中科院理化所供圖
是否想過(guò)，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(xiàng)研究或許可以讓這一想象變成現(xiàn)實(shí)。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員劉靜帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，首次研制出紙上直接生成電子電路的技術(shù)，并做出了桌面式3D自動(dòng)打印原型樣機(jī)。有了這臺(tái)設(shè)備，設(shè)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(shí)、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(dǎo)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(dǎo)電，常常需要采用導(dǎo)電聚合物或添加納米顆粒材料并通過(guò)高溫固化或特定化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。液態(tài)金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進(jìn)了一大步，它的基本觀念在于：“墨水”就是液態(tài)金屬，打出來(lái)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(xué)藥水做處理，經(jīng)過(guò)刻蝕等步驟才能形成自己的設(shè)計(jì)。而新的液態(tài)金屬打印方法，讓漫長(zhǎng)的設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)簡(jiǎn)單的電子電路，測(cè)試后導(dǎo)電性、可靠性良好。理論上，特別復(fù)雜的電路或電子元器件也可以打出來(lái)。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(duì)復(fù)雜電路圖案，時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)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(diǎn)，是一種綠化、環(huán)保、價(jià)廉的電路材料。
新方法將顯著擴(kuò)展3D打印的應(yīng)用范圍
印刷電子的實(shí)現(xiàn)前提是“墨水”應(yīng)具備流動(dòng)性。為尋找室溫下直接生產(chǎn)電子電路的方法，劉靜團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)液態(tài)金屬輸送機(jī)理的深入剖析，終于攻克了這一難題。 值得一提的是，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了3D機(jī)電復(fù)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(fù)雜電路及其支撐件的直接生成。
“當(dāng)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(shuō)，液態(tài)金屬印刷電子方法將顯著擴(kuò)展3D打印技術(shù)的應(yīng)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(shí)還很遠(yuǎn)，但劉靜更看重的，是這一理念背后蘊(yùn)含的未來(lái)電子器件個(gè)性化制造的可能性。專家認(rèn)為，這一技術(shù) 有望改變傳統(tǒng)電子電路制造規(guī)則。個(gè)性化的電路設(shè)計(jì)方法，使其在電子工程、個(gè)性化電子元件設(shè)計(jì)和制造加工、創(chuàng)意設(shè)計(jì)等方面有較大的應(yīng)用空間。劉靜認(rèn)為，這一 技術(shù)還有望占領(lǐng)電子紙市場(chǎng)一展拳腳。據(jù)總部設(shè)在英國(guó)劍橋的市場(chǎng)研究咨詢公司IDTechEx預(yù)測(cè)，2013年電子紙市場(chǎng)估計(jì)約160億美元，這一數(shù)字在 2023年將增長(zhǎng)至近770億美元。
未來(lái)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(huà)出的未來(lái)圖景。
“紙張能作為電子元件的集成載體，意義很大。”劉靜認(rèn)為，目前紙張載體還存在吸水、強(qiáng)度不足等弱點(diǎn)，但潛力很大，隨著技術(shù)完善，將開(kāi)發(fā)出更多種類適合打印電路的紙張，也能促成更多應(yīng)用。
當(dāng)前，大規(guī)模的集成電路生產(chǎn)方式仍是主流，技術(shù)成熟，有規(guī)模成本優(yōu)勢(shì)。基于液態(tài)金屬印刷電子方法，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)用還有很大距離。
其一，便是對(duì)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)，得依賴多種“墨水”交互自動(dòng)化使用。在硬件發(fā)展方面，還需提高 打印設(shè)備的自動(dòng)化水平，只有研發(fā)出適用面廣、成本適中的桌面自動(dòng)打印系統(tǒng)，才能真正進(jìn)入“尋常百姓家”。另外，足夠豐富的應(yīng)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(guān)應(yīng)用，以確保即便沒(méi)有電子設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的人士也能借助預(yù)設(shè)于計(jì)算機(jī)中的控制軟件，打印出電子賀卡、顯示器、廣 告牌、機(jī)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(píng)價(jià)的那樣：這意味著打開(kāi)了極為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域乃至通過(guò)家用打印機(jī)制造電子器件的大門(mén)。