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中科院研發出世界首臺全自動液態金屬個人電子電路打印機

  經 數年時間從基礎研究到應用層面的持續推進,由劉靜研究員帶領的中國科學院理化技術研究所科研團隊在印刷電子學領域取得技術突破,研發出世界首臺全自動液態 金屬個人電子電路打印機。其中,部分基礎成果于近日發表于Nature出版集團旗下期刊Scientific Reports上。 



迄今為止,傳統電子電路的制造仍 是一個耗時、耗材、耗能且會造成潛在環境污染的復雜工藝過程,大多只能在設備齊全、投資大的工廠進行。隨時隨地實現電子電路的直接打印是全球科學界與工業 界的一個夢想,但存在巨大挑戰,其中既有設備硬件的限制,也有來自高性能電子墨水的因素,更受到固有理論框架的制約。 



液 態金屬打印機的發明和問世,在技術理念上完全改變了傳統模式,打破了個人電子制造的技術瓶頸和壁壘,使得在極低成本下快速、隨意地制作電子電路成為現實。 應用該設備,即使沒有任何電子學經驗的個人甚至孩童也能通過電腦操控,短時內即可直接打印出從網上訂制的電路圖案并制作出自己的終端功能器件,一定程度上 實現了電子硬件的直接下載。

  

 

  液態金屬個人電子電路打印機外觀、設計圖及其復合式墨水驅動機理流場模擬情況

  在Scientific Reports這篇題為Personal Electronics Printing via Tapping Mode Composite Liquid me-tal Ink Delivery and Adhesion Mechanism 的論文中,研究小組攻克了制約液態金屬打印技術在通向實用化道路中的一系列關鍵科學與技術問題,首次建立了一種全新原理的室溫液態金屬打印方法,通過集合 了上下敲擊式進墨、旋轉及平動輸運、轉印乃至壓印黏附到基底等復合過程在內的流體輸運方式,解決了金屬墨水表面張力高難以通過常規方法平穩驅動的難題,其 中的印刷失穩機理也得以初步揭示,所獲得的高度均一的打印精度和質量,已能滿足當前大多數印刷電路板(PCB)的要求。最為關鍵的是,這一電子電路打印機 已具有很高的性價比,批量制造后其成本將處于個人可承受范圍內,這預示著電子制造正在步入平民化進程。為展示這一全新技術在廣泛領域的價值,研究小組還探 明了液態金屬電子打印機在近10個方向上的開拓性應用,如復雜大面積柔性PCB電子藝術、電子裝飾、電子化建筑設計、人物肖像、電路單元、電子賀卡、電子圖案乃至功能電子器件等的即時打印和制作。這種立等可取的個性化電子制造模式除了將對傳統電子工程學帶來觀念性變革外,也將為科學與藝術、人文、教育、文化創意等的交叉融合創造全新的機遇。

  

 

  由液態金屬打印機打印并制作的柔性電路板及帶光電功能的圣誕電子賀卡

  以 上成果的取得是理化所團隊在長期實踐中不斷探索的結果。此前,為實現液態金屬的全自動打印并發展具有普適意義的電子打印機,研究小組幾乎窮盡了各種可能的 打印原理如氣壓驅動、微接觸印刷、絲網印刷、卷對卷印刷、熱泡噴墨驅動、激光打印等,但所形成的機構或是無法驅動金屬墨水,或是程度不高,或是整套打印設備成本過于高昂而無法進入千家萬戶。正是基于對液態金屬驅動機理的系統探索和反復嘗試,融合了輕敲、旋轉、壓印等輸運機理在內的復合式液態金屬打印方法得以建立。 



液 態金屬印刷電子學是嶄新的學科前沿,由劉靜集合10余年來在液態金屬領域的長期積累于國內外首次提出。為建立相應的理論與制造技術體系,團隊圍繞這一領域 的基礎和應用問題開展了大量深入細致的探索。2013年取得了一系列代表性工作:紙上印刷電路及液態金屬3D打印技術、“夢之墨”技術、皮膚電路直接繪制 技術、可植入式醫療電子在體3D打印、液態金屬電子手寫筆以及可在任意表面制造電路的霧化打印方法等,這些技術均因其開拓性在國際上產生較大反響,相繼為 眾多知名科學媒體或刊物如MIT Technology Review, Chemistry World, Nature Asia, IEEE Spectrum, National Geographic Daily News, CCTV,《中國科學報》、《人民日報》等廣泛評介,相應技術還受到眾多國際、國內知名電子制造商的青睞。為適應未來對金屬墨水日益增長的需求,研究小組 還原創性地提出了旨在發現系列新型功能電子墨水的液態金屬材料基因組研究計劃,以推動這一領域的發展。

  

 

  打印機打印出的電子化建筑結構圖案(左:北京天壇;右:華盛頓白宮)

  此次實用化全自動液態金屬打印機的成功研制,開啟了全新的電子電路制造模式。相應技術易于普及到家庭、辦公室、學校、工廠乃至工業設計、藝術探索、文化創意等應用領域,是極具普適性和基礎性的電子制造工具。

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