Liquid metal (LM) is considered one of the most promising conducting materials for soft electronics due to its unique combination of metal-level high conductivity with exceptional deformability and stretchability. However, its practical applicability has thus far been limited due to the challenges of generating chemically and mechanically stable films over a large area and the need for non-standard fabrication approaches. Here, we report materials and manufacturing methods that enable the multiscale patterning (from microns to centimeters) and multilayer integration of ‘semi-solid-state liquid metal (SeLM)’ thin-film with the conventional cleanroom process. In this work, suspension shearing of a polyelectrolyte-attached LM particle ink is used to generate SeLM films. The stabilized LM particles formed close-packed assembly without particle rupture when coated under the evaporative regime. This is essential in enabling a subsequent photolithographic lift-off process at a wafer-scale to produce high-resolution features (~10 μm) of varying thicknesses on various substrates. Demonstrations of multilayered high-resolution tactile sensing systems, large-area stretchable display, and deformable skin-interfaced electronics validate the simplicity, versatility, and reliability of this manufacturing strategy, suggesting broad utility in the development of advanced soft electronics.
유연 소자는 차세대 웨어러블 및 임플란터블 기기에 대한 수요가 증가하면서 그 중요성이 높아지고 있다. 유연 소자 구현에 있어 핵심은 형태의 변형에도 전기적 연결이 끊어지지 않는 유연한 전극과 전극 간의 연결이다. 이를 위해 다양한 재료 및 방법이 제시되고 있으며, 그 중 액체 금속은 금속 수준의 높은 전도성과 탁월한 변형성 및 신축성을 가지기 때문에 유연 소자의 가장 유망한 전도성 재료 중 하나로 간주된다. 하지만 액체 금속을 이용해 화학적, 기계적으로 안정하면서 대면적으로 전극 구조를 구현하는 방법이 정립되지 않아 그 범용성이 제한되어 왔다. 본 연구에서는 기존 포토 공정을 적용하여 반고체 액체 금속 상태의 높은 해상도의 박막 패터닝 및 적층 구조를 가능하게 하는 재료 및 공정을 개발하였다. 고분자 전해질이 부착된 액체 금속 잉크를 용액 전단 공정에 사용하여 두께 조절 가능한 액체 금속 필름을 형성하였다. 형성된 액체 금속 필름에 포토 공정을 적용하여 고해상도 패턴을 제작하였으며 다양한 기판에 적용 가능함을 확인하였다. 이를 이용하여 전극 패턴의 적층 구조를 안정적으로 구현하였고 촉각 감지 센서, 대면적 디스플레이 및 근전도 센서를 제조하였다. 본 연구는 액체 금속을 이용하여 안정적인 대면적 구조의 전극 패턴을 구현하고 공정의 범용성을 유지하여 유연 소자에 적용 가능함을 확인하였다.
