開發出超快速柔性電子製造技術

近日，清華大學醫學院生物醫學工程系聯合中國科學院理化技術研究所，在《中國科學：材料科學》(Science China Materials)上在線發表了題為「基於半液態金屬選擇性黏附機理的滾動塗覆與轉印技術：普適性柔性電子快速製造方法」(Semi-liquid Metal and Adhesion-selection enabled Rolling and Transfer (SMART) Printing: A Generalized Method towards Fast Fabrication of Flexible Electronics, 2019)的研究論文。此項工作首次報道了一種具有普適意義的超快速柔性電子製造技術，可在數秒鐘之內列印出大面積高精度複雜液態金屬電路，速度遠遠超過迄今已發展的各種電子加工技術，相應方法按其英文縮寫被命名為SMART Printing（智慧印刷）。文章第一作者為生物醫學工程系三年級博士生國瑞，通訊作者為劉靜教授。

眾所周知，印刷電路板在人們日常生活中扮演著十分重要的角色，在工業生產、國防安全以及醫療健康領域有著極為廣泛的應用。傳統的印刷電路板製備工藝十分複雜，需要經過十幾道工序加工而成，全流程下來較為耗時耗電，且伴有大量環境污染。近年來，柔性電子異軍突起，日益受到人們關注。不同於傳統剛性電路板，柔性電路板可以隨意彎曲、摺疊乃至拉伸，這使其在可穿戴設備、攜帶型醫療、皮膚電子等領域有著重大價值。

在液態金屬柔性電子領域有著十餘年研究經驗的劉靜小組，基於前期對液態金屬材料大量特性的研究發現，在室溫下呈液態的鎵基合金與固體金屬微粒（Ni）的混合可製備出具有高粘度、可塑性的半液態金屬材料(Ni-EGaIn)。此類材料在不同基底表面上的黏附性存在巨大差異，利用這種差異性可快速印製出圖案化液態金屬電路。實驗證實，半液態金屬材料在PU膠膜上具有極高粘附性，而在碳粉上則粘附性較差。為此，研究小組首先引入激光列印方法將碳粉圖案沉積到塗覆有PU膠膜的紙張上，再藉助半液態金屬材料在兩類基底上粘附性的顯著差異，通過滾動塗覆方式，在極短時間內（

圖1 智慧列印（SMART Printing）技術操作流程及印製出的導電圖案

採用上述製造原理，研究小組製成了一系列柔性和可拉伸功能電路（圖2），如多層電路、大面積電路（圖3）以及可拉伸感測器（圖4）等，試驗展示出各相應器件優良的電學穩定性、適應性及可回收優點。文中所建立方法的實施無需複雜設備，製造出的柔性電路可用於穿戴式醫療設備，這為個性化醫療電子的實現提供了全新途徑。

圖2 採用智慧列印技術製備出的多層電路

圖3 採用智慧列印技術製備的大面積導電圖案

圖4 採用智慧列印技術製備並組裝的可拉伸感測器功能電子電路及性能

值得一提的是，在此工作稍早前，由清華大學、中科院理化所與北京夢之墨公司組成的聯合研究組，已在液態金屬柔性電子快速製備工藝探索上取得突破。在一篇以封面（圖5）故事形式發表於知名期刊《先進材料：技術》(Advanced Materials Technologies)上的題為「一步法液態金屬轉印：適用於廣泛基底的柔性電子製造」(One-Step Liquid Metal Transfer Printing: Toward Fabrication of Flexible Electronics on Wide Range of Substrates, 2018)的論文中，作者們開發出了一種紙基電子印刷技術，可利用液態金屬材料在PMA膠水和紙張表面的選擇性粘附機制將其轉印到目標紙面。此外，為促成液態金屬先進位造領域的持續快速發展，研究小組還於近期出版了國內外首部《液態金屬印刷電子學》（上海科學技術出版社，2019）（圖5），構建了這一新興領域的理論與技術體系，填補了相應學術文獻空白。

圖5 期刊封面反映的液態金屬轉印方法(左)及《液態金屬印刷電子學》著作封面(右)

以上關於液態金屬印刷電子學技術的最新進展，為可穿戴式醫療及個性化電子健康產品的快速製造提供了嶄新的技術和工具，具有十分重要的科學意義和應用價值。

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