纸基电子器件实现3D打印
2013年09月24日 来源：中国科学报
近日，中科院理化所研究员刘静带领的科研团队，继提出液态金属印刷电子学方法后， 首次成功研制出室温下直接生成纸基功能电子电路乃至3D机电器件的桌面式自动打印设备原型样机，为新技术向普及化推进迈出了关键的一步。该文章发表在Nature出版集团系列期刊《科学报告》上，随即入选“最多点击量文章”行列，并受到国际上多个知名科学媒体的专题报道。该文章第一作者为硕士生郑义。
在此项题为“纸上柔性电子电路的直接桌面打印”的研究中，项目团队基于对液态金属输运及打印机理的深入解析，提出了旨在确保高精度印刷线宽的多孔芯体打印技术，筛选出与液态金属油墨黏性相匹配的纸质基底，并部分借助于商用机械研制出了可突破液态金属高表面张力限制的电子打印机原型，论文中还提出了有别于传统印刷电路板技术内涵的纸上印刷电路（PCP）概念，由此建立了一整套全新的纸基电子器件直接打印方法。
应用该系统，只需提前设定好控制程序，即可在普通的铜版纸上自动打印出电路、天线等电子器件并实现封装；特别是通过设置各类导电或绝缘类油墨间的层叠组合程序，还可实现3D 机电复合系统的直接打印，这一特性并不为现有技术所具备。
3D打印是当前世界范围内的前沿热点，但已有方法大多只能实现模型自身的打印，尚不易完成包含电子功能在内的器件制造需求，可在室温下同时打印电气系统乃至机械及封装部件的液态金属印刷电子学为此带来了新希望。
作为电子制造领域的新前沿，所见即所得的液态金属印刷电子学为常温下直接制造柔性电子开辟了一条方便快捷且有望实现普及化应用的途径。实验室前期的一系列基础性工作，展示了这一直写技术的优势。然而，要使该技术飞入“寻常百姓家”，必须研发出适用面广、成本适中的桌面自动打印系统；同时，若能直接采用便携、可折叠、价格低廉、易降解、可循环使用的纸张作为电子的打印基底，则势必进一步拓宽技术的应用层面。
理化所团队基于上述需求特点的考虑，通过对系列关键科学问题的攻关，实现了电子打印技术的基础性突破。
液态金属桌面式机电打印系统技术的建立，实际上源于实验室长期努力的结果。早在10余年前，刘静就带领团队围绕当时在国内外鲜为人知的室温金属流体展开研究，先后提出了一系列在信息、能源及医疗领域有着重大应用价值的原创性技术；特别是该小组近年来提出了有望改变传统电子电路制造规则的室温液态金属印刷电子学方法，形成了系列重要技术和专利，如生物体表医用电子电路直写技术、透明导电薄膜技术、纸上可印刷式微小温度传感器技术、柔性电路直写技术等，目前这一方法已被命名为梦想油墨技术；相应工作在国内外引起较大反响。
总的说来，基于DREAM Ink的桌面打印方法的成功实现及所引申出的打印工具，为电子器件的个性化制造创造了条件，有可能影响到未来电子技术的发展模式。同时，研究中论述的PCP 理念再次表明，纸张既可以作为文字的载体，也可集成诸多电子元件，这有助于促成DIY 电子的普及。
当前，尽管实验室打印系统的价格仍然偏高，但随着技术的发展，其成本完全可以降至为普通消费者所接受。那时，即便没有电子设计经验的人士也能借助预设于计算机中的控制软件，打印出自己所需要的终端电子器件乃至组装出机电系统，如电子贺卡、纸上集成电路、显示器、广告牌、智能织物、机器人，乃至光伏电池阵列等。
（摘自中国科学院理化技术研究所所刊）
