柔性電路：可通過3D列印製造！

導讀

據德國電子同步加速器研究所（DESY）官網近日報道，該機構與漢堡大學合作開發出一項適合3D列印技術的工藝，它可以用於製造透明並具有機械柔性的電子電路。

背景

柔性電子，是近年來非常熱門的一項新興技術。不同於傳統電子器件給我們帶來的僵硬呆板的印象，柔性電子產品能在一定範圍的形變（彎曲、摺疊、扭轉、壓縮或拉伸）條件下正常工作。

（圖片來源：美國國家科學基金會）

目前，柔性電子已經成為交叉學科中的研究熱點之一，它涵蓋有機電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等領域，其產品包括RFID、柔性顯示、OLED顯示與照明、柔性感測器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲器件、柔性電池、可穿戴設備、電子皮膚等。

下圖所示：柔性太陽能電池（由Epishine AB提供）、電子紙、壓電織物

（圖片來源：Johan Bodell/查爾姆斯理工大學）

創新

近日，德國漢堡大學與德國電子同步加速器研究所（DESY）的合作開發了一項適合3D列印技術的工藝，它可以用於製造透明並具有機械柔性的電子電路。這些電子器件由銀納米線網路組成，這些銀納米線可以懸浮地列印，並嵌入到各種柔性和透明塑料（聚合物）中。

銀納米線網路（圖片來源：漢堡大學, Ferdinand Otto）

根據漢堡大學托姆克·格勒（Tomke Glier）以及她的同事們在《科學報告（Scientific Report）》期刊上的報道，這項技術可以開啟新的應用，例如列印發光二極體、太陽能電池或者具有集成電路的工具。目前，研究人員們正在演示他們的工藝在製造柔性電容以及其他產品方面的潛力。

技術

來自DESY、漢堡大學、馬克斯·普朗克學會聯合打造的自由電子激光科學中心（CFEL）的米歇爾·呂布豪森（Michael Rübhausen）表示：「這項研究的目標在於為不同的應用設計可3D列印的聚合物。通過我們的新方案，我們想要將電子器件集成到現有的結構單元中，並改進元器件的體積與重量。」

這位漢堡大學物理系教授與DESY研究員、位於斯德哥爾摩的瑞典摩皇家理工學院教授史蒂文·羅斯（Stephan Roth）一起領導了這個項目。採用來自DESY研究光源PETRA III的明亮光線以及其他的測量方法，團隊精準地分析了聚合物中納米線的特性。

格勒解釋道：「這項技術的核心就是銀納米線，它形成了導電網路。」一般來說，銀線的厚度為幾十納米，長度為10到20微米。詳細的X光分析表明，聚合物中納米線的結構並沒有發生變化，但是網格的導電性由於聚合物的擠壓而得到了提升，因為聚合物在固化過程中產生了收縮。

銀納米線懸浮地施加到基底上並且變干。DESY X射線光源PETRA III的P03測量站（X射線研究發生的地方）的領頭人羅斯解釋道：「由於成本因素，目標就是以儘可能少的納米線實現最高的導電性。這也將提升材料的透明度。他們通過這種方式，一層接一層地製造出導電路徑或者表面。」柔性聚合物被施加到導電軌跡上，然後它會被導電軌跡和接觸覆蓋。根據幾何形狀和使用的材料，各種導電元件都可以通過這種方式印刷。

在這篇論文中，研究人員們製造了一個柔性電容。格勒解釋道：「在實驗室中，我們展開了分層工藝中的單獨工作步驟，但是實際上他們之後會被完全轉移至3D印表機。」呂布豪森表示：「然而，傳統的3D列印技術通常為了單獨的印刷墨水進行優化。為此，進一步開發傳統的3D列印技術也很有必要。在基於噴墨的工藝中，列印噴嘴會被納米結構阻塞。」

柔性電容（圖片來源：漢堡大學, Tomke Glier）

未來

下一步，研究人員們想要測試由納米線組成的導電路徑結構如何在機械壓力下產生改變。針對這個問題，羅斯表示：「在彎曲時，這些網路能在一起保持得多好？聚合物能夠保持得多穩定？X射線非常適合於研究這些問題，因為它是我們深入研究材料並且分析導電路徑與納米線表面的唯一途徑。」

關鍵字

柔性電子、納米線、3D列印

參考資料

【1】Tomke E. Glier, Lewis Akinsinde, Malwin Paufler, Ferdinand Otto, Maryam Hashemi, Lukas Grote, Lukas Daams, Gerd Neuber, Benjamin Grimm-Lebsanft, Florian Biebl, Dieter Rukser, Milena Lippmann, Wiebke Ohm, Matthias Schwartzkopf, Calvin J. Brett, Toru Matsuyama, Stephan V. Roth, Michael Rübhausen. Functional Printing of Conductive Silver-Nanowire Photopolymer Composites. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 10.1038/s41598-019-42841-3

【2】https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1623&two_columns=1

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