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突破性技術方案:3D列印全功能電子電路!


- 2018年1月23日21時26分
- 科學文摘 / 智物創新

智物創新

導讀

最近,英國諾丁漢大學的研究人員開創了一種突破性的方案,可以快速3D列印全功能的電子電路。這種電路含有導電的金屬油墨和絕緣的聚合物油墨。現在,它可以通過單一的噴墨列印工藝進行製造,該工藝採用紫外線快速固化油墨。

關鍵字


3D列印、電子、增材製造

背景

相對於傳統的矽基電子技術,印刷電子憑藉其柔性化、低成本、大面積、綠色環保等優勢,有望成為引領電子產業變革的關鍵性前沿技術。值得我們注意的是,這項技術與有機電子、塑料電子、紙電子、柔性電子、透明電子、可穿戴電子技術領域都有交集,這樣的技術正是筆者所關注的重點。

在前幾天的文章中,筆者重點向大家介紹了科學家們採用石墨烯或者二維材料製作油墨,結合噴墨列印或者絲網印刷技術,列印出電子器件例如:電晶體、有機發光二極體(OLED)、光電器件、超級電容等電子元器件,應用於射頻識別(RFID)天線、太陽能電池、LED等電子器件,智能織物、智能食品、藥物標籤、下一代紙幣、電子護照等柔性電子產品。

突破性技術方案:3D列印全功能電子電路!圖片

(圖片來源: Kurt Stepnitz / 密西根州立大學)


突破性技術方案:3D列印全功能電子電路!圖片

(圖片來源:Felice Torrisi)

突破性技術方案:3D列印全功能電子電路!圖片

(圖片來源於:曼徹斯特大學)

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(圖片來源:都柏林大學聖三一學院)

然而,在複雜結構中製造含有塑料和金屬組件的全功能器件,目前還存在著一些挑戰。因為在這些結構中,需要使用不同的方法固化每種材料。

創新

為了戰勝以上的挑戰,最近英國諾丁漢大學的研究人員開創了一種突破性的方案,可以快速3D列印全功能的電子電路。這種電路含有導電的金屬油墨和絕緣的聚合物油墨。現在,它可以通過單一的噴墨列印工藝進行製造,該工藝採用紫外線快速固化油墨。

技術

這項新技術將二維列印的電子器件與增材製造(AM)或者3D列印技術相結合,基於逐層沉積的材料製造3D產品。它擴大了多功能增材製造工藝(MFAM)的影響,包括通過單一的增材製造系統製造具有更廣泛功能的組件。

現有的系統通常僅使用了一種材料,它限制印刷結構的功能性。使用兩種材料例如導體和絕緣體,拓展了電子器件的功能範圍。例如,一個含有壓力傳感器和無線通信電路的腕帶,可以通過簡單工藝為客戶進行客制化的3D列印。

這項突破性研究加速了導電油墨的凝固過程,每層的時間少於1分鐘。之前,使用傳統的熱源例如烤箱和熱板,該過程需要更長的時間才能完成,當需要幾百層形成一個物體時,這有點不切實際。此外,電子電路和設備的生產也受限於目前的製造方案,這些製造方案限制了這些系統的形成和潛在性能。

CfAM的團隊成員 Ehab Saleh

博士發現,導電油墨中的銀納米粒子能夠高效地吸收紫外線。吸收的紫外線能量可以轉化為熱量,它使得導電油墨的溶液蒸發,溶化銀納米粒子。這種工藝只影響了導電油墨,而不會損傷任何鄰近的印刷聚合物。研究人員通過同樣的印刷工藝,使用同樣的緊湊、低成本的LED基的紫外線光,將聚合物油墨轉化為固體,形成多材料的3D結構。

突破性技術方案:3D列印全功能電子電路!圖片

(圖片來源:英國諾丁漢大學)


價值

這項突破性技術為通過多種材料包括金屬和塑料,製造全功能元器件例如3D天線和全印刷傳感器,鋪平了道路。

這項研究的領導研究員、材料工程系教授 Chris Tuck 在強調這項突破的潛力時表示:

「通過在單個結構中,以噴墨列印所提供的高精度,3D列印導電和介電材料(電氣絕緣體),將開啟全客制化電子器件的製造。當你設計電路時,你無需為電容選擇標準值,你只需設置數值,印表機就將為你製造出合適的元器件。」

增材製造中心(CfAM)的主任 Richard Hague 教授補充說:

「在複雜的3D結構中,印刷含有多種材料的全功能器件現在已經成為現實。這項突破非常有望開啟21世紀產品和設備的製造技術,這些產品和設備將有望對於行業和公眾產生深遠的影響。」

隨著科技的進步,噴墨列印技術可以沉積具有一系列特性的各種功能油墨。它被用於生物學,組織生物列印,多酶噴墨列印和各種細胞列印(「油墨」可以由細胞組成)。

這一突破建立起的基礎技術將促進學術和產業進步。該項目已經為醫療器件、射頻屏蔽表面和吸收太陽能的新型結構帶來了幾項合作。

參考資料

1https://www.nottingham.ac.uk/news/pressreleases/2017/november/new-method-developed-to-3d-print-fully-functional-electronic-circuits.aspx

需要進一步探討和交流的朋友,請聯繫作者微信:JohnZh1984


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