tính linh hoạt và khả năng bảo toàn hình dạng, đóng vai trò quan trọng trong chế tạo các linh kiện và mạch mềm Với đặc tính không độc và tương thích sinh học lành tính, nó còn được sử dụng làm vật liệu cấy ghép trong cơ thể, phục vụ các ứng dụng như vật liệu khung kim loại điểm nóng chảy thấp, chụp mạch tương phản độ phân giải cao, vi giọt sinh học, dây thần kinh kết nối, bộ xương ngoài và da điện tử.
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
•Ứng dụng lớn trong lĩnh vực công nghệ sinh học, công nghệ mô mạch điện tử
Công nghệ sinh học đang thúc đẩy đổi mới nghiên cứu các mạch điện tử thân thiện với thiên nhiên, đặc biệt là các mạch dựa trên chất lỏng và lá Tuy nhiên, vẫn còn ít nhà nghiên cứu phát triển các mạch từ dẫn chất lỏng hoặc từ lá, và cần tập trung hơn vào việc phát triển các vật liệu sinh học phù hợp Nếu các mạch cấy ghép thuần túy sinh học có thể trở thành hiện thực cho chăm sóc lâm sàng, điều này sẽ mở ra cơ hội mới cho nghiên cứu và điều trị bệnh Những bệnh do lối sống, chế độ ăn uống không hợp lý đang gia tăng, và các mạch cấy ghép sinh học có tiềm năng giúp hoạt hóa các bộ phận cơ thể hoặc thay thế các cơ quan bị hư hỏng bằng các mạch nhân tạo tiên tiến.
Công nghệ mạch điện tử mô người là chìa khóa để phát triển các cấy ghép Cyborg và giao diện Người-máy, liên kết trực tiếp các mô và tế bào thần kinh với thiết bị điện tử như chân tay robot hay mắt nhân tạo Các thành phần hạt nano tích điện và ion, vốn quan trọng trong động lực học của da người, phản ánh cấu trúc không đồng nhất của các lớp da như biểu bì, trung bì và lớp dưới da, tạo điều kiện để áp dụng điện trường (EMF) nhằm nhận diện các thành phần mạch điện trong da Hiện nay, nghiên cứu về mạch điện tử lỏng và môi trường dẫn chất lỏng có tiềm năng lớn trong công nghệ sinh học, trong khi mạch điện tử trạng thái rắn không phù hợp với các giải pháp thân thiện với môi trường hay giao diện người-máy Để áp dụng thành công các nguyên tắc điện tử truyền thống lên cơ thể người, cần chứng minh khả năng của các mạch điện tử dựa trên chất lỏng, đảm bảo tính thân thiện với con người, phù hợp với các thiết bị đo đạc y tế Các bộ phận cơ thể như da và mô có thể hoạt động như những phần của mạch memristor, do bản chất trung tính của cơ thể, song mọi tế bào đều được bao quanh bởi một lớp mô gồm hai lớp axit béo và protein được cấy vào.
Marc Simon Wegmueller và nhóm của ông cho rằng hệ thống cấy ghép trên người là khả thi cho cuộc sống lâu dài và khỏe mạnh nếu được chăm sóc y tế phù hợp Yogesh P Patil và nhóm của ông nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano đến cơ thể con người, nhận thấy kim loại có thể được cấy ghép vào cơ thể để hiểu rõ hơn về hóa học của các hạt nano Các mạch cấy mới có thể phát triển bằng cách sử dụng các chất lỏng có mật độ khác nhau, có đặc tính ion tương tự máu, phù hợp để cấy ghép Mạch điện tử sinh học dựa trên plasma cho thấy tiềm năng lớn trong nghiên cứu giao diện người-máy Mạch cấy thuần túy sinh học có thể sử dụng các thiết bị đo đạc thích hợp để chứng minh khả năng ứng dụng thực tế Ngoài ra, có thể cấy ghép một máy thu và bốn bóng bán dẫn ở một dải tần số nhất định Cuối cùng, hệ thống truyền thông không dây dựa trên mô cơ đã được thành công chứng minh khả năng truyền dữ liệu đa kênh.
Hình 7: Điện sinh học trên co thể người được thực hiện hóa bằng kim loại lỏng
•Ứng dụng trong kĩ thuật đóng gói linh hoạt các vi mạch tích hợp(IC) ở trạng thái rắn với các vi chất lỏng(microfluidics) đàn hồi
Một công nghệ linh hoạt được đề xuất để tích hợp các thiết bị điện tử thông minh và vi chất lỏng trong một gói chất đàn hồi, giúp cung cấp các kênh vi lỏng để truyền mẫu lỏng và kim loại lỏng đến các vi mạch tích hợp (IC), đồng thời cải thiện các kết nối điện so với các phương pháp truyền thống như wire-bonding và flip-chip bonding Việc tích hợp linh hoạt các vi mạch trạng thái rắn với vi lỏng mở ra khả năng phát triển các hệ thống nhỏ gọn như điện tử đeo, lab-on-a-chip, cảm biến môi trường và thiết bị y tế thông minh Điện tử linh hoạt cho phép định vị các cảm biến và thiết bị truyền động trên các bề mặt không phẳng, điều mà công nghệ IC trạng thái rắn không thể thực hiện Dù đã có tiến bộ trong việc gắn các hệ thống điện tử sinh học vào da hoặc nội tạng để theo dõi liên tục các dữ liệu quan trọng, hệ thống linh hoạt hiện nay vẫn chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí hợp lý và khả năng mở rộng của công nghệ CMOS truyền thống Các hệ thống này dựa vào các vật liệu hữu cơ có khả năng mang điện thấp hoặc màng bán dẫn vô cơ siêu mỏng, đòi hỏi quy trình chế tạo phức tạp Trong khi đó, các chip CMOS thường có kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm vuông, dễ dàng tích hợp trên các bề mặt không phẳng như cơ thể người hay bề mặt máy bay Do đó, nếu có thể phát triển công nghệ đóng gói để tích hợp CMOS vào các nền tảng linh hoạt và sinh học tương thích, sẽ tạo ra bước đột phá lớn về hiệu suất cho các hệ thống điện tử linh hoạt.
Một hạn chế quan trọng của các hệ thống điện tử linh hoạt hiện nay là chúng chủ yếu cung cấp chức năng điện tử và quang điện tử, trong khi khả năng phân tích chất lỏng còn rất hạn chế hoặc không có Điều này đồng nghĩa với việc các hệ thống điện tử sinh học linh hoạt chỉ có thể đo lường các thông số vật lý như nhiệt độ, áp suất, mà chưa thể đo các dấu hiệu phân tử sinh học trong chất lỏng cơ thể—những chỉ số cực kỳ quan trọng để chẩn đoán bệnh sớm và theo dõi quá trình điều trị Công nghệ linh hoạt tích hợp cảm biến hoặc IC điện tử trạng thái rắn với vi chất lỏng có khả năng phát triển các khả năng cảm biến sinh học trước đây chưa có, như giám sát liên tục các dấu ấn sinh học phân tử trong thiết bị đeo, hứa hẹn tạo bước đột phá cho các hệ thống điện tử sinh học linh hoạt.
Một thách thức chính trong việc tích hợp linh hoạt giữa vi mạch trạng thái rắn và vi chất lỏng là quy trình hậu xử lý và đóng gói phức tạp, do các kỹ thuật chế tạo truyền thống thường không phù hợp với chất nền dẻo Cấu trúc wire-bonding, phổ biến trong đóng gói IC trạng thái rắn, thường có dạng ba chiều (3D), gây khó khăn trong việc tích hợp các thiết bị vi chất lỏng riêng biệt lên trên Các phương pháp đóng gói khác như chip-flip bonding có thể mang lại bề mặt phẳng cho thiết bị, nhưng lại khiến bề mặt hoạt động nằm trong gói và không thể tiếp cận để tích hợp vi chất lỏng, tạo ra thách thức lớn trong việc phát triển các hệ thống linh hoạt, tích hợp đa vật liệu.
Phương pháp đóng gói và tích hợp lai vi mạch/vi chất lỏng linh hoạt mới ra đời đã mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng điện tử linh hoạt Nó không chỉ phù hợp với các lĩnh vực vi hệ thống lai CMOS, lap-on-chip, quang điện tử và quang lỏng mà còn cung cấp các chức năng mới trước đây rất khó hoặc không thể tích hợp, như quản lý nhiệt, cuộn dây từ tính, ăng-ten điều chỉnh được và các thành phần quang lỏng bằng kim loại trên chất nền linh hoạt.
Công nghệ đóng gói và tích hợp vi mạch/vi chất lỏng linh hoạt cho phép tích hợp liền mạch giữa chip cảm biến CMOS và vi chất lỏng PDMS, tạo ra hệ thống phòng thí nghiệm trên một chip tích hợp cả chức năng CMOS và thao tác mẫu vi chất lỏng trên cùng một nền linh hoạt Việc tích hợp này mang lại nhiều lợi thế so với các thiết bị cảm biến sinh học truyền thống, như tăng hiệu quả liên kết phân tử nhờ dòng chất lỏng chủ động và giảm khoảng cách giữa các phân tử mục tiêu và bề mặt cảm biến, từ đó nâng cao độ nhạy phát hiện và thông lượng Đặc biệt, cảm biến quang CMOS sử dụng kênh nông không chỉ nâng cao hiệu quả thu thập photon và giảm nhiễu nền mà còn loại bỏ sự cần thiết của cấu hình quang học phức tạp Ngoài ra, việc kết hợp thiết bị truyền động/thiết bị điện tử CMOS với van PDMS đã mở ra khả năng tích hợp van và máy bơm trên chip, không phụ thuộc vào nguồn áp suất bên ngoài Các hệ thống vi mô lai IC/microfluidic nhỏ gọn, khép kín này có tiềm năng ứng dụng cao trong chẩn đoán tại điểm chăm sóc, giám sát môi trường và kiểm tra an toàn thực phẩm Sự tích hợp linh hoạt của điện tử vi mạch trạng thái rắn, cảm biến và microfluidics còn mở ra tiềm năng lớn cho các thiết bị theo dõi sức khỏe không dây, có thể đeo để thu thập dữ liệu liên tục và chính xác.
Theo dõi 28 dữ liệu sức khỏe theo thời gian thực và liên tục giúp người bệnh nhận được sự giám sát chặt chẽ từ bác sĩ hoặc cơ sở dữ liệu trung tâm Việc này đảm bảo chẩn đoán chính xác và cung cấp phương pháp điều trị kịp thời, nâng cao hiệu quả chăm sóc sức khỏe Công nghệ hiện đại cho phép theo dõi liên tục các chỉ số quan trọng, giúp điều chỉnh phương pháp điều trị phù hợp với tình trạng sức khỏe của từng cá nhân Áp dụng các dữ liệu sức khỏe thời gian thực không chỉ tối ưu hóa quá trình điều trị mà còn góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của bệnh nhân.
Phần tổng kết
Một loại mực thế hệ mới dành cho các thiết bị điện tử in linh hoạt có khả năng xử lý kim loại lỏng với tính linh hoạt và các đặc tính nổi bật về lưu động, độ dẫn điện, tính kim loại và điện từ, mở ra cơ hội lớn cho việc chế tạo các thiết bị điện tử trong tương lai Tuy nhiên, thách thức vẫn tồn tại như độ bám dính thấp với nhiều loại nền, dễ oxy hóa, và sức căng bề mặt cao của mực hợp kim lỏng, hạn chế khả năng tạo ra các mạch ổn định và chính xác Để khắc phục, các nhà nghiên cứu có thể trộn kim loại lỏng với vật liệu kim loại hoặc phi kim loại, từ đó phát triển vật liệu kim loại lỏng chức năng lai mới có khả năng bán dẫn, bán linh hoạt, tăng cường độ bám dính và chống oxy hóa Điều này giúp mực linh hoạt thích ứng với các tình huống thực tế với nhiều chức năng hơn, chẳng hạn như kết tinh nano kim loại lỏng để nâng cao độ chính xác in và sửa đổi bề mặt các hạt nano kim loại lỏng bằng cách liên kết kim loại để tạo ra bản in nhiều màu sắc tự phát sáng.
Mực kim loại lỏng đã được in trên nhiều loại chất nền mềm như giấy, vải, da, và lá, mở ra nhiều cơ hội phát triển các thành phần điện tử linh hoạt như cảm biến, thiết bị truyền động, và điện tử sinh học đeo được Việc sử dụng các chất nền linh hoạt đa dạng làm phong phú lĩnh vực điện tử in dẻo kim loại lỏng và mở rộng ứng dụng từ con người sang các sinh vật khác như động vật và thực vật Ví dụ, các mạch linh hoạt có thể được in trên lá để thu năng lượng và phát xạ ánh sáng, cung cấp nguồn sáng tự nhiên cho các cây cối vào ban đêm.
Nhiều loại công nghệ in kim loại lỏng khác nhau đang mở ra cơ hội chế tạo mạch hiệu quả, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết, như kết nối chính xác và đáng tin cậy giữa các mạch kim loại lỏng in và mạch tích hợp truyền thống Việc in có độ chính xác cao là yếu tố then chốt để tạo ra các mạch tích hợp kim loại lỏng chất lượng Phương pháp in linh hoạt kết hợp in phẳng và in 3D đang trở thành những hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực này Đồng thời, quá trình làm mát các mạch kim loại lỏng phức tạp đòi hỏi giám sát cẩn thận để tránh hư hỏng do “rào cản nhiệt” Công nghệ đóng gói đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền và tuổi thọ của các thiết bị cuối, như các thiết bị điện tử da bằng kim loại lỏng, trong đó vật liệu đóng gói như PDMS thường được sử dụng cho các mạch dẻo Tuy nhiên, với các môi trường và nền khác nhau, cần đa dạng hóa công nghệ đóng gói để tăng độ an toàn và hiệu quả hoạt động của mạch Đặc biệt trong các ứng dụng sinh học, tính không độc của vật liệu đóng gói là ưu tiên hàng đầu Ngoài ra, sự chuyển động và thay đổi hình dạng của kim loại lỏng dưới điện trường có thể tạo ra các mạch tự cấu hình, tự hoạt động hoặc tự hủy, mang lại tiềm năng lớn cho các hệ thống thông minh, tự thích nghi.
Thiết bị điện tử in dẻo kim loại lỏng vượt qua hạn chế của điện tử dẻo truyền thống nhờ quá trình sản xuất đơn giản, nhanh chóng và ổn định, phù hợp với công nghệ mạch tích hợp hiện tại Công nghệ này cho phép tạo ra các sản phẩm chất lượng cao như thiết bị điện tử sinh học đeo được, da điện tử, cấy ghép y tế, màn hình linh hoạt và tấm pin mặt trời để đáp ứng nhu cầu tương lai Mặc dù công nghệ in linh hoạt bằng kim loại lỏng hiện tại là sự kết hợp của mạch mềm và các linh kiện cứng, nó vẫn mở ra khả năng tùy biến cao cho người dùng và mở rộng phạm vi ứng dụng của kỹ thuật điện tử truyền thống Công nghệ này giúp khắc phục các vấn đề về tỷ lệ sản phẩm, khả năng tự sửa chữa, tuổi thọ dài và giảm ô nhiễm môi trường, góp phần hướng tới một tương lai bền vững và sáng tạo hơn.