Direct Ink Writing of Biodegradable, Highly Conductive Ink for Flexible Printed Electronics

Abstract

Soft and flexible electronics have attracted increasing attention for wearable healthcare, rehabilitation assistance, soft robotics, and human–machine interfaces, where devices are required to maintain stable electrical performance while conforming to curved surfaces under repeated mechanical deformation. However, conventional fabrication strategies for soft electronic devices often involve complex, costly, or material restrictive processes, which can limit design freedom, substrate compatibility, and practical scalability. In parallel, the growing use of disposable and short-term monitoring devices has raised concerns regarding electronic waste, thereby motivating the development of biodegradable electronic systems. Despite recent advances, achieving both mechanical compliance and reliable electrical performance in biodegradable conductors remains challenging, particularly because device relevant conductivity often requires post- processing conditions that are incompatible with heat sensitive biodegradable polymers and flexible substrates. In this study, we introduce a biodegradable soft-electronics platform based on direct ink writing （DIW） of Zn particle-based conductive inks and low-temperature chemical sintering. A biodegradable polymer conductive ink containing Zn particles is formulated to provide suitable rheological properties for DIW, enabling the direct patterning of electrodes and interconnects on flexible substrates. The printed geometry and thickness of the electrodes can be controlled by adjusting the printing parameters. The printed Zn electrodes are chemically sintered at low temperature using an acetic acid-based sintering solution containing functional additives. This treatment promotes electrical contact between Zn particles and reduces resistance without requiring high temperature curing. The additives in the sintering solution also improve the flexibility of the printed electrodes and help maintain resistance stability under mechanical deformation and ambient storage conditions. As a result, the printed electrodes exhibit low line resistance （≈4 Ω·cm⁻¹） and stable electromechanical performance under repeated mechanical deformation.|부드럽고 유연한 전자소자는 웨어러블 헬스케어, 재활 보조, 소프트 로보틱스, 인간–기계 인터페이스 분야에서 점점 더 주목받고 있으며, 이러한 소자는 반복적인 기계적 변형 하에서 곡면에 밀착된 상태에서도 안정적인 전기적 성능을 유지해야 합니다. 그러나 기존의 소프트 전자소자 제작 전략은 복잡하거나 비용이 높고, 사용 가능한 재료가 제한되는 공정을 포함하는 경우가 많으며, 이는 설계 자유도, 기판 호환성 및 실제 확장성을 제한할 수 있습니다. 동시에 일회용 및 단기 모니터링 소자의 사용이 증가하면서 전자 폐기물에 대한 우려가 커지고 있으며, 이에 따라 생분해성 전자 시스템 개발의 필요성이 높아지고 있습니다. 최근의 발전에도 불구하고, 생분해성 도체에서 기계적 유연성과 신뢰성 있는 전기적 성능을 동시에 달성하는 것은 여전히 어렵습니다. 특히 소자 수준의 전도성을 확보하기 위해 필요한 후처리 조건이 열에 민감한 생분해성 고분자 및 유연 기판과 양립하기 어렵기 때문입니다. 본 연구에서는 Zn 입자 기반 전도성 잉크의 직접 잉크 쓰기（DIW）와 저온 화학 소결을 기반으로 한 생분해성 소프트 전자소자 플랫폼을 소개합니다. Zn 입자를 포함하는 생분해성 고분자 전도성 잉크를 제조하여 DIW에 적합한 유변학적 특성을 확보하였으며, 이를 통해 유연 기판 위에 전극 및 인터커넥트 구조를 직접 패터닝하였습니다. 인쇄 조건을 조절함으로써 인쇄 전극의 형상과 두께를 제어할 수 있었습니다. 인쇄된 Zn 전극은 기능성 첨가제가 포함된 아세트산 기반 소결 용액을 이용하여 저온에서 화학적으로 소결되었습니다. 이 처리는 고온 경화 없이 Zn 입자 간 전기적 접촉을 촉진하고 저항을 감소시켰습니다. 또한 소결 용액 내 첨가제는 인쇄 전극의 유연성을 향상시키고, 기계적 변형 및 대기 보관 조건에서 저항 안정성이 유지되도록 도왔습니다. 그 결과, 인쇄 전극은 낮은 선저항（≈4 Ω·cm⁻¹）을 나타내었으며, 반복적인 기계적 변형 하에서도 안정적인 전기기계적 성능을 유지하였습니다.