華中科技大學吳志剛教授課題組：基于液態金屬的高質量印刷技術

【引言】

可拉伸電子產品在表皮電子，軟體機器人，微機電系統和醫療診斷等各個領域引起了科研人員的廣泛關注。這是由于鎵銦錫合金的液態屬性，使其具有出色的機械表面順從性，包含平面、復雜曲面和動態表面。基于此的可拉伸柔性電子在性能方面具有其獨特的優勢，例如超高的柔韌性、可拉伸性、抗疲勞性、高導電性及輕巧緊湊等。為了制造這種可拉伸電子產品，在過去的幾十年中，科研人員在材料或機械設計等各個方面已進行了廣泛的研究。其中，柔性版印刷、直寫打印，同軸打印，機器三維打印，蒙版印刷，霧化印刷，冷凍鑄造和激光輔助印刷等具有液態金屬獨特特點的打印技術都已被提出來，然而由于液態金屬的高表面張力，表面氧化層等物理特性，基于其的高質量打印一直未得到很好的解決。高精密激光設備一直是微納制造領域的熱門選擇，因為其加工效率高，加工精度高，加工可重復性高，不僅可以進行微納尺寸的材料切割，還可以對材料進行表面結構與性能的改性。

近期華中科技大學吳志剛教授團隊利用高精度紫外激光，在液態金屬打印方向取得了一些突破，大大提升了打印精度和打印效率，并且由于過程的可控性，均具有工業大批量生產的潛力。利用激光改性柔性材料特定表面的形貌，來完成高質量高效率選擇性轉印液態金屬，而且此工藝還適用于三維平面的轉印，該成果發表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊；基于改性水溶性掩膜，同時借助激光的高精度高密度圖案化效率，提出了過程可控的高精度高密度液態金屬加工方法，使用其制造的超薄傳感器可以直接用于監測皮膚局部運動，對于人機工程的發展具有重要的意義，該成果已被Soft Robotics期刊錄用；借助熱收縮膜的各向同性收縮特點，提出了一種低成本制造可用于微納加工的掩膜生產技術，該成果發表于ACS Applied Polymer Materials(cover)期刊。

1.激光誘導的選擇性轉印

近日，華中科技大學機械科學與工程學院吳志剛教授課題組，通過激光選擇性處理軟基材的表面形貌，進而調控液態合金在軟基材上的潤濕性，提出了液態合金在不同材料、不同表面（平面和3D復雜表面）上的柔性版順行印刷技術，并研究了調控機理和液體合金的潤濕性和表面形貌之間的關系。通過調整激光參數，改變印章表面的粗糙度，減小其與液態金屬表面氧化膜的接觸面積，根據cassie模型，調控液態金屬在其表面的潤濕性，達到選擇性粘附液態金屬的作用。實驗結果表明，所提出的柔性版印刷技術在平面、曲面、凹凸等不規則的三維復雜表面上打印出的液態合金電路均具有穩定性好、保真度高、順形度高等優點。此外，該技術還有高效快速、耗時短的優點，在大規模的工業化生產中具有極大的潛力。該成果以題為“High-Fidelity Conformal Printing of 3D Liquid Alloy Circuits for Soft Electronics” 發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。文章的第一作者為課題組博士生張碩，吳志剛教授為通訊作者。

【圖文簡介】

圖1. 液態合金電路柔性版印刷的潤濕性調控：原理，工藝和展示。

（A）液態金屬親疏性印章和表現。（B）選擇性轉印過程原理（C）柔性印刷工藝流程圖示。（D）平面螺旋電路。（E）大腦分形的樹。（F）不可延展曲面螺旋電路。（G）可延展曲面3D電路。（H）草莓的3D復雜曲面電路。

圖2.調控液體合金在軟基材上的潤濕性。

（A）三維和微觀形貌圖。（B）激光參數調控表面粗糙度。（C）不同粗糙度表面對液態金屬的潤濕性。（D）液態金屬和不同表面的界面能。

圖3.柔性版印刷的圖案和表征。

（A）印刷的線寬保真度表征。（B）印刷的線截面輪廓飽滿度表征。（C）最小線寬下的螺旋電路。（D）最小線距。（E，F）平面和三維曲面電路展示。（G）印章耐久性測試。（H）印刷電路機械可靠性測試。

圖4.從平面到復雜三維曲面的應用。

（A）LED陣列。（B）天線。（C）動態下的草莓三維復雜曲面電路。（D）放大圖。

【文獻信息】

High-Fidelity Conformal Printing of 3D Liquid Alloy Circuits for Soft Electronics. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11 (7), pp 7148–7156. DOI: 10.1021/acsami.8b20595

原文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b20595

2.?高精度掩膜沉積：

掩膜沉積是微納制造領域的一種通用技術，但如何將這種技術應用到液態金屬的高效、高密度、自動化打印上來還有許多需要克服的難點，本成果創造性的提出解決了這個問題的工藝。通過改性水溶性膜、激光圖案化掩膜、液態金屬霧化沉積、水溶顯影、集成封裝等工序，液態金屬可以以豐富多樣的電路圖案打印至柔性基底上。通過這個技術，可制造超薄的表皮拉伸傳感器，它可以高密度的監測皮膚，甚至褶皺的伸展與回復運動。更重要的是，此工藝效率高，每步工序都具有可控性，具有很高的潛力應用至工業化大規模生產之中去。

【圖文簡介】

圖5.關鍵處理步驟的示意圖和制作的樣本

（A）激光切割聚乙烯醇掩膜；（B）將掩膜轉移到半固化PDMS；（C）在掩膜上霧化噴涂液態合金；（D）沖洗掩模；（E）干燥和封裝；（F）二維應變傳感器樣本；（G）局部應變傳感器；（H）液態合金LED燈

圖6. 皮膚運動的監測。

（A）附著在肘部上的二維應變傳感器，（B）電學信號隨肘部彎曲的變化。（C）附著在食指上的表皮應變傳感器，（D）電學信號隨食指關節皮膚的運動而變化。

圖7. 應變和電信號之間的關系。

（A）圖示各個階段的結構變化，（B）圖示電信號的變化起因。（C）一個循環的信號變化，（D）各個階段的實驗結果模擬（插圖是通道中液態金屬不同階段的顯微照片）。

3.基于收縮膜的微尺度掩膜簡易制作工藝：

在所有的液態金屬打印技術中，掩膜沉積是其中一種非常有潛力應用至規模化生產的技術。同其它基于掩膜制造的工藝一樣，最終的打印密度常常受到掩膜的限制，而且制造成本隨著分辨率的增加而大大增加。該成果引進一種熱縮膜掩膜-脫模劑-熱縮膜的夾心結構，同時僅借助一個機械切割繪圖機和一個普通烘箱，可完成精細液態金屬的打印。而且，最終的分辨率和形狀能夠通過膜的各向同性和其它參數進行調控。收縮之后，掩膜的線寬和線距能夠低至35微米和60微米。為了更好的控制最終的結構，影響收縮過程的參數，如溫度、時間、結構等，也都從實驗和理論仿真方面進行了研究。最后，基于液態金屬的拉伸傳感器和三維順形掩膜展示了這項技術的潛在應用性。

圖文簡介

圖8.應變傳感器的制作過程

（A）(i)將PE薄膜置于PDMS表面，然后用繪圖機進行機械制版；(ii)從PDMS上剝去原來的帶有另一層PE膜的掩膜；(iii)將PE雙層膜轉移到鋁板上；(iv)在烤箱中單向收縮；(v)將收縮的掩模轉移到柔軟的基材上，并噴涂液態合金，將掩模取下，得到液態合金圖案化應變傳感器；(vi)對應變傳感器進行封裝；（B）收縮后的掩模圖片；（C）掩模收縮前后截面的對比圖。

圖9.縮小的PE掩模及其各種傳感器性能圖。

（A）應變傳感器及其局部電路放大圖；（B）應變傳感器的性能表征；（C）螺旋壓力傳感器及其局部電路放大圖；（D）螺旋應變傳感器對不同壓力的響應；（E）圓柱形曲面掩模；（F）半球形螺旋掩模及其電路。

【文獻信息】

Sandwiched Polyethylene Shrink Film Masking with Tunable Resolution and Shape for Liquid Alloy Patterning.ACS Appl. Polym. Mater., 2019, 1 (2), pp 145–151.DOI: 10.1021/acsapm.8b00010

原文鏈接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsapm.8b00010

本文由華中科技大學吳志剛教授團隊供稿，材料人編輯部編輯

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