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中科院理化所/清华大学刘静团队: 当激光打印遇上液态金属移印:从二维到三维表面的电子电路迅捷制造

中科院理化所/清华大学刘静团队: 当激光打印遇上液态金属移印:从二维到三维表面的电子电路迅捷制造

  • 分类:新闻资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2020-08-02
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【概要描述】传统PCB板制备属减材制造,制备方法较为复杂,生成的电路具有高机械强度,不适于柔性电子的制备。近来,柔性电子制造技术的发展备受关注,液态金属是一种室温下具有流动性和高导电率的材料,在全球范围日益正被不断引入到柔性印刷电子的研究。比起其他导电墨水,液态金属具有导电率高,不用烧结的优点,其电路的制备方法包括液态金属直写、毛细填充、掩膜印刷等。

两年前,中科院理化所/清华大学刘静团队首次将激光打印技术引入液态金属电路制备中,通过在涂有PU胶水的热转印纸表面,借助激光打印数字化构建墨粉掩模,使液态金属可以选择性粘附于PU胶水表面,快速构建了Ga基导电图案,步骤示意图如图1所示。该方法为液态金属快速成型提供了一种新思路,方法便捷、快速。不过这种方法当时主要适用于二维平面。

 



图1. 基于热转印纸/PU胶水/墨粉的液态金属图案制备方法

 

近日,在前期工作的基础上,该团队发明了一种低成本快速构筑液态金属三维柔性电路的多模式移印方法。研究人员首先采用激光打印在铜纸板上数字化构建了乳液聚合墨粉, 由此可将镓基液态金属选择性成型在墨粉基底上;进一步地,由液态金属组成的导电图案可作为图章转而被移印至各种凹凸的弹性三维表面上,从而最终构筑出所预期的三维柔性电路,步骤示意图如图2所示。这种方法中采用的导电墨水为兼具特定粘性和流动性的Cu-EGaIn,由于掺杂了铜,所制成的导电墨水具有较高的电导率。新方法实现了基于激光打印—液态金属墨粉正向图案化—三维表面移印的三步曲。

 





 

图2. 基于乳液聚合墨粉/液态金属的快速构筑三维柔性电路流程:(A)墨粉选择性电路快速制备(i)液态金属纸基LED阵列及(ii)液态金属保形3D表面LED阵列;(B)各种液态金属印制元素。

 

研究人员通过SPM考察墨粉基底与铜纸板基底的微观表面形貌发现,两种基底存在明显的表面粗糙度差异,在图3中,研究人员利用SEM和光学轮廓仪表征了墨粉和粘附了液态金属的墨粉,并依测得的实验数据,在微观轮廓上对液态金属的退浸润行为进行了计算流体力学模拟。

 



图3. 微观轮廓表征和数值模拟。(A)铜版纸上宽度为150um的墨粉的SEM表征;(B)-(C)液态金属选择性粘附的SEM表征;(D)-(E)墨粉和液态金属选择性粘附的光学轮廓仪表征;(F)-(H)液态金属在碳粉上选择性成型的计算流体动力学(CFD)模拟,时间依次为0、300、600 us。

 

研究人员对该方法制备的液态金属电路进行了电性能和稳定性测试,发现该方法制备的电路在弯曲、拉伸、压力测试中均具有良好的导电性和稳定性。利用该方法制备的液态金属可拉伸LED电路、RFID电路具有较高的工作稳定性(图4)。利用液态金属的粘性,研究人员将选择性成型电路转移到了目标三维表面,快速构筑各种各样的液态金属三维柔性电路(图5)。

 



图4. 多重转印实现快速构筑液态金属可拉伸LED电路、RFID电路。

 



图5. 多重转印实现快速构筑液态金属三维柔性LED电路柔性电路。

 

该技术简便快捷、成本低,整个过程在常温下完成,无需借助复杂的电子制造装备,所实现的电路展示出优异的导电性和机械耐久性,工作为利用常规激光打印技术规模化普及应用液态金属柔性电子提供了广阔空间。三维柔性电路的液态金属多模式转印方法的提出,打破了已有技术的应用和成本极限,可望在广泛领域得到规模化普及应用,将大大助推液态金属电子应用技术的普及化。论文发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上,文章共同第一作者为中科院理化所硕士生赵瑞琪及清华大学博士生国瑞,通讯作者为刘静教授。

 



 

以上研究得到国家自然科学重点基金、中国科学院院长基金及前沿项目等资助。相关成果分别发表在SCIENCE CHINA Materials (10.1007/s40843-018-9400-2),和ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上。

 

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08931

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-018-9400-2

 

相关进展

清华大学刘静教授课题组首次观察到液态金属流体宏观体系中的波粒二象性

清华大学刘静教授课题组《Adv. Funct. Mater.》:研发出轻量化液态金属材料

清华大学刘静教授课题组:液态金属复合式肿瘤栓塞剂问世

清华大学刘静教授课题组:具有超高拉伸性导体-绝缘体可逆转变特性的液态金属复合材料

中科院理化所饶伟、刘静研究员团队综述:柔性可变形微纳米液态金属材料

 

中科院理化所/清华大学刘静团队: 当激光打印遇上液态金属移印:从二维到三维表面的电子电路迅捷制造

【概要描述】传统PCB板制备属减材制造,制备方法较为复杂,生成的电路具有高机械强度,不适于柔性电子的制备。近来,柔性电子制造技术的发展备受关注,液态金属是一种室温下具有流动性和高导电率的材料,在全球范围日益正被不断引入到柔性印刷电子的研究。比起其他导电墨水,液态金属具有导电率高,不用烧结的优点,其电路的制备方法包括液态金属直写、毛细填充、掩膜印刷等。

两年前,中科院理化所/清华大学刘静团队首次将激光打印技术引入液态金属电路制备中,通过在涂有PU胶水的热转印纸表面,借助激光打印数字化构建墨粉掩模,使液态金属可以选择性粘附于PU胶水表面,快速构建了Ga基导电图案,步骤示意图如图1所示。该方法为液态金属快速成型提供了一种新思路,方法便捷、快速。不过这种方法当时主要适用于二维平面。

 



图1. 基于热转印纸/PU胶水/墨粉的液态金属图案制备方法

 

近日,在前期工作的基础上,该团队发明了一种低成本快速构筑液态金属三维柔性电路的多模式移印方法。研究人员首先采用激光打印在铜纸板上数字化构建了乳液聚合墨粉, 由此可将镓基液态金属选择性成型在墨粉基底上;进一步地,由液态金属组成的导电图案可作为图章转而被移印至各种凹凸的弹性三维表面上,从而最终构筑出所预期的三维柔性电路,步骤示意图如图2所示。这种方法中采用的导电墨水为兼具特定粘性和流动性的Cu-EGaIn,由于掺杂了铜,所制成的导电墨水具有较高的电导率。新方法实现了基于激光打印—液态金属墨粉正向图案化—三维表面移印的三步曲。

 





 

图2. 基于乳液聚合墨粉/液态金属的快速构筑三维柔性电路流程:(A)墨粉选择性电路快速制备(i)液态金属纸基LED阵列及(ii)液态金属保形3D表面LED阵列;(B)各种液态金属印制元素。

 

研究人员通过SPM考察墨粉基底与铜纸板基底的微观表面形貌发现,两种基底存在明显的表面粗糙度差异,在图3中,研究人员利用SEM和光学轮廓仪表征了墨粉和粘附了液态金属的墨粉,并依测得的实验数据,在微观轮廓上对液态金属的退浸润行为进行了计算流体力学模拟。

 



图3. 微观轮廓表征和数值模拟。(A)铜版纸上宽度为150um的墨粉的SEM表征;(B)-(C)液态金属选择性粘附的SEM表征;(D)-(E)墨粉和液态金属选择性粘附的光学轮廓仪表征;(F)-(H)液态金属在碳粉上选择性成型的计算流体动力学(CFD)模拟,时间依次为0、300、600 us。

 

研究人员对该方法制备的液态金属电路进行了电性能和稳定性测试,发现该方法制备的电路在弯曲、拉伸、压力测试中均具有良好的导电性和稳定性。利用该方法制备的液态金属可拉伸LED电路、RFID电路具有较高的工作稳定性(图4)。利用液态金属的粘性,研究人员将选择性成型电路转移到了目标三维表面,快速构筑各种各样的液态金属三维柔性电路(图5)。

 



图4. 多重转印实现快速构筑液态金属可拉伸LED电路、RFID电路。

 



图5. 多重转印实现快速构筑液态金属三维柔性LED电路柔性电路。

 

该技术简便快捷、成本低,整个过程在常温下完成,无需借助复杂的电子制造装备,所实现的电路展示出优异的导电性和机械耐久性,工作为利用常规激光打印技术规模化普及应用液态金属柔性电子提供了广阔空间。三维柔性电路的液态金属多模式转印方法的提出,打破了已有技术的应用和成本极限,可望在广泛领域得到规模化普及应用,将大大助推液态金属电子应用技术的普及化。论文发表在国际知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上,文章共同第一作者为中科院理化所硕士生赵瑞琪及清华大学博士生国瑞,通讯作者为刘静教授。

 



 

以上研究得到国家自然科学重点基金、中国科学院院长基金及前沿项目等资助。相关成果分别发表在SCIENCE CHINA Materials (10.1007/s40843-018-9400-2),和ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上。

 

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08931

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-018-9400-2

 

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传统PCB板制备属减材制造,制备方法较为复杂,生成的电路具有高机械强度,不适于柔性电子的制备。近来,柔性电子制造技术的发展备受关注,液态金属是一种室温下具有流动性和高导电率的材料,在全球范围日益正被不断引入到柔性印刷电子的研究。比起其他导电墨水,液态金属具有导电率高,不用烧结的优点,其电路的制备方法包括液态金属直写、毛细填充、掩膜印刷等。

两年前,中科院理化所/清华大学刘静团队首次将激光打印技术引入液态金属电路制备中,通过在涂有PU胶水的热转印纸表面,借助激光打印数字化构建墨粉掩模,使液态金属可以选择性粘附于PU胶水表面,快速构建了Ga基导电图案,步骤示意图如图1所示。该方法为液态金属快速成型提供了一种新思路,方法便捷、快速。不过这种方法当时主要适用于二维平面。

 

1. 基于热转印纸/PU胶水/墨粉的液态金属图案制备方法

 

近日,在前期工作的基础上,该团队发明了一种低成本快速构筑液态金属三维柔性电路的多模式移印方法。研究人员首先采用激光打印在铜纸板上数字化构建了乳液聚合墨粉, 由此可将镓基液态金属选择性成型在墨粉基底上;进一步地,由液态金属组成的导电图案可作为图章转而被移印至各种凹凸的弹性三维表面上,从而最终构筑出所预期的三维柔性电路,步骤示意图如图2所示。这种方法中采用的导电墨水为兼具特定粘性和流动性的Cu-EGaIn,由于掺杂了铜,所制成的导电墨水具有较高的电导率。新方法实现了基于激光打印液态金属墨粉正向图案化三维表面移印的三步曲。

 

 

2. 基于乳液聚合墨粉/液态金属的快速构筑三维柔性电路流程:(A)墨粉选择性电路快速制备(i)液态金属纸基LED阵列及(ii)液态金属保形3D表面LED阵列;(B)各种液态金属印制元素。

 

研究人员通过SPM考察墨粉基底与铜纸板基底的微观表面形貌发现,两种基底存在明显的表面粗糙度差异,在图3中,研究人员利用SEM和光学轮廓仪表征了墨粉和粘附了液态金属的墨粉,并依测得的实验数据,在微观轮廓上对液态金属的退浸润行为进行了计算流体力学模拟。

 

3. 微观轮廓表征和数值模拟。(A)铜版纸上宽度为150um的墨粉的SEM表征;(B-C)液态金属选择性粘附的SEM表征;(D-E)墨粉和液态金属选择性粘附的光学轮廓仪表征;(F-H)液态金属在碳粉上选择性成型的计算流体动力学(CFD)模拟,时间依次为0300600 us

 

研究人员对该方法制备的液态金属电路进行了电性能和稳定性测试,发现该方法制备的电路在弯曲、拉伸、压力测试中均具有良好的导电性和稳定性。利用该方法制备的液态金属可拉伸LED电路、RFID电路具有较高的工作稳定性(图4)。利用液态金属的粘性,研究人员将选择性成型电路转移到了目标三维表面,快速构筑各种各样的液态金属三维柔性电路(图5)。

 

4. 多重转印实现快速构筑液态金属可拉伸LED电路、RFID电路。

 

5. 多重转印实现快速构筑液态金属三维柔性LED电路柔性电路。

 

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以上研究得到国家自然科学重点基金、中国科学院院长基金及前沿项目等资助。相关成果分别发表在SCIENCE CHINA Materials (10.1007/s40843-018-9400-2),ACS Applied Materials & Interfaces(10.1021/acsami.0c08931)上。

 

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c08931

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