理化所等發明DREAMInk技術使直寫式柔性電子器件成現實

發布時間：2012-11-15 09:46 原文鏈接：理化所等發明DREAMInk技術使直寫式柔性電子器件成現實

　　近期，中國科學院理化技術研究所與清華大學的科研人員在印刷電子學領域取得了突破性進展，令在各種柔性或硬質材料表面直接手寫電子器件成為現實。相關研究文章發表在美國公共科學圖書館出版的《公共科學圖書館?綜合》上（Y. X. Gao, H. Y. Li, J. Liu, Direct writing of flexible electronics through room temperature liquid metal ink, PLoS ONE, vol.7(9): e45485, 2012）。

　　此項研究建立了一種全新原理的電子器件制造方法，其核心在于通過組分各異的常溫液態金屬或其合金墨水，在各種基底上自下而上寫出所需要的導體、導線乃至各種功能電子器件、傳感器及集成電路。該方法在印刷電子學、生物醫學電子、機電行業乃至能源等領域已顯示出廣泛的應用價值。研究負責人劉靜研究員依照這一方法英文表述Direct Writing of Electronics based on Alloy and Metal Ink（基于金屬及合金墨水的手寫電子技術）的縮寫，將其命名為DREAM-Ink（也取“夢之墨”之意）技術。

　　傳統的電子器件印刷工序通常較為復雜，易污染環境，耗時、耗材且耗能，以致成本很高。可在各種基底上直接制作電子器件的直寫式印刷方法，有望重塑集成電路產業。然而，高性能墨水的欠缺一直成為產業發展的短板所在。常規的導電油墨包括新近出現的基于納米金/銀/銅以及碳納米管、石墨烯等的電子油墨仍存在配制工藝復雜、電阻率高、導線形成需要借助繁復的化學反應實現、器件成型固化溫度高等缺憾，而已有的高溫焊錫等金屬的印刷在柔性基底上會受到極大限制。與之形成對比的是，所見即所得的DREAM-Ink技術則避免了上述困難，它與能耗高、工藝復雜的金屬薄膜經典成膜方法如PVD、CVD等明顯不同的是，在常溫下即可直接印制各種薄膜乃至三維結構，由此開啟了一條即時制作柔性電子器件的便捷且低成本的途徑。在前期工作中，研究小組建立了制備多種低熔點金屬油墨的方法，并揭示出調控對應金屬流體與不同基底間潤濕特性的規律。

　　“與以往的電子油墨相比，液態金屬或其合金墨水除了具備可直接印刷書寫、電導率高等優勢之外，還顯示出更多獨特之處，如適用面廣、成本適中以及制備方法便捷等，這為其今后的規模化普及應用奠定了基礎。”高云霞博士（在站博士后，PLoS ONE文章的第一作者）指出，“該技術使得制作電路如同在紙上寫字及繪畫般簡單。”她還指出，常規的毛筆以及特制的鋼筆、圓珠筆等均可作為繪制電路的工具，而且通過一定設計，任意軟硬度及粗糙度的基底材料都能與金屬墨水兼容。在此之前，液態金屬與各界面之間較弱的黏附性一直成為制約其實際應用的瓶頸。高云霞與其博士后導師劉靜經過近半年的努力，終于探明了其中的機理，成功研制出熱導率為當前市售最優熱界面材料近3倍的高性能材料，由于成果的突出價值，有關論文在投稿當天即被接受發表(Y. X. Gao and J. Liu, Gallium-based thermal interface material with high compliance and wettability, Appl Phys A, vol. 107: 701–708, 2012)。這些進展為DREAM-Ink的充分應用打下了堅實基礎。

　　室溫金屬流體是一類在常溫常壓下呈液態、可流動且導電的奇妙材料，然而其在信息、能源、醫療健康、電子等領域的應用卻長期鮮為人知。早在10余年前，劉靜研究員就意識到液態金屬研究的科學意義和重大價值，帶領團隊開展了相應的基礎與應用探索，先后取得了一系列首創性成果，如用于高性能計算機的室溫金屬流體芯片冷卻技術、可廣泛用于能源領域的金屬流體無水換熱器、移動電子器件低熔點金屬相變吸熱技術、液態金屬能量自動捕獲與發電技術以及納米金屬流體材料等，開辟出若干十分重要的研究新方向，部分工作被國際電子封裝技術領域刊物ASME Journal of Electronic Packaging選為年度唯一最佳論文獎，還被Journal of Physics D：Applied Physics選為封面文章。

　　DREAM-Ink技術正是在長期實踐中醞釀而成，核心思想已于2011年初提交了相應的發明ZL申請，此后還在可直接印刷式熱能/動能捕獲器、紙上微流體芯片、半導體器件、光伏電池乃至液態金屬打印機等方面形成系列發明ZL。劉靜研究員指出：“到目前為止，實驗室已成功證明了可用于手寫的金屬或合金墨水與環氧樹脂、玻璃、塑料、硅膠、紙、棉、紡織品、布、纖維乃至人體皮膚等都是高度兼容的，這為快速設計柔性電子電路領域打開了許多重要用途。以生物醫學應用為例，在測量對象體表靠近心臟部位涂覆相應的金屬墨水后，可以形成適形化電極，其易于洗脫，這對于ECG心電信號以及生物電阻抗等生理參數的測量會帶來較大方便，而且進一步拓展的空間很大。”

　　“夢之墨”技術具有普遍意義。事實上，在上述PLoS ONE文章刊出前，劉靜小組還證明了該方法在直接印刷式微小測溫傳感器方面的應用價值，相應工作發表于美國物理學會出版的《應用物理快報》上(H.Y. Li, Y. Yang, J. Liu, Printable tiny thermocouple by liquid metal gallium and its matching metal, Applied Physics Letters, vol.101: 073511, 2012）。該項工作首次提出并研究了液態金屬之間以及液態金屬與固體金屬界面間的熱電效應。正如文章第一作者李海燕博士生所說，“使用兩種配對液態金屬將微型熱電偶直接寫到所需基底上，給使用帶來了較大方便，相應技術在生物量測、微流體器件等方面有重要價值。實驗發現，在0至200℃的溫度區間內，兩種液態金屬界面間或液態金屬與固態金屬間的熱電勢對溫度顯示出高度的線性關系，這對于溫度的精確測量十分有益。”迄今，在實驗室內，研究小組還利用DREAM-Ink技術制成了透明導電薄膜、天線、RFID元件等，它們均已展示出顯著的實用性。

　　總的說來，液態金屬墨水使用極為簡捷，這預示了其較好的普適應用前景。作為一項新興技術，“夢之墨”具有能夠影響當前人們生活方式的潛力。比如，新技術有可能會改變日常生活中人們對于紙張的概念——即它不再只是文字的載體，還易于集成諸多電子元件，這可能引申出電子器件個性化設計(DIY：Do It Yourself)潮流，有助于促成個人電子時代的到來；此外，可以感應并發光發聲的可洗布料不再限于想象；印制有液態金屬薄膜的電子服裝在陽光下可隨時發電；建筑墻體或玻璃表面可以DIY方式直接涂覆上金屬墨水及相關材料作為LED甚至太陽能電池，以作為裝飾品或用以捕獲光能的器件。同時，一場非傳統的變革還將發生在設計、教育乃至文化藝術領域，今后的老師和學生們會受益良多——采用液態金屬墨水，課程講授將會變得生動有趣，學生們可以隨心所欲的繪制出各種對象，只是與傳統理念不同的是，DREAM-Ink繪畫提供的電、磁、聲、光、熱、機械、化學等功能可充分調動人體的各種感官。

　　劉靜小組的下一個目標是研制出更多常溫下的液態金屬墨水，用以滿足各種特定功能電子器件，如Lab on Chip、生物醫學傳感器、3D天線、薄膜晶體管、太陽能電池陣列、射頻識別標簽、柔性電池乃至集成電路等的制作之需，從而將這一方法擴展到更多工業和商業領域乃至日常生活中。與此同時，團隊還在加緊研制配套的液態金屬打印機和手寫筆，他們期待今后普通大眾也能用上如激光打印機這樣的DREAM-Ink設備。那時，即便沒有電子設計經驗的人士也能借助于預先研發并安裝于計算機中的控制軟件，隨心所欲地打印出自己所需要的電子器件乃至組裝出機電系統，如此，給家人或朋友快速制作一份極具個性化的電子賀卡不再是件難事。

　　考慮到DREAM-Ink研究的科學意義和重大發展前景，為推動這一新興領域的進步，劉靜與其學生于近期發表了一篇長達30頁的前瞻性論文(Q. Zhang, Y. Zheng, J. Liu,Direct writing of electronics based on alloy and metal ink (DREAM Ink): A newly emerging area and its impact on energy, environment and health sciences, Frontiers in Energy, vol.6(4): 311-340, 2012)，系統闡述了DREAM-Ink柔性電子直寫技術的基本原理和實現方法，以及其中所蘊含的科學問題和技術挑戰，具體提出了一系列革新策略并分析了若干應用案例，論述了相應研究和應用對今后能源、環境和健康科學等領域可能帶來的影響。“事實上，與業已取得的前期進展相比，DREAM-Ink電子學更重要的還在于引申出了不少前所未有的科學問題有待深入，此方面亟需國內外科學家、工程師乃至更廣泛的設計者和使用者們的共同努力。”

　　劉靜認為，可以預見的是，隨著研究的不斷推進，“夢之墨”將催生出一系列超越傳統理念的新一代電子工程學技術。