清華大學(xué)采用智慧打印技術(shù)制備出新的柔性電路

近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系聯(lián)合中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，在《中國科學(xué)：材料科學(xué)》（Science China Materials）上首次報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)工程系三年級博士生國瑞，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?a target="_blank">工業(yè)生產(chǎn)、國防安全以及醫(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)域有著重大價值。

在液態(tài)金屬柔性電子領(lǐng)域有著十余年研究經(jīng)驗的劉靜小組，基于前期對液態(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

實驗證實，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，通過滾動涂覆方式，在極短時間內(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。

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)用價值。