柔性電子設(shè)備中微結(jié)構(gòu)的3D打印

供稿人:汪鑫 田小永

近年來，在可穿戴電子設(shè)備、智能皮膚、醫(yī)學檢測等領(lǐng)域內(nèi)，柔性和可拉伸電子器件受到越來越多的關(guān)注。然而，現(xiàn)在可穿戴電子設(shè)備的電路，通常是基于平面二維幾何圖形的。香港城市大學的Yiming Liu等人提出一種激光直寫3D打印技術(shù)，可以將二維的幾何圖形電路，擴展至三維的立體電路。同時，他們利用激光直寫技術(shù)，制備了三維蛇形導電網(wǎng)絡(luò)，這些微結(jié)構(gòu)和襯底具有良好的透光率和柔性。

Yiming Liu等人首先利用高分辨率3D打印機，將IPL-780型光刻膠固化在22mmX22mm的玻璃底板表面，形成具有蛇形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，然后，利用磁控濺射在蛇形網(wǎng)絡(luò)的表面鍍上200nm厚的金屬銅，使結(jié)構(gòu)具有良好的導電性，最好，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）對蛇形導電網(wǎng)絡(luò)進行封裝，并在固化后剝離玻璃底板，得到柔性電子設(shè)備，整個過程如圖1所示。

圖1 3D打印工藝的原理示意圖（a）；微結(jié)構(gòu)的SEM照片（b）

另外，Liu等人發(fā)現(xiàn)，利用蛇形導電網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)良好的透光性能，透光率達到90%（圖2）。同時，如圖3所示，Liu等人還對這種柔性結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，從而獲得更好的拉伸、扭轉(zhuǎn)性能，通過優(yōu)化，拉伸性能從2.7%提高到13.8%，最大彎曲角從114°增加到160°，最大扭轉(zhuǎn)角從24°增加到32°。

圖2 柔性網(wǎng)絡(luò)的裝配及機械柔性的演示

Liu等人表示，這項技術(shù)結(jié)合了微結(jié)構(gòu)的3D打印、磁控濺射及PMDS封裝工藝，實現(xiàn)了三維結(jié)構(gòu)的導電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計及制造，在未來，三維電路將極大的豐富柔性電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能。

圖3 拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)過程中銅層應(yīng)變分布的有限元分析

參考文獻：
Liu Yiming,Xu Yeshou,Avila Raudel,Liu Chao,Xie Zhaoqian,Wang Lidai,Yu Xinge. 3D printed microstructures for flexible electronic devices.[J]. Nanotechnology,2019,30(41).

供稿人:汪鑫 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室