Abstract
伸縮性エレクトロニクスは、次世代の電子用途のためのキーテクノロジーとして識別されます。伸縮性電子デバイスの製造における課題の一つは、優れた機械的安定性を有する伸縮性導体の製造です。本研究では、化学的に銀ナノワイヤー（AgNW）ネットワークとの間の接触点をはんだ付けするための簡単な製造方法を開発しました。 AgNWナノメッシュは、第一のスプレーコーティング法を介してスライドガラス上に堆積させました。銀ナノ粒子（AgNPs）前駆体から成る反応性インクはAgNW薄膜をスプレーコーティングの上に適用しました。 40分間加熱した後、AgNPsを優先AgNWナノメッシュをはんだ付けするナノワイヤ接合部に生成し、導電ネットワークを強化しました。化学的に修飾されたAgNW薄膜は、その後、キャスト法により、ポリウレタン（PU）基板に移しました。 PU上のはんだ付けAgNW薄膜は伸張またはローランの下での電気伝導度に明らかな変化を示さありませんでした伸びグラムプロセスは、120％までの株。
Introduction
大きな伸縮性のある変形可能な電子機器は、次の世代のウェアラブルと携帯用電子機器の実現に不可欠な部品として同定されている。1これら伸縮性電子デバイスは、プラスチックシート上のものの電子デバイスとして大きな柔軟性を示す2、3だけでなく、優れた展示だけでなく、延伸条件やひねり厳しい下のパフォーマンス。4大変形下での優れた電気的性能と伸縮性エレクトロニクス、材料を実現するためには必要とされています。材料科学の最近の進歩は、このような機能性材料を合成する可能性を示しており、複雑な形状の変形に大きな耐性を有する伸縮性光電子デバイス5-9を設計するためにそれらを使用しています。全ての電子機能材料の中では、伸縮性の導体は、これらの光電子デバイスに電力を供給するために必要であり、従って、デバイス性能のために非常に重要です。金属またはインジウムスズ酸化物、大変形下での機械的ロバスト性の欠如のような規則的な導電性材料、ので、これらの材料で作られた相互接続は、プロセスの延伸下で良好な電気伝導性を発揮することができません。したがって、このようなカーボンナノチューブ、グラフェン1、10またはAgNWs等の可撓性導電性材料の薄い層で覆われた弾性基質は、11-14は、優れた伸縮性を有する導電体のために設計されています。そのため、高いバルク導電率の、AgNW薄膜はAgNW薄膜の13浸透ネットワークが効果的に大きな電気伝導度と延伸工程に大きな弾性変形を収容することができます。複合伸縮性導体のための最も有望な材料であることが示されている、とのように考えられています有望な伸縮性電極候補。伸縮性導体としてAgNW薄膜を実現するために、それはAgNWs間の効果的な電気接点を有することが必要です。液相堆積AN後基板表面上のD乾燥、AgNWsは定期的に大きな電気抵抗に生じる緩み接点と浸透メッシュを形成するために一緒に積み重ねます。したがって、一つの接触抵抗を低減するために、高温または高圧アニーリング方法15-20によってナノワイヤ間のコンタクトをアニールする必要があります。
文献において、これらのアニーリングプロセスとは対照的に、ここでは、我々は、通常の実験室条件下でAgNWネットワーク接続をアニールするために、単純な化学的方法を実証する。21の製造プロセスは、 図4Aに示されています。反応性インクをガラス板上の薄膜AgNWスプレーコーティングを焼結するのに使用されます。反応後、ナノワイヤ間の接触は、銀で被覆されているので、AgNWネットワークは、化学的に一緒にはんだ付けされています。キャスト及び剥離方法は、その後、明らかな変化を示さないことができる複合導体を形成するために、伸縮性PU基板に半田付けAgNWネットワークを転送するために使用されるIでも120％の大きな引張歪みにおけるn個の電気伝導度。
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Protocol
シルバー前駆体インクの調製
- 3.15ミリリットルの脱イオン水にジエタノールアミン1.85グラム（DEA）を追加します。
- 5ml中の硝酸銀の脱イオン水0.15グラムを溶かします。
- 使用直前に10 mlの銀前駆体インクを持っている1体積比：1でDEAと硝酸銀水溶液を混合します。
伸縮性導電性薄膜の作製2。
- AgNWインクの調製
- 18ミリリットルの脱イオン水とイソプロパノール0.5重量％のAgNWsの2ミリリットルを希釈します。
- 25℃で30秒間超音波浴中に配置します。
- 自動スプレー塗装によりAgNW薄膜の作製
- 1×2.5センチメートル2に等しいサイズのピースにスライドし、標準的な顕微鏡をカットします。このサイズの16ガラス片を作製し、エタノール湿らせたレンズクリーニングティッシュでそれらを清掃してください。
- airbrの塗料カップに（部1から）転送16ミリリットルAgNWインクピペットでUSH。スプレー塗装用コンピュータ制御ロボットにエアブラシをマウントします。
- ステージ上で4×2の構成ではガラス片の8を配置し、耐熱テープで固定します。ステージ上のすべてのガラス基板の総面積は4×5 cm 2です。
- 別に、3バールおよび100℃での使用圧力と加熱ステージの温度を設定します。
- ロボット制御ソフトウェアを開きます。 「コマンド」列の下にブラシモーションコマンドシーケンスをクリックして選択します。 図1に示すように、自動噴霧プログラムを完了するために必要な入力パラメータを入力します。プログラムを実行します。
注意：「回線速度」コマンドでは、200ミリメートル/秒でエアブラシの旅行になります。 「ブラシ領域」コマンドにより、エアブラシは、ガラス基板の短辺方向に前後に移動する長辺方向に沿ってステージを移動すると2つのストローク間の空間ながら配列は5mmです。 「ラインスタート "と"林Eの終了」コマンドは、自動噴霧操作の開始点と終了点の位置を決定する。それらの位置は、ステージ上のガラス基板のアレイの位置に依存しています。「ポイントを待って "コマンドは、20秒の待機時間を設定します各自動噴霧サイクルの終わり。コマンド」をループアドレス」は、複数の噴霧サイクルを可能にし、自動噴霧サイクル数は15回です。コマンドのより詳細な指示は、製造業者のプロトコルに記載されています。 - 30回に自動噴霧サイクル数を変更します。 30噴霧サイクルのAgNW薄膜を作製するために2.2.5 - 繰り返して、2.2.3を繰り返します。
- スプレーコーティングした後、10分間、120℃のホットプレート上の銀ナノワイヤ薄膜を焼きます。
- 化学はんだ付けプロセス
- ガラス基板上の各スプレー塗布銀ナノワイヤ薄膜の上に銀前駆体インクの400μLをキャストします。
- 100のホットプレート上の膜を焼きます＃176; C 40分間。
- 非反応化学残基および空気乾燥塗膜を除去するために、脱イオン水で慎重に反応性コーティングを洗い流します。
- キャスト・剥離工程
- ガラス基板上の各銀ナノコンポジット薄膜の上に200μlの市販の水ベースのPUエマルジョンをキャストします。
- 完全に凝固を確実にするために、10時間にわたってフィルム空気が乾燥します。
- 自立複合フィルムなどのガラス基板からサンプルをはがし。
3.特性評価
- ストレッチテスト
- リニアモーター駆動ステージをオンにして、マシンがウォームアップするために10分を待ちます。
- ステージ制御ソフトウェアを開きます。 8000ように、モータの移動ステップ数を設定します。それは固定ステージに接触するまで、モバイルのステージを移動するステージ制御ソフトウェアの「X +」をクリックして、Tの位置を設定するには、「0を設定」をクリックステージ制御ソフトウェアのゼロとして、彼の携帯のステージ。
注意：モバイルステージは、モータの1ステップで0.00125ミリメートルを移動します。モータは8,000ステップを移動した場合例えば、移動ステージは1cmに移動します。 「X +」のプラス記号は "X-"の負の符号が離れて固定ステージから移動することを意味しながら、固定ステージに近づく方向でモバイルステージが移動することを意味します。 - モバイルと固定ステージの間に1cmのスペースを残すために、モバイル、ステージを移動するために "X-"をクリックしてください。ステージ上に有線ホルダーとサンプルの両端を固定します。これにより、サンプルの伸び面積は1×1 cm 2です。延伸機の設定は、図2に示されています。
- 抵抗測定用のデジタルマルチメータに接続するには、ステージ所有者への配線ケーブルのもう一方の端（ 図2）は、ワニ口クリップを使用します。
- MOVへの800をクリックして「X-」とモータの移動ステップ数を設定します。電子離れて固定ステージから移動ステージ1ミリ（10％株）は、サンプルを伸ばし、抵抗を記録します。かなり抵抗が増加する（〜150％系統）まで、この手順を繰り返します。
- 安定性試験
- 3.1.4 - ステップ3.1.2のようにテストを準備します。
- デジタルマルチメータのソフトウェアを開きます。コンピュータにデジタルマルチメーターを接続します。デジタルマルチメータの長押し "RELΔ」ボタンコンピュータのアイコンは、デジタルマルチメータモニターの左上隅に表示されるまで。デジタルマルチメータソフトウェアの「USB接続」をクリックして、ソフトウェアが測定された抵抗値を記録するために開始します。
- 図3に示すように、ステージ制御ソフトウエアのプログラムパネルの入力フィールドにコマンドを入力し、コマンド"：U-4000」は、コマンドながら4,000歩の距離固定ステージから移動ステージを移動することを意味する"：U4000」手段4000ステップバックモバイルステージを移動します固定ステージ（50％株について4000、100％の株について8000）へ。ストレッチングサイクル数は15回です。モバイルステージのデフォルトの速度を1mm / secです。
- 自動プログラムを実行するステージ制御ソフトウエアのプログラムパネルで「123の実行」をクリックしてください。モバイルステージは三角波の伸長サイクルでサンプルをストレッチするための往復運動に移動します。
- マルチメータのソフトウェアで保存アイコンをクリックして、.xlsファイルとして抵抗応答プロファイルのデータをエクスポートします。
- LED点灯試験
- 3.1.3 - ステップ3.1.2のようにテストを準備します。 LEDと電源に直列に配線ホルダーを接続します。
- 電源をオンにします。 LEDを点灯するために9 Vまで電圧を上げます。
- サンプルを伸ばし、LEDの明るさを記録するために写真を撮るために固定ステージから離れ、携帯ステージ1ミリ（10％歪み）を移動するには、 "X-"をクリックしてください。この手順を繰り返して、LEDの光が暗くなります。写真を撮影しながら、カメラの自動露出をオフにする必要があることに注意してください。
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Representative Results
化学はんだ付け工程後AgNW薄膜の形態は、 図4Bに示されています。 AgNPsが優先AgNWsの表面に成長し、ワイヤ/ワイヤ接合部の上にラップ回収した。 図5は unsolderedとAgNWsの異なる量を含むはんだ付け薄膜に適用伸び株とシート抵抗の変化を示しています。化学はんだ付けプロセスの後、AgNW薄膜導体に関係なくAgNWsの噴霧量の、高ひずみ条件下で高い導電性を維持することができます。 120％以下の株が適用される場合の両方はんだ付けAgNW薄膜は100Ω/□以下のシート抵抗を示しています。複合伸縮性導電性薄膜は、動的変形過程における大きな機械的安定性を示す。 図6は、0の速いひずみ速度で三角波の伸長サイクル下に伸縮性導体の抵抗の変化を示す図 0.05 秒 -1。明らかな抵抗変化は、50％のひずみ振幅で観察されません。時歪み振幅が増加する100％ひずみに、ピーク抵抗が脈動サイクルの数と共に増加し、脈動が停止した後、膜の抵抗は、元の値に戻る。 図7を化学的にはんだ付け薄膜の電子申請を実証。
図1のロボット制御ソフトウェアのスクリーンショット。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2. マシン構成を伸ばします。 ve.com/files/ftp_upload/53623/53623fig2large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3. ステージ制御ソフトウェアのスクリーンショット。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
非常に伸縮性と導電性の金属導体の製造プロセスの図4の模式図である。（A）図に示すように試料を調製します。 （B）PU基板に転写される前に、化学はんだ付けAgNW薄膜のSEM像。 53623fig4large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5は、unsolderedの電気抵抗のテスト。比較をストレッチし、延伸条件の下で様々な溶射AgNW量のAgNW薄膜をハンダ付け。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
6.安定性試験図。三角波の伸長サイクルの下でフィルムを延伸する抵抗応答プロファイル。脈動歪速度10秒-1です。テストサンプルは、15噴霧サイクルのAgNW薄膜から形成されています。S / ftp_upload / 53623 / 53623fig6large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
様々なひずみ条件下での伸縮性導体に接続されたLEDの光の図7.ビデオが。延伸導体に起因するLEDの輝度変化は、図に示されています。テストサンプルは15噴霧サイクルのAgNW薄膜から作られています。（右クリックしてダウンロード）
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Discussion
化学的なはんだ付けプロセスは、銀ナノワイヤとの間の接触を強化することができます。 図4bに示すように、ワイヤ/ワイヤ接合はAgNW薄膜スプレーコーティング上に、反応性の銀インクを塗布した後、銀で被覆されています。銀回収は、DEAの分解から発生するホルムアルデヒドに強く依存し、したがって、はんだ付けプロセスまたは銀の減少は温度上昇により加速することができる。22 AgNWsの金属表面は、効果的な電子交換部位を提供するので、銀ナノ粒子が優先的にAgNW面に沿って減少しています、およびアマルガムコンタクトを形成するワイヤのワイヤ接合をオーバーラップします。この化学的なはんだ付けプロセスは、しかし、その後、過剰な反応性の溶液を除去するためのすすぎ工程を必要とします。一つは、乾燥前AgNWsとガラスの間の低い接着にゆっくりと慎重に半田AgNW薄膜を洗浄するために必要です。リンスおよび乾燥後、AgNW薄膜とすることができます簡単キャスト・アンド・剥離法によりPUに転送されます。ガラスの上に金型やスペーサーを使用すると、1にも簡単に複合伸縮性導体にPU層の厚さを調整することができます。
複合伸縮性導体は関係なく、スプレーコーティングされたAgNWs量の高い歪み条件で大きな電気伝導性を示します。強固に接合ナノワイヤの連絡先の結果、AgNWネットワークは、延伸条件の下で無傷のままであり、偉大な電子移動経路を提供します。 図5に示すように導体の伸びがunsolderedワイヤワ イヤ接合部のずれにつながり、AgNWネットワークの導電経路を減らすために適用される株が増加すると、unsoldered伸縮性導体のシート抵抗が急激に増加します。一方、はんだ付け伸縮性導体のシート抵抗は、減少した銀nanoparを示し、120％の大ひずみで〜100Ω/□程度の低いままticlesはメッシュAgNWの脱臼を防ぐためにAgNWs間の接触をアニールし、AgNWsの接続性を向上させる行います。効果的な浸透AgNWネットワークが形成されると、複合伸縮性導体は関係なく堆積AgNW量の高い導電性を示すことができます。 図5の抵抗-ひずみ曲線に明らかなように、半分AgNW量（15対30の噴霧サイクル）と伸縮性導体はAgNWsの量は、化学物質の後に導電率にはほとんど影響を持っていることを示す、延伸工程の下で実質的に同じ導電性を示していますはんだ付け。結果として、より低いAgNW量であれば、最初のスプレーAgNW薄膜被覆として使用することができる化学はんだ付け工程の前に導電性です。
伸縮性導体も速い伸び率を持つ大規模な動的ひずみの下でかなり良好な機械的安定性を示します。 図6に示すように、はんだ付けAgNWメッシュネットワークが残ります一方は50％の歪みの大きな歪みに三角形の伸長サイクルを適用するときにそのまま。このように、伸縮性導体の電気抵抗は、50％の静的歪みの下抵抗変化（〜4Ω/□）と一致する、〜5Ω/□の非常に小さな変化とほぼ変わりません。でも大きなひずみ振幅（100％）が適用されたときしかし、大きな抵抗変化が脈動プロセスにおけるAgNWネットワークの整合性の構造変化を示し、観察されました。動的な抵抗変化は、静的ストレッチよりもはるかに大きいです。ダイナミック抵抗が最初のピークで、90Ω/□であり、動的な脈動に400Ω/□まで上昇しながら、 図5のデータと比較して、静的な抵抗は、100％のひずみで約25Ω/□です。 100％の大ひずみでは、サンプルは矛盾betweeにつながる、破損する恐れがあり、ダイナミックストレスやはんだ付けAgナノワイヤのネットワークのいくつかの構造を維持することはできませんnは、静的および動的ひずみ下のシート抵抗。また、ピーク抵抗が発生する方向が、反転しストレッチしながら、瞬間的に大きな速度の高速化は、モバイル段階によって適用され、動的なピーク抵抗の増加に反映さらなる構造損害につながることができます。また、静的および動的抵抗の差の部分は動的ひずみ下AgNWsとPU基板との間の可能性のある一時的な転位から来るかもしれません。抵抗は脈動が停止した後に元の値に戻っているという事実によって証明されるように、これらの転位は、復元することができます。したがって、抵抗変化を避けるために、一つは注意深くAgNWメッシュと弾性基材の間の接着性及び機械的適合性を評価する必要があります。
伸縮性導体は、多くの電子用途での理想的な弾性相互接続として直接提供することができます。ときstret 図7は、動的観察を示していますchable導体は直列にLEDが接続されています。一定の電圧が供給されると、LEDライトの明るさはあっても、110％までの株でほとんど変化しません。この合成された複合伸縮性導体を簡単に弾性導電性トラックとして任意の電気機器に適用することができます。しかし、実際の電気デバイスのさらなる実施するためには、完全な回路に小型化電極パターンを必要とします。このように、印刷技術と伸縮性の回路を作成する方法の詳細な研究はまだ進行中です。
要約すると、この作業は、低温での高い伸縮性導体を製造するための簡単な方法を提供します。 PUの化学的に半田付けAgNWネットワークは、実質的な弾性歪みに対応し、延伸工程で優れた導電性だけでなく、機械的安定性を発揮することができます。また、化学的にはんだ付け導体iは、AgNWsの量に関わらず、ほぼ同一の電気的、機械的な性能を示し、材料の無駄で可能な削減をndicating。我々は、この伸縮性導体材料が直接、次世代エレクトロニクスのために、このようなLEDや太陽電池などのウェアラブルと伸縮性光電子デバイスのように効果的な相互接続を果たすことができると信じています。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silver nanowire | Sigma-Aldrich | 778095-25ML | AgNW, 120 nm in diameter and 20-50 mm in length, 0.5 wt% in IPA |
| Silver nitrate crystal | Macron Fine Chemicals | MK216903 | |
| Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885-500G | |
| Polyurethane emulsion | First Chemical | 20130326036 | 35 wt% water-based anionic polyester-polyurethane emulsion |
| Airbrush | Taiwan Airbrush & Equipment | AFC-sensor | |
| Desktop robot | Dispenser Tech | DT-200 | |
| Digital dispenser controller | Dispenser Tech | 9000E | |
| Auto-spraying program | Dispenser Tech | Smart robot edit version 3.0.0.5 | |
| Air compressor | PUMA Industrial | NCS-10 | |
| Linear motorized stage | TANLIAN E-O | Customized | |
| Stage control software | TANLIAN E-O | Customized | |
| Digital multimeter | HILA INTERNATIONAL | DM-2690TU | |
| Digital multimeter software | HILA INTERNATIONAL | NA | |
| Power supply | CHERN TAIH | CT-605 | |
| LED | PChome | M08330766 | http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm |
References
- Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. Materials and mechanics for stretchable electronics. Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).
- Mazzeo, A. D., et al. Paper-based, capacitive touch pads. Adv. Mater. 24 (21), 2850-2856 (2012).
- Yang, C., et al. Silver nanowires: from scalable synthesis to recyclable foldable electronics. Adv. Mater. 23 (27), 3052-3056 (2011).
- Sekitani, T., Someya, T. Stretchable, Large-area Organic Electronics. Adv. Mater. 22 (20), 2228-2246 (2010).
- Lipomi, D. J., Tee, B. C., Vosgueritchian, M., Bao, Z. Stretchable organic solar cells. Adv. Mater. 23 (15), 1771-1775 (2011).
- Liang, J., Li, L., Niu, X., Yu, Z., Pei, Q. Elastomeric polymer light-emitting devices and displays. Nat. Photonics. 7 (10), 817-824 (2013).
- White, M. S., et al. Ultrathin, highly flexible and stretchable PLEDs. Nat. Photonics. 7 (10), 811-816 (2013).
- Chang, I., et al. Performance enhancement in bendable fuel cell using highly conductive Ag nanowires. Int. J. Hydrogen Energ. 39 (14), 7422-7427 (2014).
- Yan, C. Y., et al. An Intrinsically Stretchable Nanowire Photodetector with a Fully Embedded Structure. Adv. Mater. 26 (6), 943-950 (2014).
- Lee, M. S., et al. High-performance, transparent, and stretchable electrodes using graphene-metal nanowire hybrid structures. Nano Lett. 13 (6), 2814-2821 (2013).
- Xu, F., Zhu, Y. Highly conductive and stretchable silver nanowire conductors. Adv. Mater. 24 (37), 5117-5122 (2012).
- Yun, S., Niu, X., Yu, Z., Hu, W., Brochu, P., Pei, Q. Compliant silver nanowire-polymer composite electrodes for bistable large strain actuation. Adv. Mater. 24 (10), 1321-1327 (2012).
- Lee, P., et al. Highly stretchable and highly conductive metal electrode by very long metal nanowire percolation network. Adv. Mater. 24 (25), 3326-3332 (2012).
- Akter, T., Kim, W. S. Reversibly Stretchable Transparent Conductive Coatings of Spray-Deposited Silver Nanowires. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (4), 1855-1859 (2012).
- Madaria, A., Kumar, A., Ishikawa, F., Zhou, C. Uniform, highly conductive, and patterned transparent films of a percolating silver nanowire network on rigid and flexible substrates using a dry transfer technique. Nano Res. 3 (8), 564-573 (2010).
- Lee, J., et al. Room-Temperature Nanosoldering of a Very Long Metal Nanowire Network by Conducting-Polymer-Assisted Joining for a Flexible Touch-Panel Application. Adv. Funct. Mater. 23 (34), 4171-4176 (2013).
- Tokuno, T., et al. Fabrication of silver nanowire transparent electrodes at room temperature. Nano Res. 4 (12), 1215-1222 (2011).
- Garnett, E. C., et al. Self-limited plasmonic welding of silver nanowire junctions. Nat. Mater. 11 (3), 241-249 (2012).
- Zhu, S., et al. Transferable self-welding silver nanowire network as high performance transparent flexible electrode. Nanotechnology. 24 (10), 1321-1327 (2013).
- Han, S., et al. Fast Plasmonic Laser Nanowelding for a Cu-Nanowire Percolation Network for Flexible Transparent Conductors and Stretchable Electronics. Adv. Mater. 26 (33), 5808-5814 (2014).
- Chen, S. P., Liao, Y. C. Highly stretchable and conductive silver nanowire thin films formed by soldering nanomesh junctions. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (37), 19856-19860 (2014).
- Chen, S. P., Kao, Z. K., Lin, J. L., Liao, Y. C. Silver conductive features on flexible substrates from a thermally accelerated chain reaction at low sintering temperatures. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (12), 7064-7068 (2012).
