柔性光电子技术正朝着更高形变耐受性和更强多功能集成方向快速迭代。近期，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究团队在该领域取得重要进展，他们成功开发出一款基于液态金属三维互连电极的柔性可拉伸多波长Micro‑LED阵列器件。该器件最大可承受254%的拉伸应变，在光疗、柔性传感等应用场景中展现出可观潜力。柔性可拉伸电子之所以备受关注，源于其能够贴合复杂曲面、适应动态形变，在生物医学、光电探测、人机交互和健康监测等领域被寄予厚望。这类系统通常由柔性基底、可拉伸互连电极和功能器件三大部分构成。基底需要兼顾弹性、绝缘性和生物相容性，而电极则必须在基底变形时同步拉伸，并保持稳定的电学性能。当前，实现可拉伸电极的主流路径包括蛇形、岛‑桥、剪纸等结构设计，金属纳米颗粒或碳基复合导电材料，以及本征柔性的液态金属或离子液体等材料体系。在众多方案中，镓铟共晶合金（EGaIn）凭借兼具金属级导电性和流体流动性的独特优势，成为高应变场景下柔性电极的有力竞争者。它无需添加导电颗粒即可实现优异的导电能力，并能规避传统固态金属在反复拉伸弯折后易开裂失效的痼疾。此前，这类液态金属已在植入式监测器件、人工视网膜等生物医疗领域获得初步验证。图1. 三种微通道结构仿真对比：（a‑c）直型、V型、蛇形互连电极微通道三维模型；（d）100%拉伸应变下基底应力分布云图；（e）弯曲半径2mm条件下应力分布；（f）不同拉伸应变下电极相对电阻变化；（g）不同弯曲半径下电极相对电阻变化
LED光疗作为一种无创、安全的治疗手段，通过光与组织的相互作用产生光化学效应或热效应，从而促进伤口愈合、缓解疼痛、发挥抗菌抗炎作用。LED成本低、易于阵列化且光谱覆盖范围广，非常适合大面积照射。然而，现有柔性LED光疗设备往往受限于波长选择少、拉伸能力不足和曲面贴合效果差，难以满足现代光医学对多波长、高拉伸、辐照均匀且生物兼容的复杂需求。针对这一瓶颈，长春光机所团队创新性地设计了蛇形液态金属三维电极结构，成功制备出多波长Micro‑LED阵列光源，并从仿真模拟到制备工艺再到形变下的光电性能表征，完成了系统性的研究闭环。研究初期，团队对直型、V型和蛇形三种微通道结构进行了力学与电学仿真对比。柔性基底选用高拉伸的Ecoflex 00‑30硅橡胶，导电介质为EGaIn液态金属。图2. 双层蛇形液态金属三维互连电极仿真结果：（a）未形变状态双层微通道基底俯视图；（b）侧视图，标注储液微球与Z向电极；（c）100%拉伸应变下应力分布；（d）弯曲半径18mm时应力分布；（e）不同拉伸应变下E1、E2两支电极相对电阻变化；（f）不同弯曲半径下两支电极相对电阻变化
在100%拉伸条件下，直通道虽然表面应力分布均匀，但电阻相对变化高达340.9%；V型结构在拐角处出现明显的应力集中，电阻变化为81.4%；而蛇形结构的电阻变化仅为76.9%。在弯曲工况下，三种结构的电阻波动均控制在5.3%以内。综合考虑，蛇形结构虽在应力水平上略有牺牲，但能在大拉伸下保持更低的电阻漂移，最终被确定为优选构型。为实现高密度阵列互连，团队进一步设计了上下层经纬正交排布的双层微通道，包含4支垂直拉伸方向和3支平行拉伸方向的电极。在蛇形电极与垂直Z向电极的交汇处，他们引入了一个精巧的“储液微球”结构，用于分散拐角处的应力集中，降低形变带来的接触失效风险。图3. 完整器件结构示意图：自上而下依次为封装层、Micro‑LED阵列、互连电极、带有双层微通道结构的柔性基底
仿真表明，在100%应变下，带有储液微球的互连电极相对电阻变化比无微球结构降低了约10%。在100%拉伸时，两支典型电极E1和E2的电阻相对变化分别为88%和72%；弯曲半径18mm时，电阻变化仅7.2%和6.7%，验证了该组合架构在大形变场景下的适应性。图4.石蜡牺牲模制备液态金属电极实物图：（a‑d）紫色石蜡牺牲模型整体与局部显微照片；（e‑f）去除牺牲结构之后微通道基底与通道内壁截面；（g‑h）真空注入液态金属后样品，包含拉伸、弯曲状态下液态金属填充形貌
完整器件共分为四层：封装层、Micro‑LED发光单元阵列、互连电极以及带有双层微通道的柔性基底。封装层和基底均采用生物兼容且高弹性的Ecoflex 00‑30硅橡胶。发光单元选用尺寸为100μm×50μm的多波长Micro‑LED芯片，电路采用双层布线，微通道线宽600μm，上下层垂直电极高度分别为2mm和1mm，芯片中心间距1.2mm，这些参数可根据实际芯片规格和应用需求灵活调整。在制造工艺上，团队采用石蜡牺牲模法，通过3D打印制备熔点68℃的紫色石蜡微通道模型，再灌入硅橡胶室温固化4小时，随后加热使石蜡熔融，并用75℃无水乙醇超声清洗去除残留，最后真空灌注EGaIn液态金属。光学显微照片显示，微通道内壁光滑无残渣，即使在拉伸或弯曲状态下，液态金属仍能保持高填充率，为形变下的电气连通奠定了坚实基础。图5. LED引脚电极结构优化对比实验：（a）拉伸前后垂直电极通孔形变示意图；（b）两种引脚焊接方案拉伸发光对比；（c）两种引脚在拉伸‑恢复过程形态变化；（d）优化引脚结构Micro‑LED在不同形变下I‑V特性曲线
液态金属与固态引脚之间的固‑液接触失效是另一大技术挑战。拉伸时，垂直电极的通孔会被拉成椭圆形，孔间距成倍增大。传统的引脚沿芯片正负极连线方向焊接，在大拉伸下容易被从液态金属中拔出，导致断路。研究团队重新设计了引脚构型：将Micro‑LED的正负极引脚向垂直于芯片正负极连线方向延展，并向下弯折插入微通道。引脚宽度0.45mm，厚度30μm，兼顾了柔韧性、焊接强度与接触面积。对比实验显示，传统引脚方案在140%应变时已出现亮度衰减，而优化后的垂直方向引脚在160%应变下器件依旧稳定点亮，且不同形变下的I‑V曲线几乎重合，固‑液互连可靠性显著提升。图6. 器件光电测试平台与阵列电路原理图：（a）4×3 阵列实物与电路坐标标注，选取6个位置的发光单元开展性能测试；（b）光电测试平台，包含位移台、数字源表、光功率计等设备
完成引脚优化后，团队制备了4×3、8×6等多种规格的多波长Micro‑LED阵列。对阵列边缘及中间共6颗发光单元进行静态和动态测试，结果表明器件最大稳定工作拉伸应变达到254%。在0‑100%应变区间内，Micro‑LED的光功率波动小于2.5%，回路电流波动小于2.9%。这得益于Micro‑LED导通电阻（约150Ω）远高于液态金属电极电阻，因此液态金属自身的电阻波动对发光性能影响微乎其微。图7. 0‑254%逐级拉伸点亮实拍以及0‑100%应变下6颗器件电流、归一化光功率变化曲线
在循环耐久性方面，经过1000次0‑100%的拉伸循环后，同等应变下的光功率最大下降小于2%，电流下降小于2%；单次0‑100%拉伸全过程中，光功率最大降幅不超过3.1%，电流最大降幅4.8%。分别以3mm/s、5mm/s、8mm/s不同速率进行循环拉伸，光功率波动低于1%，电流波动小于1.5%，表明器件在大形变动态工况下光电特性极为稳健。图8. 不同弯曲半径器件点亮实拍，弯曲几何示意图，以及六颗单元在不同弯曲半径下电流‑归一化光功率曲线
弯曲测试中，弯曲半径从平直状态减小至16mm，所有测试单元的光功率和电流变化均低于0.5%。500次弯曲循环后，同等弯曲半径下光功率最大衰减小于2%，电流衰减小于1.5%；在3、5、6mm/s不同弯曲速率下进行100次往复弯曲，光功率变化约0.5%。弯曲产生的应力相对较小，微通道形变微弱，因此弯折场景下器件表现尤为优异。图9. 拉伸循环、拉伸速率、弯曲循环、弯曲速率对应的性能对比曲线
总体而言，这项研究提出了一套完整的蛇形三维液态金属电极解决方案，借助石蜡牺牲模工艺实现了复杂双层微通道的一次成型，大幅简化了制备流程。同时，通过创新的引脚几何设计攻克了大应变下固‑液互连失效的难题，最终实现了可承受254%拉伸应变的柔性多波长Micro‑LED阵列。相较于传统金属薄膜或蛇形金属布线，液态金属充分发挥了其流体导电优势，从根本上突破了硬质导体在形变中易断裂的限制。整套器件在拉伸、弯曲和循环载荷下均展现出优异的光电稳定性，为可穿戴光疗设备和柔性生物传感提供了切实可行的技术路径。当然，该技术仍有待进一步优化，例如液态金属的泄漏风险、长期使用中的接触电阻漂移以及封装工艺的完善，这些都是未来从实验室走向临床医疗产品必须跨越的现实门槛。*DOI：10.1364/OE.590411
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