中科院理化所供圖
是否想過，你在家里能像打印word文檔一樣輕松地“打”出一張電路板，然后組裝出自己喜歡的玩具？
近日，一項研究或許可以讓這一想象變成現(xiàn)實。中國科學院理化技術研究所研究員劉靜帶領的科研團隊，首次研制出紙上直接生成電子電路的技術，并做出了桌面式3D自動打印原型樣機。有了這臺設備，設定好程序，就可以“打”出自己需要的電路系統(tǒng)了。
“墨水”就是液態(tài)金屬，電路直接打印在紙上
紙上“打印”電子電路，得益于室溫狀態(tài)下液態(tài)金屬直接印刷電子方法的突破。
劉靜介紹，常規(guī)的電路板制造工序通常較為耗時、耗材、耗能，而印刷電子方法就像印刷文字一樣，直接在基板上形成能導電的線路和圖案，能將傳統(tǒng)的7—8道工序縮短至3—4道，快速靈活。
但這種方法受到“墨水”的束縛。為了讓印上去的“墨水”導電，常常需要采用導電聚合物或添加納米顆粒材料并通過高溫固化或特定化學反應來實現(xiàn)。液態(tài)金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進了一大步，它的基本觀念在于：“墨水”就是液態(tài)金屬，打出來就能成為電路。
傳統(tǒng)工藝下，電子工程師若需更改電路板，需用化學藥水做處理，經(jīng)過刻蝕等步驟才能形成自己的設計。而新的液態(tài)金屬打印方法，讓漫長的設計過程變得唾手 可得。劉靜介紹，他們已經(jīng)在紙上打印出各種相對簡單的電子電路，測試后導電性、可靠性良好。理論上，特別復雜的電路或電子元器件也可以打出來。據(jù)了解，打 印一張A4紙大小的紙基電路板，目前只需要十幾分鐘，但對復雜電路圖案，時間可能會長一些。
劉靜表示，相比于常用的塑料基底，紙張具有成本低、便攜、易降解、折疊，回收利用方便等特點，是一種綠化、環(huán)保、價廉的電路材料。
新方法將顯著擴展3D打印的應用范圍
印刷電子的實現(xiàn)前提是“墨水”應具備流動性。為尋找室溫下直接生產(chǎn)電子電路的方法，劉靜團隊通過對液態(tài)金屬輸送機理的深入剖析，終于攻克了這一難題。 值得一提的是，研究團隊還實現(xiàn)了3D機電復合系統(tǒng)的直接打印。這意味著，新方法不但可以打印平面電路，還能完成立體復雜電路及其支撐件的直接生成。
“當前的3D打印大多只能打印模型自身，還不能打出包含電子功能在內(nèi)的器件。”劉靜說，液態(tài)金屬印刷電子方法將顯著擴展3D打印技術的應用范圍。
紙張代替塑料、直接打印取代集成生產(chǎn)，雖然離現(xiàn)實還很遠，但劉靜更看重的，是這一理念背后蘊含的未來電子器件個性化制造的可能性。專家認為，這一技術 有望改變傳統(tǒng)電子電路制造規(guī)則。個性化的電路設計方法，使其在電子工程、個性化電子元件設計和制造加工、創(chuàng)意設計等方面有較大的應用空間。劉靜認為，這一 技術還有望占領電子紙市場一展拳腳。據(jù)總部設在英國劍橋的市場研究咨詢公司IDTechEx預測，2013年電子紙市場估計約160億美元，這一數(shù)字在 2023年將增長至近770億美元。
未來電子制造業(yè)可能不在工廠里，而是在辦公室或家里，這是劉靜勾畫出的未來圖景。
“紙張能作為電子元件的集成載體，意義很大。”劉靜認為，目前紙張載體還存在吸水、強度不足等弱點，但潛力很大，隨著技術完善，將開發(fā)出更多種類適合打印電路的紙張，也能促成更多應用。
當前，大規(guī)模的集成電路生產(chǎn)方式仍是主流，技術成熟，有規(guī)模成本優(yōu)勢。基于液態(tài)金屬印刷電子方法，要實現(xiàn)大規(guī)模運用還有很大距離。
其一，便是對金屬“墨水”劑量的控制。此外，液態(tài)金屬的種類很有限，而要實現(xiàn)復雜設計，得依賴多種“墨水”交互自動化使用。在硬件發(fā)展方面，還需提高 打印設備的自動化水平，只有研發(fā)出適用面廣、成本適中的桌面自動打印系統(tǒng)，才能真正進入“尋常百姓家”。另外，足夠豐富的應用程序和軟件也是推廣的重要前 提。劉靜希望，今后有更多的科研人員參與研發(fā)相關應用，以確保即便沒有電子設計經(jīng)驗的人士也能借助預設于計算機中的控制軟件，打印出電子賀卡、顯示器、廣 告牌、機器人乃至光伏電池陣列等電子產(chǎn)品。
雖然困難重重，但正如業(yè)界評價的那樣：這意味著打開了極為廣闊的應用領域乃至通過家用打印機制造電子器件的大門。