Conductive Water-Inks: Liquid Metal Nanoparticles Stabilized with Conjugated Polymers by Emulsification Induced Self-Assembly

Abstract

갈륨계 액체금속은 조합 비율에 따라서 금속성과 유체성의 성질을 동시에 띠어 새로운 물질로 각광받고 있으며, 이는 유연한 전자소자, 촉매, 유연 복합체, 바이오 의약품 등 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 순수한 액체금속에 비해 액체금속 나노입자는 동결 및 용융 온도를 낮출 수 있어 용액 공정성에 용이하다. 이러한 우수한 특성은 액체금속 나노입자 기반 응용 소자에서 광범위한 구동 온도를 확보할 수 있다. 또, 액체금속 나노입자는 기계적 처리 없이 알코올, 물을 포함한 용매에 쉽게 분산된다. 그러나, 액체금속의 높은 밀도와 표면 에너지로 인해 긴 교질 안정성을 갖는 액체금속 나노입자의 제조는 여전히 도전적인 연구분야 이다. 기존의 화학제를 이용한 액체금속 나노입자의 분산은 전도성 저하를 야기시킨다. 본 연구는 공액 고분자의 유화 유도 자가 조립을 통해 물에서 좋은 분산성을 가지는 액체금속 나노입자의 용이한 제조 전략을 제시한다. 액체금속 나노입자는 유화 액적 유기용매/물 계면에서 일어나는 화학적 불안정성을 제어를 통해 합성하였다. 생성된 나노입자는 공액 중합체에 의해 봉입된 수성 잉크다. 또한, 액적에 기능성 고분자를 추가하여 원하는 액체금속 나노입자 수성 잉크의 물성을 유도할 수 있다. 예를 들어, 카테콜계 관능기를 포함한 블록공중합체의 도입은 액체금속 나노입자 수성 잉크의 기판에 상관없는 강한 접착력을 유도하였다. 이러한 수성 잉크로 제조된 전자 소자는 우수한 전도성, 연신성과 더불어 강한 접착 특성을 보여주었다. 본 연구는 친환경 공정을 기반으로 나날이 소형화되는 연신전자소자에 적용할 수 있는 맞춤형 액체금속 수성 잉크에 개발연구이다.|Gallium-based liquid metals (LMs) are recognized as emerging materials due to their unusual combination of metallic and fluidic properties, which could be used in a variety of fields such as flexible electronics, catalysis, soft composites, and biomedicine. Compared to pristine LM, LM-nanoparticles (NPs) can lower their freezing and melting temperatures, securing facile solution-processability. This superior characteristic expands its applicability in a wide range of operating temperatures for LM-based electronics. Furthermore, LM are easily dispersed in eco-friendly solvents including alcohol and water without any mechanical treatments. However, the fabrication of LM-NPs having long colloidal stability is still challenging due to the high density and surface energy of LM. Especially, existing efforts to disperse LM-NPs had a great disadvantage of reduced conductivity, and maintaining conductivity must also be overcome. Herein, we report the facile and effective fabrication of water-dispersed LM-NPs through emulsification-induced self-assembly of the conjugated polymers. The LM-NPs are generated through the chemical instability occurring at the oil/water interface of emulsion droplets during oil evaporation in the water phase. The resultant NPs were encapsulated by conjugated polymers in water (as denoted LM-NPs-water ink). This method using the chemical instability of droplets allows us to modify the functionalities of LM-NPS-water ink by the addition of any polymers into droplets. The functional water-inks are successfully generated regardless of the polymer configuration such as rigidity, stability, or planarity. For example, LM-NPS-water ink stabilized by catechol-based polymers shows strong adhesion on any substrates. This research can provide a facile strategy for the preparation of customized LM-NPS-water ink that can be applied to soft stretchable electronics with eco-friendly processing.