中科院研制出3D打印機(jī) 實(shí)現(xiàn)電路/天線/RFID等電子器件打印及封裝

近日，中科院理化技術(shù)研究所劉靜研究員帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊，繼提出液態(tài)金屬印刷電子學(xué)方法后，首次成功研制出了室溫下直接生成紙基功能電子電路乃至3D機(jī)電器件的桌面式自動打印設(shè)備原型樣機(jī)，為新技術(shù)向普及化推進(jìn)邁出了關(guān)鍵的一步。文章發(fā)表在Nature出版集團(tuán)系列期刊《科學(xué)報告》上（Zheng et al., Scientific Reports, 3: 1786, 2013），隨即入選most-read articles行列，并受到國際上多個知名科學(xué)媒體(如National Geographic News, Chemistry World, Asian Scientist Magazine, Desktop Engineering等)的專題報道。文章第一作者為二年級碩士生鄭義。

在此項(xiàng)題為“紙上柔性電子電路的直接桌面打印(Direct Desktop Printed-Circuits-on-Paper Flexible Electronics)” 的研究中，項(xiàng)目團(tuán)隊基于對液態(tài)金屬輸運(yùn)及打印機(jī)理的深入解析，提出了旨在確保高精度印刷線寬的多孔芯體打印技術(shù)，篩選出與液態(tài)金屬油墨黏性相匹配的紙質(zhì)基 底，并部分借助于商用機(jī)械研制出了可突破液態(tài)金屬高表面張力限制的電子打印機(jī)原型。論文中還提出了有別于傳統(tǒng)PCB技術(shù)內(nèi)涵的紙上印刷電路 (PCP：Printed-Circuits-on-Paper)概念，由此建立了一整套全新的紙基電子器件直接打印方法。應(yīng)用該系統(tǒng)，只需提前設(shè)定好 控制程序，即可在普通的銅版紙上自動打印出電路、天線、RFID等電子器件并實(shí)現(xiàn)封裝；特別是，通過設(shè)置各類導(dǎo)電或絕緣類油墨間的層疊組合程序，還可實(shí)現(xiàn) 3D機(jī)電復(fù)合系統(tǒng)的直接打印，這一特性并不為現(xiàn)有技術(shù)所具備。3D打印是當(dāng)前世界范圍內(nèi)的前沿?zé)狳c(diǎn)，但已有方法大多只能實(shí)現(xiàn)模型自身的打印，尚不易完成包 含電子功能在內(nèi)的器件制造需求，可在室溫下同時打印電氣系統(tǒng)乃至機(jī)械及封裝部件的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)為此帶來了新希望。

迄今，常規(guī)的電子制造仍只能通過蒸鍍、濺射、沉積等頗為耗時、耗材及耗能的工藝完成。新近出現(xiàn)的印刷電子學(xué)無疑加快了傳統(tǒng)模式的變革，但也面臨著諸 如高性能導(dǎo)電油墨配制困難、導(dǎo)線生成需要借助繁復(fù)的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)、器件成型固化溫度高等瓶頸，亟待突破。作為電子制造領(lǐng)域的新前沿，所見即所得的液態(tài)金屬 印刷電子學(xué)為常溫下直接制造柔性電子開辟了一條方便快捷且有望實(shí)現(xiàn)普及化應(yīng)用的途徑。實(shí)驗(yàn)室前期的一系列基礎(chǔ)性工作，展示了這一直寫技術(shù)的優(yōu)勢。然而，要 使該技術(shù)飛入“尋常百姓家”，必須研發(fā)出適用面廣、成本適中的桌面自動打印系統(tǒng)；同時，若能直接采用便攜、可折疊、價格低廉、易降解、可循環(huán)使用的紙張作 為電子的打印基底，則勢必進(jìn)一步拓寬技術(shù)的應(yīng)用層面。理化所團(tuán)隊基于上述需求特點(diǎn)的考慮，通過對系列關(guān)鍵科學(xué)問題的攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了電子打印技術(shù)的基礎(chǔ)性突 破。

液態(tài)金屬桌面式機(jī)電打印系統(tǒng)技術(shù)的建立，實(shí)際上源于實(shí)驗(yàn)室長期努力的結(jié)果。早在10余年前，劉靜研究員就帶領(lǐng)團(tuán)隊圍繞當(dāng)時在國內(nèi)外鮮為人知的室溫金 屬流體展開研究，先后提出了一系列在信息、能源及醫(yī)療領(lǐng)域有著重大應(yīng)用價值的原創(chuàng)性技術(shù)；特別是，該小組近年來提出了有望改變傳統(tǒng)電子電路制造規(guī)則的室溫 液態(tài)金屬印刷電子學(xué)方法，形成了系列重要技術(shù)和專利，如生物體表醫(yī)用電子電路直寫技術(shù)(Yu et al., PLoS ONE, vol.8, e58771, 2013)、透明導(dǎo)電薄膜技術(shù)(Mei et al., Applied Physics Letters, 102: 041509, 2013)、紙上可印刷式微小溫度傳感器技術(shù)(Li et al, Applied Physics Letters, 101: 073511, 2012)、柔性電路直寫技術(shù)(Gao et al.,PLoS ONE,7: e45485, 2012)等，目前這一方法已被命名為DREAM Ink技術(shù)——Direct Writing of Electronics based on Alloy and Metal Ink(Zhang et al., Frontiers in Energy,6: 311-340,2012)；相應(yīng)工作在國內(nèi)外引起較大反響。

總的說來，基于DREAM Ink的桌面打印方法的成功實(shí)現(xiàn)及所引申出的打印工具，為電子器件的個性化制造(DIY:Do-It-Yourself)創(chuàng)造了條件，有可能影響到未來 電子技術(shù)的發(fā)展模式。同時，研究中論述的PCP理念再次表明，紙張既可以作為文字的載體，也可集成諸多電子元件，這有助于促成DIY電子的普及。當(dāng)前，盡 管實(shí)驗(yàn)室打印系統(tǒng)的價格仍然偏高，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其成本完全可以降至為普通消費(fèi)者所接受。那時，即便沒有電子設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的人士也能借助于預(yù)設(shè)于計算機(jī)中 的控制軟件，打印出自己所需要的終端電子器件乃至組裝出機(jī)電系統(tǒng)，如：電子賀卡、紙上集成電路、顯示器、廣告牌、智能織物、機(jī)器人，乃至光伏電池陣列等。 正如報道該項(xiàng)研究的科學(xué)媒體所評論的那樣，“印刷電子對于制造業(yè)有著直接而重要的影響”，“找到室溫下直接制造電子的方法，就意味著打開了極為廣闊的應(yīng)用 領(lǐng)域乃至通過家用打印機(jī)制造電子器件的大門”。可以預(yù)見的是，隨著DREAM Ink桌面打印系統(tǒng)精度及性能的不斷提升，可望催生出一系列超越傳統(tǒng)理念的電子工程學(xué)及3D機(jī)電打印技術(shù)，一定程度上會加快電子工業(yè)和制造業(yè)革新的步伐。

圖1　適用于液態(tài)金屬油墨和銅版紙的桌面打印系統(tǒng)原型機(jī)及其多孔芯體打印頭

圖2 液態(tài)金屬油墨印刷過程及3D多層電子線路或機(jī)電器件制造過程原理圖

圖3 以桌面方式直接打印并封裝在銅板紙上的系列電子元件