分享至
理化所研制出功能电子电路桌面式3D打印系统原型机
近日，中科院理化技术研究所刘静研究员带领的科研团队，继提出液态金属印刷电子学方法后，首次成功研制出了室温下直接生成纸基功能电子电路乃至3D机电器件的桌面式自动打印设备原型样机，为新技术向普及化推进迈出了关键的一步。文章发表在Nature出版集团系列期刊《科学报告》上（Zheng et al., Scientific Reports, 3: 1786, 2013），随即入选most-read articles行列，并受到国际上多个知名科学媒体(如National Geographic News, Chemistry World, Asian Scientist Magazine, Desktop Engineering等)的专题报道。文章第一作者为二年级硕士生郑义。
在此项题为“纸上柔性电子电路的直接桌面打印(Direct Desktop Printed-Circuits-on-Paper Flexible Electronics)”的研究中，项目团队基于对液态金属输运及打印机理的深入解析，提出了旨在确保高精度印刷线宽的多孔芯体打印技术，筛选出与液态金属油墨黏性相匹配的纸质基底，并部分借助于商用机械研制出了可突破液态金属高表面张力限制的电子打印机原型。论文中还提出了有别于传统PCB技术内涵的纸上印刷电路(PCP：Printed-Circuits-on-Paper) 概念，由此建立了一整套全新的纸基电子器件直接打印方法。应用该系统，只需提前设定好控制程序，即可在普通的铜版纸上自动打印出电路、天线、RFID等电子器件并实现封装；特别是，通过设置各类导电或绝缘类油墨间的层叠组合程序，还可实现3D机电复合系统的直接打印，这一特性并不为现有技术所具备。3D打印是当前世界范围内的前沿热点，但已有方法大多只能实现模型自身的打印，尚不易完成包含电子功能在内的器件制造需求，可在室温下同时打印电气系统乃至机械及封装部件的液态金属印刷电子学为此带来了新希望。
迄今，常规的电子制造仍只能通过蒸镀、溅射、沉积等颇为耗时、耗材及耗能的工艺完成。新近出现的印刷电子学无疑加快了传统模式的变革，但也面临着诸如高性能导电油墨配制困难、导线生成需要借助繁复的化学反应实现、器件成型固化温度高等瓶颈，亟待突破。作为电子制造领域的新前沿，所见即所得的液态金属印刷电子学为常温下直接制造柔性电子开辟了一条方便快捷且有望实现普及化应用的途径。实验室前期的一系列基础性工作，展示了这一直写技术的优势。然而，要使该技术飞入“寻常百姓家”，必须研发出适用面广、成本适中的桌面自动打印系统；同时，若能直接采用便携、可折叠、价格低廉、易降解、可循环使用的纸张作为电子的打印基底，则势必进一步拓宽技术的应用层面。理化所团队基于上述需求特点的考虑，通过对系列关键科学问题的攻关，实现了电子打印技术的基础性突破。
液态金属桌面式机电打印系统技术的建立，实际上源于实验室长期努力的结果。早在10余年前，刘静研究员就带领团队围绕当时在国内外鲜为人知的室温金属流体展开研究，先后提出了一系列在信息、能源及医疗领域有着重大应用价值的原创性技术；特别是，该小组近年来提出了有望改变传统电子电路制造规则的室温液态金属印刷电子学方法，形成了系列重要技术和专利，如生物体表医用电子电路直写技术(Yu et al., PLoS ONE, vol.8, e58771, 2013)、透明导电薄膜技术(Mei et al., Applied Physics Letters, 102: 041509, 2013)、纸上可印刷式微小温度传感器技术(Li et al, Applied Physics Letters, 101: 073511, 2012)、柔性电路直写技术(Gao et al., PLoS ONE, 7: e45485, 2012)等，目前这一方法已被命名为DREAM Ink技术——Direct Writing of Electronics based on Alloy and Metal Ink (Zhang et al., Frontiers in Energy, 6: 311-340, 2012)；相应工作在国内外引起较大反响。
总的说来，基于DREAM Ink的桌面打印方法的成功实现及所引申出的打印工具，为电子器件的个性化制造(DIY: Do-It-Yourself)创造了条件，有可能影响到未来电子技术的发展模式。同时，研究中论述的PCP理念再次表明，纸张既可以作为文字的载体，也可集成诸多电子元件，这有助于促成DIY电子的普及。当前，尽管实验室打印系统的价格仍然偏高，但随着技术的发展，其成本完全可以降至为普通消费者所接受。那时，即便没有电子设计经验的人士也能借助于预设于计算机中的控制软件，打印出自己所需要的终端电子器件乃至组装出机电系统，如：电子贺卡、纸上集成电路、显示器、广告牌、智能织物、机器人，乃至光伏电池阵列等。正如报道该项研究的科学媒体所评论的那样，“印刷电子对于制造业有着直接而重要的影响”，“找到室温下直接制造电子的方法，就意味着打开了极为广阔的应用领域乃至通过家用打印机制造电子器件的大门”。可以预见的是，随着DREAM Ink桌面打印系统精度及性能的不断提升，可望催生出一系列超越传统理念的电子工程学及3D机电打印技术，一定程度上会加快电子工业和制造业革新的步伐。
图1 适用于液态金属油墨和铜版纸的桌面打印系统原型机及其多孔芯体打印头
图2 液态金属油墨印刷过程及3D多层电子线路或机电器件制造过程原理图
图3 以桌面方式直接打印并封装在铜板纸上的系列电子元件
