图一:当导电纸通电后便能发出相对应的图案。Credit: American Chemical Society
■能弯折及卷曲的软性电子基材近年来逐渐受到重视,韩国面板大厂三星级LG也不断投入经费研发可弯折的显示器。以目前应用端来说,可弯曲的基板都是以塑胶为主,但或许纸也可以是候选人。
要制造电子基材,最基本的要求就是导电,但要让纸导电并不是件容易的事。就软性基材的发展来说,业界早已研发出让高分子或塑胶材料导电的方法。也由于高分子工业相当成熟,让制备能够跟现行的导电高分子匹敌的导电纸更加困难。高分子的制备方式千百种,碳链的组合方式不同就会伴随性质的改变,借由制程的调整便可以改变其性质;然而,不同于人造的高分子,纸的组成成分是天然物质,由木头里的纤维素构成,若是纤维素成分改变,它就不是纸了。所以要让纸导电通常都从纸的表面着手,或是在纤维素的缝隙中塞入导电物质,而非改变纸的本身。
既然要让纸导电不如高分子材料简单,为什么还要发展导电纸呢?除了让悲惨的博士生能发表论文混口饭吃之外,纸相对于高分子来说是比较环保的材质,对环境友善,若是找到适当的制程,成本也会比高分子制成低。
研发导电纸并不是多新颖的想法,早已有人想办法把金属纳米粒子混合胶状物或直接将金属纳米结构涂布在纸上。但是,金属跟纸受到形变后的反应不同,金属延展性较强,纸则较差;用比较学术一点的术语是两者杨氏系数(Young’s modulus)差距太大,当表面为金属的导电纸不断被弯曲、摊平、弯曲再摊平后的导电能力会不断下降,耐用性不足,因此无法被真正拿来应用。
位于中国广州的华南理工大学及澳洲的蒙纳许大学(Monash University)近来合作研发出新的导电纸,他们宣称每平分米的导电纸制造成本只有 1.3美金,是导电塑胶PET的二十分之一,且将其弯曲摊平重复5000次后导电度也几乎没有下降,其研究成果发表于美国化学协会 Applied Materials &; Interfaces 期刊上。
他们利用滚轮将离子凝胶(ionic gel)附着在纸上,这些离子凝胶具导电性并且会渗入纸的纤维,经过适当热处理让溶剂挥发后(示意图如下),导电物质便能留在纸的纤维中。离子凝胶其实也是由高分子组成,含有导电的有机物(所以虽然说纸本身环保,但添加物还免不了有不环保的物质)。相较于其他在实验室小规模生产的技术,利用像印刷术的滚轮进行制备能够大量且快速生产,且离子凝胶的杨氏系数与纸接近,当纸被弯曲或卷起时,这些导电物质还能够附着在纸上,维持其导电度。
导电纸制备示意图 (图片来源: 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,研究团队也展示导电纸实际的应用,他们将可以经由导电而发光的材料像三明治一样夹在两层导电纸之间,发光材料的图形可以被自由定义,当导电纸通电后便能发出相对应的图案(如图一。
原始论文: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).