清华大学开发出超快速柔性电子制造技术

近日，清华大学医学院生物医学工程系联合中国科学院理化技术研究所，在《中国科学：材料科学》(Science China Materials)上在线发表了题为“基于半液态金属选择性黏附机理的滚动涂覆与转印技术：普适性柔性电子快速制造方法”(Semi-liquid Metal and Adhesion-selection enabled Rolling and Transfer (SMART) Printing: A Generalized Method towards Fast Fabrication of Flexible Electronics, 2019)的研究论文。此项工作首次报道了一种具有普适意义的超快速柔性电子制造技术，可在数秒钟之内打印出大面积高精度复杂液态金属电路，速度远远超过迄今已发展的各种电子加工技术，相应方法按其英文缩写被命名为SMART Printing（智慧印刷）。文章第一作者为生物医学工程系三年级博士生国瑞，通讯作者为刘静教授。

众所周知，印刷电路板在人们日常生活中扮演着十分重要的角色，在工业生产、国防安全以及医疗健康领域有着极为广泛的应用。传统的印刷电路板制备工艺十分复杂，需要经过十几道工序加工而成，全流程下来较为耗时耗电，且伴有大量环境污染。近年来，柔性电子异军突起，日益受到人们关注。不同于传统刚性电路板，柔性电路板可以随意弯曲、折叠乃至拉伸，这使其在可穿戴设备、便携式医疗、皮肤电子等领域有着重大价值。

在液态金属柔性电子领域有着十余年研究经验的刘静小组，基于前期对液态金属材料大量特性的研究发现，在室温下呈液态的镓基合金与固体金属微粒（Ni）的混合可制备出具有高粘度、可塑性的半液态金属材料(Ni-EGaIn)。此类材料在不同基底表面上的黏附性存在巨大差异，利用这种差异性可快速印制出图案化液态金属电路。实验证实，半液态金属材料在PU胶膜上具有极高粘附性，而在碳粉上则粘附性较差。为此，研究小组首先引入激光打印方法将碳粉图案沉积到涂覆有PU胶膜的纸张上，再借助半液态金属材料在两类基底上粘附性的显著差异，通过滚动涂覆方式，在极短时间内（<10s）即将半液态金属材料选择性印制到A4大小纸张上的目标部位，可以说瞬间制出所需电路（图1）。利用该技术制备的柔性电路，最高精度已达50微米，且在基底弯曲折叠过程中仍能保持电路连接的稳定性。研究进一步指出，新方法较具普适性，半液态金属材料在更多基底材料如柔性硅胶（Ecoflex）表面也具有较高粘附性。基于此现象，同样可利用转印方式将半液态金属墨水材料沉积到柔性硅胶表面的目标部位，由此快速制备出可拉伸柔性电路。

图1 智慧打印（SMART Printing）技术操作流程及印制出的导电图案

采用上述制造原理，研究小组制成了一系列柔性和可拉伸功能电路（图2），如多层电路、大面积电路（图3）以及可拉伸传感器（图4）等，试验展示出各相应器件优良的电学稳定性、适应性及可回收优点。文中所建立方法的实施无需复杂设备，制造出的柔性电路可用于穿戴式医疗设备，这为个性化医疗电子的实现提供了全新途径。

图2 采用智慧打印技术制备出的多层电路

图3 采用智慧打印技术制备的大面积导电图案

图4 采用智慧打印技术制备并组装的可拉伸传感器功能电子电路及性能

值得一提的是，在此工作稍早前，由清华大学、中科院理化所与北京梦之墨公司组成的联合研究组，已在液态金属柔性电子快速制备工艺探索上取得突破。在一篇以封面（图5）故事形式发表于知名期刊《先进材料：技术》(Advanced Materials Technologies)上的题为“一步法液态金属转印：适用于广泛基底的柔性电子制造”(One-Step Liquid Metal Transfer Printing: Toward Fabrication of Flexible Electronics on Wide Range of Substrates, 2018)的论文中，作者们开发出了一种纸基电子印刷技术，可利用液态金属材料在PMA胶水和纸张表面的选择性粘附机制将其转印到目标纸面。此外，为促成液态金属先进制造领域的持续快速发展，研究小组还于近期出版了国内外首部《液态金属印刷电子学》（上海科学技术出版社，2019）（图5），构建了这一新兴领域的理论与技术体系，填补了相应学术文献空白。

图5 期刊封面反映的液态金属转印方法(左)及《液态金属印刷电子学》著作封面(右)

以上关于液态金属印刷电子学技术的最新进展，为可穿戴式医疗及个性化电子健康产品的快速制造提供了崭新的技术和工具，具有十分重要的科学意义和应用价值。