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中科院攻克“金屬墨水”印刷電子技術

2013-10-17 18:12:13??????點擊:
    家里的一根電路斷了,不需要找專業的電工上門修理,只需用筆“畫”一下,就完成了接駁;用特殊墨水在手工制作的賀卡上“畫”出一個心形圖案、在圖案中接上幾個小LED燈,一個閃耀著心形圖案的電子賀卡就做好了。近日,中國科學院理化技術研究所、清華大學生物醫學工程系雙聘教授劉靜帶領的團隊,在印刷電子學領域取得了突破性進展。利用該團隊研制的“金屬墨水”,電路可以這樣隨心所欲地“打印”出來、“畫”下來了。


    電路板輕松“畫”出來


    走進位于中關村東路的中科院理化所實驗室,一塊透明塑料薄板上閃耀著的銀色圖案,在入窗陽光的照耀下閃動。湊上前一看,原來塑料薄板上竟然有一幅銀色彩筆繪出的鳳凰圖案,線條細膩流暢,奪目動人。


    中科院理化所的實驗室里,還有人搞藝術創作?


    “這銀色的線條可不是普通彩筆畫出來的,是我們用液體金屬墨水畫上去的?!眲㈧o笑了笑。在鳳凰圖案的兩端接上電池,鳳凰身上半個指甲蓋大小的LED燈竟然就閃耀了起來。


    劉靜介紹,這銀色墨水可以直接導電,用它畫出來的銀色圖案連接上電源、LED燈,就已經是一塊簡易的電路板了。


    要知道,傳統金屬箔蝕刻法制造電路板,需要經過高溫銅膜蒸鍍、化學試劑蝕刻等好幾個復雜環節。這樣“畫”出電路板的技術,究竟是如何實現的呢?


    劉靜向記者“秀”出了一支筆。原來,這支與普通簽字筆沒什么兩樣的筆,竟然就是“畫”出電路圖的工具。只不過,簽字筆里流出的是普通墨水,而這支筆里流出來的是金屬墨水。


    10年“釀”出“金屬墨水”


    電路板是電子工業的重要部件之一。小到電子手表、計算器,大到計算機、平板電腦,每種電子設備要想發揮作用,都必須用到電路板。然而,傳統的電路板制造流程要先設計好電路圖,然后送到工廠加工,費時費力,而且還有明顯的高污染、高能耗缺點。


    “液體金屬打印技術能夠很好的解決傳統制造方法的問題,電路直接‘畫’出來,不用再經過蝕刻、蒸鍍這些高能耗的過程了?!眲㈧o介紹,需要什么樣的電路,直接“畫”上去、打印上就行了,傳統的7到8道工序一下子被縮短至2到3道,快速靈活。


    這種有望重塑集成電路產業的墨水,全名叫基于金屬及合金墨水的手寫電子技術,又稱“夢之墨”。10年前,劉靜意識到液態金屬研究的科學意義和重大價值,并著力開始研究。幾大箱紙質文獻一一翻看、查找、復印,一種種金屬組分反復試驗、配比,終于研究出了以鎵為主元素的合金組合,能夠在常溫下保持液態,也就是神奇的“液態金屬”。


    然而,在杯子里能夠像水一樣流動的液體金屬并不能立刻變成可書寫的金屬墨水。把墨水灌進特制的筆中,要么壓根沒有墨水從筆尖流出,要么就是寫下的筆跡是一攤一攤的墨水堆。


    “液體金屬的表面張力太大,導致它根本沒法像普通墨水一樣噴出來,形成字跡?!眲㈧o回憶,一遍遍實驗中對液體金屬加以摸索和進行“改性”后,團隊才終于解決了液體金屬粘附性、流動性等問題。


    研制出“金屬墨水”3D打印機


    “金屬墨水”除了能在手寫筆中自由書寫,還能灌入特制的3D打印機中,用機械方式精確地把電路設計圖打印出來,作為電路板使用。


    據悉,劉靜團隊目前已經研制出了以液體金屬這種“金屬墨水”為原料的3D制造裝置原型及液態金屬打印機,價格與普通的激光打印設備已經十分接近。利用這種3D打印機,人們不但可以打印平面電路,還能完成立體復雜電路及其支撐件的直接生成。相比液體金屬手寫筆可以隨意書寫的特點,3D打印機能夠更快地將金屬墨水應用于電路板的批量生產。


    “從前,3D打印機大多只能用樹脂、塑料等材料打印模型,輔助設計、生產外殼還行,要打印包含電子功能的復合器件可就不行了?!眲㈧o說,液態金屬印刷電子方法將顯著擴展3D打印技術的應用范圍。在不久的將來,普通人能接觸到的3D打印技術將不再是只能打印樹脂模型、塑料外殼的“花拳繡腿”,而是可以直接打印出電子賀卡、顯示器、太陽能光伏電池、計算器等電子產品的“馬良神筆”了。


    除了應用在電子產品制造領域,“金屬墨水”還能在更廣闊的天地發揮作用。比如若把它畫在皮膚上,就為連接電子設備、進行人體心電信號等生理參數的測量提供很大的便利。
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