柔性電路板現(xiàn)顛覆性技術

近日，清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系聯(lián)合中國科學院理化技術研究所，在《中國科學：材料科學》(Science China Materials)上在線發(fā)表了題為“基于半液態(tài)金屬選擇性黏附機理的滾動涂覆與轉印技術：普適性柔性電子快速制造方法”(Semi-liquid Metal and Adhesion-selection enabled Rolling and Transfer (SMART) Printing: A Generalized Method towards Fast Fabrication of Flexible Electronics, 2019)的研究論文。此項工作首次報道了一種具有普適意義的超快速柔性電子制造技術，可在數(shù)秒鐘之內(nèi)打印出大面積高精度復雜液態(tài)金屬電路，速度遠遠超過迄今已發(fā)展的各種電子加工技術，相應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)學工程系三年級博士生國瑞，通訊作者為劉靜教授。

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)療健康領域有著極為廣泛的應用。傳統(tǒng)的印刷電路板制備工藝十分復雜，需要經(jīng)過十幾道工序加工而成，全流程下來較為耗時耗電，且伴有大量環(huán)境污染。近年來，柔性電子異軍突起，日益受到人們關注。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，這使其在可穿戴設備、便攜式醫(yī)療、皮膚電子等領域有著重大價值。

在液態(tài)金屬柔性電子領域有著十余年研究經(jīng)驗的劉靜小組，基于前期對液態(tài)金屬材料大量特性的研究發(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粘度、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。

實驗證實，半液態(tài)金屬材料在PU膠膜上具有極高粘附性，而在碳粉上則粘附性較差。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粘附性的顯著差異，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大小紙張上的目標部位，可以說瞬間制出所需電路（圖1）。利用該技術制備的柔性電路，最高精度已達50微米，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）表面也具有較高粘附性。基于此現(xiàn)象，同樣可利用轉印方式將半液態(tài)金屬墨水材料沉積到柔性硅膠表面的目標部位，由此快速制備出可拉伸柔性電路。

圖1 智慧打?。⊿MART Printing）技術操作流程及印制出的導電圖案

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（圖2），如多層電路、大面積電路（圖3）以及可拉伸傳感器（圖4）等，試驗展示出各相應器件優(yōu)良的電學穩(wěn)定性、適應性及可回收優(yōu)點。文中所建立方法的實施無需復雜設備，制造出的柔性電路可用于穿戴式醫(yī)療設備，這為個性化醫(yī)療電子的實現(xiàn)提供了全新途徑。

圖2 采用智慧打印技術制備出的多層電路

圖3 采用智慧打印技術制備的大面積導電圖案

圖4 采用智慧打印技術制備并組裝的可拉伸傳感器功能電子電路及性能

值得一提的是，在此工作稍早前，由清華大學、中科院理化所與北京夢之墨公司組成的聯(lián)合研究組，已在液態(tài)金屬柔性電子快速制備工藝探索上取得突破。在一篇以封面（圖5）故事形式發(fā)表于知名期刊《先進材料：技術》(Advanced Materials Technologies)上的題為“一步法液態(tài)金屬轉?。哼m用于廣泛基底的柔性電子制造”(One-Step Liquid Metal Transfer Printing: Toward Fabrication of Flexible Electronics on Wide Range of Substrates, 2018)的論文中，作者們開發(fā)出了一種紙基電子印刷技術，可利用液態(tài)金屬材料在PMA膠水和紙張表面的選擇性粘附機制將其轉印到目標紙面。此外，為促成液態(tài)金屬先進制造領域的持續(xù)快速發(fā)展，研究小組還于近期出版了國內(nèi)外首部《液態(tài)金屬印刷電子學》（上?？茖W技術出版社，2019）（圖5），構建了這一新興領域的理論與技術體系，填補了相應學術文獻空白。

圖5 期刊封面反映的液態(tài)金屬轉印方法(左)及《液態(tài)金屬印刷電子學》著作封面(右)