近日,清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所,在《中國(guó)科學(xué):材料科學(xué)》(Science China Materials)上首次報(bào)道了一種具有普適性的超快速柔性電子制造技術(shù),可在數(shù)秒之內(nèi)打印出大面積高精度復(fù)雜液態(tài)金屬電路,速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過迄今已發(fā)展的各種電子加工技術(shù),相應(yīng)方法按其英文縮寫被命名為SMART Printing(智慧印刷)。文章第一作者為生物醫(yī)學(xué)工程系三年級(jí)博士生國(guó)瑞,通訊作者為劉靜教授。
智慧打印技術(shù)操作流程及印制出的導(dǎo)電圖案
眾所周知,印刷電路板在人們?nèi)粘I钪邪缪葜种匾慕巧诠I(yè)生產(chǎn)、國(guó)防安全以及醫(yī)療健康領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的印刷電路板制備工藝十分復(fù)雜,需要經(jīng)過十幾道工序加工而成,全流程較為耗時(shí)耗電,且伴有大量環(huán)境污染。近年來,柔性電子異軍突起,日益受到關(guān)注。不同于傳統(tǒng)剛性電路板,柔性電路板可以隨意彎曲、折疊乃至拉伸,這使其在可穿戴設(shè)備、便攜式醫(yī)療、電子皮膚等領(lǐng)域有著重大價(jià)值。
在液態(tài)金屬柔性電子領(lǐng)域有著十余年研究經(jīng)驗(yàn)的劉靜小組,基于前期對(duì)液態(tài)金屬材料特性的大量研究發(fā)現(xiàn),在室溫下呈液態(tài)的鎵基合金與固體金屬微粒(Ni)的混合可制備出具有高黏度、可塑性的半液態(tài)金屬材料(Ni-EGaIn)。此類材料在不同基底表面上的黏附性存在巨大差異,利用這種差異性可快速印制出圖案化液態(tài)金屬電路。
采用智慧打印技術(shù)制備出的多層電路
實(shí)驗(yàn)證實(shí),半液態(tài)金屬材料在PU膠膜上具有極高黏附性,而在碳粉上則黏附性較差。為此,研究小組首先引入激光打印方法將碳粉圖案沉積到涂覆有PU膠膜的紙張上,再借助半液態(tài)金屬材料在兩類基底上黏附性的顯著差異,通過滾動(dòng)涂覆方式,在極短時(shí)間內(nèi)(<10s)即將半液態(tài)金屬材料選擇性印制到A4大小紙張上的目標(biāo)部位,可以說瞬間制出所需電路。
采用智慧打印技術(shù)制備的大面積導(dǎo)電圖案
利用該技術(shù)制備的柔性電路,最高精度已達(dá)50μm,且在基底彎曲折疊過程中仍能保持電路連接的穩(wěn)定性。研究進(jìn)一步指出,新方法較具普適性,半液態(tài)金屬材料在更多基底材料如柔性硅膠(Ecoflex)表面也具有較高黏附性?;诖爽F(xiàn)象,同樣可利用轉(zhuǎn)印方式將半液態(tài)金屬墨水材料沉積到柔性硅膠表面的目標(biāo)部位,由此快速制備出可拉伸柔性電路。
采用上述制造原理,研究小組制成了一系列柔性和可拉伸功能電路,如多層電路、大面積電路以及可拉伸傳感器等,試驗(yàn)展示出各相應(yīng)器件優(yōu)良的電學(xué)穩(wěn)定性、適應(yīng)性及可回收優(yōu)點(diǎn)。
采用智慧打印技術(shù)制備并組裝的可拉伸傳感器功能電子電路及性能
文中所建立方法的實(shí)施無需復(fù)雜設(shè)備,制造出的柔性電路可用于穿戴式醫(yī)療設(shè)備,這為可穿戴式醫(yī)療及個(gè)性化電子健康產(chǎn)品的快速制造提供了嶄新的技術(shù)和工具,具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
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