为实现高集成度的多功能柔性器件需要构建多层柔性电路以满足复杂的电路设计。然而，依赖过孔连通的多层柔性电路存在拉伸稳定性差，制造工艺复杂和功能受限等问题。
近日，首尔大学Seung Hwan Ko教授研究团队通对液态金属电路特定区域涂覆粘合剂使其局部表面绝缘，随后将其与其它液态金属电路通过物理接触进行机械融合，构建了单片多层堆叠无过孔液态金属电路。研究人员通过有限元仿真和实验证明该设计可以有效避免过孔电路在拉伸过程中的应力集中问题；无过孔液态金属电路具有良好的拉伸性能（1100%）和机电稳定性（10000次100%应变循环）。利用电路开放性和空间一致性，研究人员展示无过孔电路可直接装配芯片和接入外部电路，极大简化了如温湿传感器等功能柔性器件的构建流程。
此外，无过孔电路在视觉上具有欺骗性，可用于构建功能无法肉眼判别的加密电路，如多模态可选LED电路。最后，研究人员将一可穿戴双层无过孔液态金属电路扩展至四层，展现无过孔电路的动态可拓展性。相关研究成果以“Monolithically stacked VIA-free liquid metal circuit for stretchable electronics”发表在期刊《Materials Today》上。
图1：单片堆叠无VIA可拉伸液态金属电路的制作与特性。(a)通过选择性表面处理（SST）制造单片堆叠无VIA可拉伸液态金属电路的示意图。插图展示了层间整合（左）和电气连接设计（右）的放大视图。(b)扫描电子显微镜（SEM）图像，显示有电气连接和无电气连接的液态金属导体层机械融合状态。(i)无SST条件下的机械融合和电气连接。(ii)导体交叉截面的放大示意图。(iii)有SST条件下的机械融合但无电气连接。(iv)导体截面放大的绝缘表面示意图。(c)无VIA电路的主要特性。(i)超强拉伸性和稳定性，与传统堆叠电路形成鲜明对比。(ii)简单高效的制造流程。(iii)独特的安全性与可扩展性功能。(d)使用液态金属导体制作的无VIA堆叠电路。(i)第一层导体的数字照片。(ii)第二层导体的数字照片。(iii)完整堆叠电路的数字照片。(iv)在拉伸状态下安装芯片的电路，展示其性能。
图2：传统堆叠电路与无VIA堆叠电路的对比。(a)传统堆叠电路的五步制作流程。(i)制作第一层导体。(ii)覆盖介电层以隔离电气信号。(iii)通过去除介电层形成VIA孔。(iv)填充导电材料以实现电气连接。(v)制作第二层导体。(vi)完成的传统堆叠电路。(vii)传统电路在拉伸条件下VIA处的失效情况。(b)无VIA堆叠电路的三步流程。(i)制作第一层导体。(ii)通过物理接触附着第二层导体。(iii)完成的无VIA堆叠电路。(iv)在拉伸条件下，无VIA电路表现出稳定和耐久性。(c)对比单层电路和堆叠电路在拉伸测试中的表现。(d-e) 100%拉伸条件下，单层和堆叠电路在10,000次循环测试中的性能变化。(f-g)有VIA结构与无VIA结构在30%拉伸条件下的有限元分析（FEM）结果对比，显示传统VIA结构的应力集中现象。
图3：无VIA液态金属电路的多功能应用。(a)使用液态金属电路制作螺旋天线。(i)带有电气交叉设计的螺旋天线示意图。(ii)第一层天线导体图案。(iii)完成的天线结构。(iv)显示电气连接状态的放大图。(v)验证天线性能，展示应用SST后的信号传递成功与未应用时的对比。(b)三种独立热路径的加热设备。(i)通过不同端口组合实现路径选择的电气连接示意图。(ii)制作的三条导体路径。(iii-v)独立控制A、B和C路径的加热效果，展示了多样化的热分布。(c)温湿度传感器电路。(i)带SST控制的第一层电路。(ii)集成传感器电路。(iii)在四种环境条件下的运行效果。(iv)传感器电路图示。
图4：加密与可选择电路的设计与功能演示。(a)用LED验证电路的加密特性。(i)两个视觉上相同但电气连接不同的三角形电路设计。(ii)电气连接状态的差异示意图。(iii)完成的加密电路实物照片。(iv)电气连接的放大图。(v)通过点亮不同LED验证加密功能。(vi)在拉伸条件下LED的稳定工作状态。(b)加密元件。(i)通过三层堆叠设计的加密元件示意图。(ii)一个加密点的放大配置图。(iii)带五个加密点的加密元件照片。(iv)编码加密信息的过程。(c)可选择电路。(i)带12个LED的电路设计示意图。(ii-v)选择不同输入输出端口时对应LED点亮状态。
图5：动态扩展堆叠电路的制作与演示。(a)可穿戴电路从双层扩展至四层的过程。(i)原始电路的扩展示意图。(ii)完成扩展后的电路。(b)原始部分（灰色）和扩展部分（黄色）组成的电路图。(c)穿戴在手指上的四层堆叠电路，展示其稳定运行的效果。(d)原始电路的制作。(i)第一层和第二层之间的电气连接状态。(ii)第一层导体图案。(iii)第二层导体的附着。(iv)完成的双层堆叠电路。(e)扩展过程。(i)第三、四层与原始电路的电气连接状态。(ii)第三层导体附着。(iii)第四层导体附着。(iv)完成的四层堆叠电路，成功点亮更多LED。
论文信息：Kim, M.; Park, J. J.; Hong, S.; Jung, Y.; Bang, J.; Cho, C.; Ko, S. H. Monolithically stacked VIA-free liquid metal circuit for stretchable electronics. Materials Today 2024.
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.11.005.
