導電紙

圖一:當導電紙通電後便能發出相對應的圖案。Credit: American Chemical Society

■能彎折及捲曲的軟性電子基材近年來逐漸受到重視,南韓面板大廠三星級LG也不斷投入經費研發可彎折的顯示器。以目前應用端來說,可彎曲的基板都是以塑膠為主,但或許紙也可以是候選人。

撰文|方程毅

要製造電子基材,最基本的要求就是導電,但要讓紙導電並不是件容易的事。就軟性基材的發展來說,業界早已研發出讓高分子或塑膠材料導電的方法。也由於高分子工業相當成熟,讓製備能夠跟現行的導電高分子匹敵的導電紙更加困難。高分子的製備方式千百種,碳鏈的組合方式不同就會伴隨性質的改變,藉由製程的調整便可以改變其性質;然而,不同於人造的高分子,紙的組成成分是天然物質,由木頭裡的纖維素構成,若是纖維素成分改變,它就不是紙了。所以要讓紙導電通常都從紙的表面著手,或是在纖維素的縫隙中塞入導電物質,而非改變紙的本身。

既然要讓紙導電不如高分子材料簡單,為什麼還要發展導電紙呢?除了讓悲慘的博士生能發表論文混口飯吃之外,紙相對於高分子來說是比較環保的材質,對環境友善,若是找到適當的製程,成本也會比高分子製成低。

研發導電紙並不是多新穎的想法,早已有人想辦法把金屬奈米粒子混合膠狀物或直接將金屬奈米結構塗佈在紙上。但是,金屬跟紙受到形變後的反應不同,金屬延展性較強,紙則較差;用比較學術一點的術語是兩者楊氏係數(Young’s modulus)差距太大,當表面為金屬的導電紙不斷被彎曲、攤平、彎曲再攤平後的導電能力會不斷下降,耐用性不足,因此無法被真正拿來應用。

位於中國廣州的華南理工大學及澳洲的蒙納許大學(Monash University)近來合作研發出新的導電紙,他們宣稱每平分公尺的導電紙製造成本只有 1.3美金,是導電塑膠PET的二十分之一,且將其彎曲攤平重複5000次後導電度也幾乎沒有下降,其研究成果發表於美國化學協會 Applied Materials & Interfaces 期刊上。

他們利用滾輪將離子凝膠(ionic gel)附著在紙上,這些離子凝膠具導電性並且會滲入紙的纖維,經過適當熱處理讓溶劑揮發後(示意圖如下),導電物質便能留在紙的纖維中。離子凝膠其實也是由高分子組成,含有導電的有機物(所以雖然說紙本身環保,但添加物還免不了有不環保的物質)。相較於其他在實驗室小規模生產的技術,利用像印刷術的滾輪進行製備能夠大量且快速生產,且離子凝膠的楊氏係數與紙接近,當紙被彎曲或捲起時,這些導電物質還能夠附著在紙上,維持其導電度。

導電紙製備示意圖 (圖片來源: He, Minghui, Kaili Zhang, Guangxue Chen, Junfei Tian, and Bin Su. "Ionic gel paper with long-term bendable electrical robustness for use in flexible electroluminescent devices." ACS Applied Materials & Interfaces (2017).)

除此之外,研究團隊也展示導電紙實際的應用,他們將可以經由導電而發光的材料像三明治一樣夾在兩層導電紙之間,發光材料的圖形可以被自由定義,當導電紙通電後便能發出相對應的圖案(如圖一。

原始論文:He, Minghui, Kaili Zhang, Guangxue Chen, Junfei Tian, and Bin Su. "Ionic gel paper with long-term bendable electrical robustness for use in flexible electroluminescent devices." ACS Applied Materials & Interfaces (2017).

參考資料:Conductive paper could enable future flexible electronics

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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