傳統(tǒng)PCB板制備屬減材制造，制備方法較為復(fù)雜，生成的電路具有高機(jī)械強(qiáng)度，不適于柔性電子的制備。近來，柔性電子制造技術(shù)的發(fā)展備受關(guān)注，液態(tài)金屬是一種室溫下具有流動(dòng)性和高導(dǎo)電率的材料，在全球范圍日益正被不斷引入到柔性印刷電子的研究。比起其他導(dǎo)電墨水，液態(tài)金屬具有導(dǎo)電率高，不用燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)，其電路的制備方法包括液態(tài)金屬直寫、毛細(xì)填充、掩膜印刷等。
兩年前，中科院理化所/清華大學(xué)劉靜團(tuán)隊(duì)首次將激光打印技術(shù)引入液態(tài)金屬電路制備中，通過在涂有PU膠水的熱轉(zhuǎn)印紙表面，借助激光打印數(shù)字化構(gòu)建墨粉掩模，使液態(tài)金屬可以選擇性粘附于PU膠水表面，快速構(gòu)建了Ga基導(dǎo)電圖案，步驟示意圖如圖1所示。該方法為液態(tài)金屬快速成型提供了一種新思路，方法便捷、快速。不過這種方法當(dāng)時(shí)主要適用于二維平面。
圖1. 基于熱轉(zhuǎn)印紙/PU膠水/墨粉的液態(tài)金屬圖案制備方法
近日，在前期工作的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種低成本快速構(gòu)筑液態(tài)金屬三維柔性電路的多模式移印方法。研究人員首先采用激光打印在銅紙板上數(shù)字化構(gòu)建了乳液聚合墨粉, 由此可將鎵基液態(tài)金屬選擇性成型在墨粉基底上；進(jìn)一步地，由液態(tài)金屬組成的導(dǎo)電圖案可作為圖章轉(zhuǎn)而被移印至各種凹凸的彈性三維表面上，從而最終構(gòu)筑出所預(yù)期的三維柔性電路，步驟示意圖如圖2所示。這種方法中采用的導(dǎo)電墨水為兼具特定粘性和流動(dòng)性的Cu-EGaIn，由于摻雜了銅，所制成的導(dǎo)電墨水具有較高的電導(dǎo)率。新方法實(shí)現(xiàn)了基于激光打印—液態(tài)金屬墨粉正向圖案化—三維表面移印的三步曲。
圖2. 基于乳液聚合墨粉/液態(tài)金屬的快速構(gòu)筑三維柔性電路流程：（A）墨粉選擇性電路快速制備（i）液態(tài)金屬紙基LED陣列及（ii）液態(tài)金屬保形3D表面LED陣列；（B）各種液態(tài)金屬印制元素。
研究人員通過SPM考察墨粉基底與銅紙板基底的微觀表面形貌發(fā)現(xiàn)，兩種基底存在明顯的表面粗糙度差異，在圖3中，研究人員利用SEM和光學(xué)輪廓儀表征了墨粉和粘附了液態(tài)金屬的墨粉，并依測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在微觀輪廓上對(duì)液態(tài)金屬的退浸潤(rùn)行為進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)模擬。
圖3. 微觀輪廓表征和數(shù)值模擬。（A）銅版紙上寬度為150um的墨粉的SEM表征；（B）-（C）液態(tài)金屬選擇性粘附的SEM表征；（D）-（E）墨粉和液態(tài)金屬選擇性粘附的光學(xué)輪廓儀表征；（F）-（H）液態(tài)金屬在碳粉上選擇性成型的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，時(shí)間依次為0、300、600 us。
研究人員對(duì)該方法制備的液態(tài)金屬電路進(jìn)行了電性能和穩(wěn)定性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該方法制備的電路在彎曲、拉伸、壓力測(cè)試中均具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。利用該方法制備的液態(tài)金屬可拉伸LED電路、RFID電路具有較高的工作穩(wěn)定性（圖4）。利用液態(tài)金屬的粘性，研究人員將選擇性成型電路轉(zhuǎn)移到了目標(biāo)三維表面，快速構(gòu)筑各種各樣的液態(tài)金屬三維柔性電路（圖5）。
圖4. 多重轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)筑液態(tài)金屬可拉伸LED電路、RFID電路。
圖5. 多重轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)快速構(gòu)筑液態(tài)金屬三維柔性LED電路柔性電路。
該技術(shù)簡(jiǎn)便快捷、成本低，整個(gè)過程在常溫下完成，無需借助復(fù)雜的電子制造裝備，所實(shí)現(xiàn)的電路展示出優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械耐久性，工作為利用常規(guī)激光打印技術(shù)規(guī)；占皯(yīng)用液態(tài)金屬柔性電子提供了廣闊空間。三維柔性電路的液態(tài)金屬多模式轉(zhuǎn)印方法的提出，打破了已有技術(shù)的應(yīng)用和成本極限，可望在廣泛領(lǐng)域得到規(guī)；占皯(yīng)用，將大大助推液態(tài)金屬電子應(yīng)用技術(shù)的普及化。論文發(fā)表在國(guó)際知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces（10.1021/acsami.0c08931）上，文章共同第一作者為中科院理化所碩士生趙瑞琪及清華大學(xué)博士生國(guó)瑞，通訊作者為劉靜教授。
以上研究得到國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金、中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)基金及前沿項(xiàng)目等資助。相關(guān)成果分別發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials (10.1007/s40843-018-9400-2),和ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08931
https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-018-9400-2
