中科院研制出3D打印機 實(shí)現電路/天線(xiàn)/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機電器件的桌面式自動(dòng)打印設備原型樣機，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(gè)知名科學(xué)媒體(如National Geographic News, Chemistry World, Asian Scientist Magazine, Desktop Engineering等)的專(zhuān)題報道。文章第一作者為二年級碩士生鄭義。

在此項題為“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，項目團隊基于對液態(tài)金屬輸運及打印機理的深入解析，提出了旨在確保高精度印刷線(xiàn)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原型。論文中還提出了有別于傳統PCB技術(shù)內涵的紙上印刷電路 (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。應用該系統，只需提前設定好 控制程序，即可在普通的銅版紙上自動(dòng)打印出電路、天線(xiàn)、RFID等電子器件并實(shí)現封裝；特別是，通過(guò)設置各類(lèi)導電或絕緣類(lèi)油墨間的層疊組合程序，還可實(shí)現 3D機電復合系統的直接打印，這一特性并不為現有技術(shù)所具備。3D打印是當前世界范圍內的前沿熱點(diǎn)，但已有方法大多只能實(shí)現模型自身的打印，尚不易完成包 含電子功能在內的器件制造需求，可在室溫下同時(shí)打印電氣系統乃至機械及封裝部件的液態(tài)金屬印刷電子學(xué)為此帶來(lái)了新希望。

迄今，常規的電子制造仍只能通過(guò)蒸鍍、濺射、沉積等頗為耗時(shí)、耗材及耗能的工藝完成。新近出現的印刷電子學(xué)無(wú)疑加快了傳統模式的變革，但也面臨著(zhù)諸 如高性能導電油墨配制困難、導線(xiàn)生成需要借助繁復的化學(xué)反應實(shí)現、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(jiàn)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(kāi)辟了一條方便快捷且有望實(shí)現普及化應用的途徑。實(shí)驗室前期的一系列基礎性工作，展示了這一直寫(xiě)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(dòng)打印系統；同時(shí)，若能直接采用便攜、可折疊、價(jià)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)的應用層面。理化所團隊基于上述需求特點(diǎn)的考慮，通過(guò)對系列關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的攻關(guān)，實(shí)現了電子打印技術(shù)的基礎性突 破。

液態(tài)金屬桌面式機電打印系統技術(shù)的建立，實(shí)際上源于實(shí)驗室長(cháng)期努力的結果。早在10余年前，劉靜研究員就帶領(lǐng)團隊圍繞當時(shí)在國內外鮮為人知的室溫金 屬流體展開(kāi)研究，先后提出了一系列在信息、能源及醫療領(lǐng)域有著(zhù)重大應用價(jià)值的原創(chuàng )性技術(shù)；特別是，該小組近年來(lái)提出了有望改變傳統電子電路制造規則的室溫 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(zhuān)利，如生物體表醫用電子電路直寫(xiě)技術(shù)(Yu et al., PLoS ONE, vol.8, e58771, 2013)、透明導電薄膜技術(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(xiě)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)；相應工作在國內外引起較大反響。

總的說(shuō)來(lái)，基于DREAM Ink的桌面打印方法的成功實(shí)現及所引申出的打印工具，為電子器件的個(gè)性化制造(DIY:Do-It-Yourself)創(chuàng )造了條件，有可能影響到未來(lái) 電子技術(shù)的發(fā)展模式。同時(shí)，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。當前，盡 管實(shí)驗室打印系統的價(jià)格仍然偏高，但隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，其成本完全可以降至為普通消費者所接受。那時(shí)，即便沒(méi)有電子設計經(jīng)驗的人士也能借助于預設于計算機中 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電系統，如：電子賀卡、紙上集成電路、顯示器、廣告牌、智能織物、機器人，乃至光伏電池陣列等。 正如報道該項研究的科學(xué)媒體所評論的那樣，“印刷電子對于制造業(yè)有著(zhù)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(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)”?？梢灶A見(jiàn)的是，隨著(zhù)DREAM Ink桌面打印系統精度及性能的不斷提升，可望催生出一系列超越傳統理念的電子工程學(xué)及3D機電打印技術(shù)，一定程度上會(huì )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原型機及其多孔芯體打印頭

圖2 液態(tài)金屬油墨印刷過(guò)程及3D多層電子線(xiàn)路或機電器件制造過(guò)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