中科院理化所研發出世界首台全自動液態金屬個人電子電路打印機
http://www.ipc.ac.cn/xwzx/kydt/201404/t20140411_4088708.html
經數年時間從基礎研究到應用層面的持續推進，由劉靜研究員帶領的理化所科研團隊在印刷電子學領域取得重大技術突破，研發出世界首台全自動液態金屬個人電子電路打印機。其中，部分基礎成果於近日發表於Nature出版集團旗下期刊Scientific Reports（論文鏈接）上，論文作者為鄭義、何志祝、楊駿、劉靜。同時，集合團隊力量研發的面向個人終端用戶的打印設備也已完成設計和製造，即將進入市場，參與研發的主要人員還包括楊陽、陳柏煒、金海嵐、鄧中山等。
迄今為止，傳統電子電路的製造仍是一個耗時、耗材、耗能且會造成潛在環境污染的複雜工藝過程，大多只能在設備齊全、投資大的工廠進行。隨時隨地實現電子電路的直接打印是全球科學界與工業界的一個夢想，但存在巨大挑戰，其中既有設備硬件的限制，也有來自高性能電子墨水的因素，更受到固有理論框架的制約。
液態金屬打印機的發明和問世，在技術理念上完全改變了傳統模式，打破了個人電子製造的技術瓶頸和壁壘，使得在極低成本下快速、隨意地製作電子電路成為現實。應用該設備，即使沒有任何電子學經驗的個人甚至孩童也能通過電腦操控，短時內即可直接打印出從網上訂製的電路圖案並製作出自己的終端功能器件，一定程度上實現了電子硬件的直接下載。
在Scientific Reports這篇題為“Personal Electronics Printing via Tapping Mode Composite Liquid Metal Ink Delivery and Adhesion Mechanism”的論文中，研究小組攻克了制約液態金屬打印技術在通向實用化道路中的一系列關鍵科學與技術問題，首次建立了一種全新原理的室溫液態金屬打印方法，通過集合了上下敲擊式進墨、旋轉及平動輸運、轉印乃至壓印黏附到基底等複合過程在內的流體輸運方式，解決了金屬墨水表面張力高難以通過常規方法平穩驅動的難題，其中的印刷失穩機理也得以初步揭示，所獲得的高度均一的打印精度和質量，已能滿足當前大多數印刷電路板（PCB）的要求。最為關鍵的是，這一電子電路打印機已具有很高的性價比，批量製造後其成本將處於個人可承受範圍內，這預示着電子製造正在步入平民化進程。為展示這一全新技術在廣泛領域的價值，研究小組還探明了液態金屬電子打印機在近10個方向上的開拓性應用，如複雜大面積柔性PCB、電學傳感器、電子藝術、電子裝飾、電子化建築設計、人物肖像、電路單元、電子賀卡、電子圖案乃至功能電子器件等的即時打印和製作。這種立等可取的個性化電子製造模式除了將對傳統電子工程學帶來觀念性變革外，也將為科學與藝術、人文、教育、文化創意等的交叉融合創造全新的機遇。
以上成果的取得是理化所團隊在長期實踐中不斷探索的結果。此前，為實現液態金屬的全自動打印並發展具有普適意義的電子打印機，研究小組幾乎窮盡了各種可能的打印原理如氣壓驅動、微接觸印刷、絲網印刷、卷對卷印刷、熱泡噴墨驅動、激光打印等，但所形成的機構或是無法驅動金屬墨水，或是自動化程度不高，或是整套打印設備成本過於高昂而無法進入千家萬戶。正是基於對液態金屬驅動機理的系統探索和反覆嘗試，融合了輕敲、旋轉、壓印等輸運機理在內的複合式液態金屬打印方法得以建立。
液態金屬印刷電子學是嶄新的學科前沿，由劉靜研究員集合10餘年來在液態金屬領域的長期積累於國內外首次提出。為建立相應的理論與製造技術體系，團隊圍繞這一領域的基礎和應用問題開展了大量深入細緻的探索。2013年取得了一系列代表性工作：紙上印刷電路及液態金屬3D打印技術、“夢之墨”技術、皮膚電路直接繪製技術、可植入式醫療電子在體3D打印、液態金屬電子手寫筆以及可在任意表面製造電路的霧化打印方法等，這些技術均因其開拓性在國際上產生較大反響，相繼為眾多知名科學媒體或刊物如MIT Technology Review, Chemistry World, Nature Asia, IEEE Spectrum, National Geographic Daily News, CCTV，中國科學報、人民日報等廣泛評介，相應技術還受到眾多國際、國內知名電子製造商的青睞。為適應未來對金屬墨水日益增長的需求，研究小組還原創性地提出了旨在發現系列新型功能電子墨水的液態金屬材料基因組研究計劃，以推動這一領域的發展。
此次實用化全自動液態金屬打印機的成功研製，開啟了全新的電子電路製造模式。相應技術易於普及到家庭、辦公室、學校、工廠乃至工業設計、藝術探索、文化創意等應用領域，是極具普適性和基礎性的電子製造工具。
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