中科院研制室溫狀態(tài)下液態(tài)金屬直接印刷電子

　　是否想過(guò)，你在家里能像打印word文檔一樣輕松地“打”出一張電路板，然后組裝出自己喜歡的玩具?近日，一項研究或許可以讓這一想象變成現實(shí)。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜帶領(lǐng)的科研團隊，首次研制出紙上直接生成電子電路的技術(shù)，并做出了桌面式3D自動(dòng)打印原型樣機。有了這臺設備，設定好程序，就可以“打”出自己需要的電路系統了。

　　“墨水”就是液態(tài)金屬，電路直接打印在紙上

　　紙上“打印”電子電路，得益于室溫狀態(tài)下液態(tài)金屬直接印刷電子方法的突破。

　　劉靜介紹，常規的電路板制造工序通常較為耗時(shí)、耗材、耗能，而印刷電子方法就像印刷文字一樣，直接在基板上形成能導電的線(xiàn)路和圖案，能將傳統的7—8道工序縮短至3—4道，快速靈活。

　　但這種方法受到“墨水”的束縛。為了讓印上去的“墨水”導電，常常需要采用導電聚合物或添加納米顆粒材料并通過(guò)高溫固化或特定化學(xué)反應來(lái)實(shí)現。液態(tài)金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進(jìn)了一大步，它的基本觀(guān)念在于：“墨水”就是液態(tài)金屬，打出來(lái)就能成為電路。

　　傳統工藝下，電子工程師若需更改電路板，需用化學(xué)藥水做處理，經(jīng)過(guò)刻蝕等步驟才能形成自己的設計。而新的液態(tài)金屬打印方法，讓漫長(cháng)的設計過(guò)程變得唾手可得。劉靜介紹，他們已經(jīng)在紙上打印出各種相對簡(jiǎn)單的電子電路，測試后導電性、可靠性良好。理論上，特別復雜的電路或電子元器件也可以打出來(lái)。據了解，打印一張A4紙大小的紙基電路板，目前只需要十幾分鐘，但對復雜電路圖案，時(shí)間可能會(huì )長(cháng)一些。

　　劉靜表示，相比于常用的塑料基底，紙張具有成本低、便攜、易降解、折疊，回收利用方便等特點(diǎn)，是一種綠化、環(huán)保、價(jià)廉的電路材料。

　　新方法將顯著(zhù)擴展3D打印的應用范圍

　　印刷電子的實(shí)現前提是“墨水”應具備流動(dòng)性。為尋找室溫下直接生產(chǎn)電子電路的方法，劉靜團隊通過(guò)對液態(tài)金屬輸送機理的深入剖析，終于攻克了這一難題。值得一提的是，研究團隊還實(shí)現了3D機電復合系統的直接打印。這意味著(zhù)，新方法不但可以打印平面電路，還能完成立體復雜電路及其支撐件的直接生成。

　　“當前的3D打印大多只能打印模型自身，還不能打出包含電子功能在內的器件。”劉靜說(shuō)，液態(tài)金屬印刷電子方法將顯著(zhù)擴展3D打印技術(shù)的應用范圍。

　　紙張代替塑料、直接打印取代集成生產(chǎn)，雖然離現實(shí)還很遠，但劉靜更看重的，是這一理念背后蘊含的未來(lái)電子器件個(gè)性化制造的可能性。專(zhuān)家認為，這一技術(shù)有望改變傳統電子電路制造規則。個(gè)性化的電路設計方法，使其在電子工程、個(gè)性化電子元件設計和制造加工、創(chuàng )意設計等方面有較大的應用空間。劉靜認為，這一技術(shù)還有望占領(lǐng)電子紙市場(chǎng)一展拳腳。據總部設在英國劍橋的市場(chǎng)研究咨詢(xún)公司IDTechEx預測，2013年電子紙市場(chǎng)估計約160億美元，這一數字在2023年將增長(cháng)至近770億美元。

　　未來(lái)電子制造業(yè)可能不在工廠(chǎng)里，而是在辦公室或家里，這是劉靜勾畫(huà)出的未來(lái)圖景。

　　“紙張能作為電子元件的集成載體，意義很大。”劉靜認為，目前紙張載體還存在吸水、強度不足等弱點(diǎn)，但潛力很大，隨著(zhù)技術(shù)完善，將開(kāi)發(fā)出更多種類(lèi)適合打印電路的紙張，也能促成更多應用。

　　當前，大規模的集成電路生產(chǎn)方式仍是主流，技術(shù)成熟，有規模成本優(yōu)勢?；谝簯B(tài)金屬印刷電子方法，要實(shí)現大規模運用還有很大距離。

　　其一，便是對金屬“墨水”劑量的控制。此外，液態(tài)金屬的種類(lèi)很有限，而要實(shí)現復雜設計，得依賴(lài)多種“墨水”交互自動(dòng)化使用。在硬件發(fā)展方面，還需提高打印設備的自動(dòng)化水平，只有研發(fā)出適用面廣、成本適中的桌面自動(dòng)打印系統，才能真正進(jìn)入“尋常百姓家”。另外，足夠豐富的應用程序和軟件也是推廣的重要前提。劉靜希望，今后有更多的科研人員參與研發(fā)相關(guān)應用，以確保即便沒(méi)有電子設計經(jīng)驗的人士也能借助預設于計算機中的控制軟件，打印出電子賀卡、顯示器、廣告牌、機器人乃至光伏電池陣列等電子產(chǎn)品。

　　雖然困難重重，但正如業(yè)界評價(jià)的那樣：這意味著(zhù)打開(kāi)了極為廣闊的應用領(lǐng)域乃至通過(guò)家用打印機制造電子器件的大門(mén)。