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中科院攻克“金属墨水”印刷电子技术

2013-10-17 18:12:13      点击:
    家里的一根电路断了,不需要找专业的电工上门修理,只需用笔“画”一下,就完成了接驳;用特殊墨水在手工制作的贺卡上“画”出一个心形图案、在图案中接上几个小LED灯,一个闪耀着心形图案的电子贺卡就做好了。近日,中国科学院理化技术研究所、清华大学生物医学工程系双聘教授刘静带领的团队,在印刷电子学领域取得了突破性进展。利用该团队研制的“金属墨水”,电路可以这样随心所欲地“打印”出来、“画”下来了。


    电路板轻松“画”出来


    走进位于中关村东路的中科院理化所实验室,一块透明塑料薄板上闪耀着的银色图案,在入窗阳光的照耀下闪动。凑上前一看,原来塑料薄板上竟然有一幅银色彩笔绘出的凤凰图案,线条细腻流畅,夺目动人。


    中科院理化所的实验室里,还有人搞艺术创作?


    “这银色的线条可不是普通彩笔画出来的,是我们用液体金属墨水画上去的。”刘静笑了笑。在凤凰图案的两端接上电池,凤凰身上半个指甲盖大小的LED灯竟然就闪耀了起来。


    刘静介绍,这银色墨水可以直接导电,用它画出来的银色图案连接上电源、LED灯,就已经是一块简易的电路板了。


    要知道,传统金属箔蚀刻法制造电路板,需要经过高温铜膜蒸镀、化学试剂蚀刻等好几个复杂环节。这样“画”出电路板的技术,究竟是如何实现的呢?


    刘静向记者“秀”出了一支笔。原来,这支与普通签字笔没什么两样的笔,竟然就是“画”出电路图的工具。只不过,签字笔里流出的是普通墨水,而这支笔里流出来的是金属墨水。


    10年“酿”出“金属墨水”


    电路板是电子工业的重要部件之一。小到电子手表、计算器,大到计算机、平板电脑,每种电子设备要想发挥作用,都必须用到电路板。然而,传统的电路板制造流程要先设计好电路图,然后送到工厂加工,费时费力,而且还有明显的高污染、高能耗缺点。


    “液体金属打印技术能够很好的解决传统制造方法的问题,电路直接‘画’出来,不用再经过蚀刻、蒸镀这些高能耗的过程了。”刘静介绍,需要什么样的电路,直接“画”上去、打印上就行了,传统的7到8道工序一下子被缩短至2到3道,快速灵活。


    这种有望重塑集成电路产业的墨水,全名叫基于金属及合金墨水的手写电子技术,又称“梦之墨”。10年前,刘静意识到液态金属研究的科学意义和重大价值,并着力开始研究。几大箱纸质文献一一翻看、查找、复印,一种种金属组分反复试验、配比,终于研究出了以镓为主元素的合金组合,能够在常温下保持液态,也就是神奇的“液态金属”。


    然而,在杯子里能够像水一样流动的液体金属并不能立刻变成可书写的金属墨水。把墨水灌进特制的笔中,要么压根没有墨水从笔尖流出,要么就是写下的笔迹是一摊一摊的墨水堆。


    “液体金属的表面张力太大,导致它根本没法像普通墨水一样喷出来,形成字迹。”刘静回忆,一遍遍实验中对液体金属加以摸索和进行“改性”后,团队才终于解决了液体金属粘附性、流动性等问题。


    研制出“金属墨水”3D打印机


    “金属墨水”除了能在手写笔中自由书写,还能灌入特制的3D打印机中,用机械方式精确地把电路设计图打印出来,作为电路板使用。


    据悉,刘静团队目前已经研制出了以液体金属这种“金属墨水”为原料的3D制造装置原型及液态金属打印机,价格与普通的激光打印设备已经十分接近。利用这种3D打印机,人们不但可以打印平面电路,还能完成立体复杂电路及其支撑件的直接生成。相比液体金属手写笔可以随意书写的特点,3D打印机能够更快地将金属墨水应用于电路板的批量生产。


    “从前,3D打印机大多只能用树脂、塑料等材料打印模型,辅助设计、生产外壳还行,要打印包含电子功能的复合器件可就不行了。”刘静说,液态金属印刷电子方法将显著扩展3D打印技术的应用范围。在不久的将来,普通人能接触到的3D打印技术将不再是只能打印树脂模型、塑料外壳的“花拳绣腿”,而是可以直接打印出电子贺卡、显示器、太阳能光伏电池、计算器等电子产品的“马良神笔”了。


    除了应用在电子产品制造领域,“金属墨水”还能在更广阔的天地发挥作用。比如若把它画在皮肤上,就为连接电子设备、进行人体心电信号等生理参数的测量提供很大的便利。