快速制造適形化柔性功能電子器件的液態(tài)金屬相變轉印方法

近日，由中國科學院理化技術研究所研究員劉靜及助理研究員王倩帶領的理化所、清華大學聯(lián)合小組，首次提出一種液態(tài)金屬液固相變轉印方法，可用于快速制造易于貼合到任意復雜形狀表面的柔性功能電子器件。相應研究成果在線發(fā)表于《先進材 料》(Advanced Materials，2015， DOI:10．1002/adma．201502200)，并被選為背封面文章。

眾所周知，隨著現(xiàn)代電子工業(yè)與消費電子市場的快速發(fā)展，柔性電子已成為極為重要的科學前沿。其中，集導電性與流動性于一體的液態(tài)金屬材料在這一領域的地位日趨凸顯。然而，由于液態(tài)金屬表面張力通常較高，其對常見的生物相容性柔性基底如PDMS等的潤濕性較弱，因而采用傳統(tǒng)的直寫、打印以及掩模噴印、涂抹等方式尚難實現(xiàn)精細、復雜且附著穩(wěn)定的電路;而若采用模板刻蝕槽道，則會因模板分離時槽道承載力的變化，造成柔性基底收縮變形繼而引發(fā)精細結構的破損。由于這些因素，直接利用液態(tài)金屬制備各種高柔性電路仍面臨繁瑣、耗時、穩(wěn)定性低等挑戰(zhàn)，尚不易快速獲得實用化柔性功能器件。

為突破以往存在的技術瓶頸，該項研究建立了基于低溫相變轉印的液態(tài)金屬柔性功能電路快速制造方法。其原理在于:首先利用液態(tài)金屬打印機在PVC膜表面打印出液態(tài)金屬電路;之后，在此電路上進一步覆蓋PDMS溶液并加以固化;如需要，在PDMS尚處液態(tài)時，可在其上浸沒入任意形狀的待貼附目標物體;最后，對整個對象加以降溫，以使液態(tài)金屬轉為固體，由此即可輕易地將最初的液態(tài)金屬電路完整快捷地轉印到PDMS柔性基底上。這一過程中，當 PDMS固化后，揭下 PVC膜及目標物體后，即形成內嵌有液態(tài)金屬柔性電路的PDMS器件，此時在相應管腳貼上相應IC元件并加以編程調試，即制成功能電子器件。由于PDMS基底形狀可完全與使用對象貼合，由此即達到電子器件的高度適形化制造。該技術在醫(yī)療健康、家居、環(huán)境等應用場合的傳感監(jiān)測方面有重要意義，相應器件易于貼合到諸如膝蓋、腳腕、手掌、面頰、頭部、耳廓以及更多復雜形狀表面執(zhí)行特定功能。研究還通過對“PVC-液態(tài)金屬-PDMS”界面微觀結構的刻畫、受力測試與仿真驗證，揭示了相應的轉印分離機理。

為展示新技術的應用特點，作者們還特別設計實現(xiàn)了幾類完整的可編程柔性電路，并證實其在彎曲、扭轉、拉伸等往復形變下均能保持高性能和可靠性。進一步地，結合手機生理檢測平臺與集成電路芯片，設計實現(xiàn)了微型柔性紅外溫度采集模塊，可通過藍牙將采集到的信號以無線方式發(fā)送至手機予以實時顯示和存儲，而同時這些器件則可以適形化方式貼合于身體表面。

相較于傳統(tǒng)的硬質電路，柔性電子具有重量輕、韌性好以及可承受一定形變等優(yōu)勢，這使其應用范圍更為寬廣。基于相變轉印原理的液態(tài)金屬柔性電路加工方法突破了傳統(tǒng)工藝的局限性，更加簡便、快捷、穩(wěn)定，并與現(xiàn)有集成電路技術較為兼容。除了能以高質量快速加工出用以滿足可穿戴設備、皮膚電子、醫(yī)學植入、柔性顯示、太陽能電池板等諸多前沿需求外，新方法的重要意義還在于，隨著液態(tài)金屬打印技術的普及，人們將有望隨心所欲地在任意物體表面實現(xiàn)各類柔性功能器件的定制化快速開發(fā)，這會顯著擴展傳統(tǒng)電子工程學的技術范疇，繼而推動個性化柔性電子應用向前快速發(fā)展。