液态金属印刷电子学(液态金属物质科学与技术研究丛书)

助你掌握快速低成本的个性化电子制造新模式

 

液态金属印刷电子学是变革性电子增材制造技术，其以液态金属为核心功能墨水，配合相关材料，可将各种电子器件以印刷方式快捷制造出来，并可根据需要实现柔性和可拉伸性。这种立等可取的个性化电子制造模式打破了传统电子工程学的技术理念与应用瓶颈，正以其显著的高效性及普适性，展示出巨大的发展空间和普及推广前景。本书系统阐述液态金属印刷电子学的基本原理及应用技术，涉及：液态金属电子墨水及其与基材相互作用机理，液态金属电子直写或打印方法、设备、功能电子器件制造策略，以及可穿戴电子、柔性电子、皮肤电子、智能家居等范畴。本书可供电子、物理、材料、机械、化学、生物医学、设计等领域的科研人员、工程师以及大专院校有关专业师生阅读参考

刘静：清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所兼职研究生导师。曾为美国普渡大学博士后、麻省理工学院高级访问学者，先后入选中国科学院及清华大学百人计划，2003年国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究并做出系列开创性贡献。发现液态金属诸多全新科学现象、基础效应和变革性应用途径，开辟了液态金属在生物医疗、柔性机器人、印刷电子、3D打印、先进能源以及芯片冷却等领域突破性应用，成果在世界范围产生广泛影响。曾获国际传热界奖之一“The William Begell Medal”、全国首届创新争先奖、中国制冷学会技术发明一等奖、ASME会刊Journal of Electronic Packaging年度论文奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，入选CCTV 2015年度十大科技创新人物等

前言

 

第1章绪论1

1.1印刷电子技术1

1.2印刷电子材料2

1.3印刷过程工艺与设备4

1.4液态金属印刷电子技术5

1.5本书内容和框架7

参考文献7第2章液态金属印刷电子技术概要12

2.1引言12

2.2液态金属电子电路基础电学效应13

2.3液态金属电子墨水18

2.4液态金属印刷电子设备19

2.5液态金属印刷电子技术带来的影响20

2.6小结21

参考文献22第3章液态金属印刷电子墨水24

3.1引言24

3.2液态金属墨水基本典型材料24

3.3液态金属墨水制备和改性方法26

3.4液态金属墨水特性30

3.5液态金属材料基因组计划34

3.6小结35

参考文献36第4章液态金属液滴与基底表面的可打印性39

4.1引言39

4.2液态金属液滴与基底表面撞击效应40

4.3液态金属墨水液滴碰撞柔性材料表面44

4.4GaIn24.5液膜和GaIn24.5墨水液膜的对比研究48

4.5机理分析49

4.6液态金属墨水与常见柔性基底的黏附性51

4.7小结56

参考文献57第5章液态金属电路的封装与擦除59

5.1引言59

5.2液态金属封装技术59

5.3镓基液态金属的擦除方法63

5.4各种擦除方法比较69

5.5小结70

参考文献70第6章液态金属电子手写方法72

6.1引言72

6.2液态金属电子手写笔72

6.3液态金属电子手写笔书写理论75

6.4液态金属加热手写笔77

6.5小结81

参考文献82第7章液态金属平面打印电子技术83

7.1引言83

7.2液态金属全自动复合打印设备84

7.3液态金属打印电路制造与分析86

7.4基于相变转印的液态金属柔性电路制造93

7.5小结105

参考文献105第8章液态金属喷墨印刷技术107

8.1引言107

8.2液态金属雾化喷墨式印刷107

8.3适用基底材料及形状110

8.4液态金属丝网印刷113

8.5喷涂印刷电子线路与器件的打印和测试118

8.6小结122

参考文献123第9章液态金属纸上印刷技术124

9.1引言124

9.2纸基底124

9.3GIN电子墨水127

9.4纸上打印设备133

9.5纸上印刷电路136

9.6小结136

参考文献137第10章电子电路基本元件的液态金属打印139

10.1引言139

10.2直写式印刷方法139

10.3电子元件形貌特征140

10.4稳定性测试143

10.5纸基RC振荡电路的制备145

10.6柔性RFID电感线圈的制备146

10.7小结151

参考文献152第11章功能柔性电子器件液态金属打印153

11.1引言153

11.2液态金属拉伸变阻器153

11.3调频调幅收音机制作158

11.4LED显示器160

11.5液态金属透明导电薄膜163

11.6液态金属柔性温度检测模块167

11.7小结171

参考文献172第12章液态金属传感器与执行器直接打印技术174

12.1引言174

12.2液态金属热电偶174

12.3液态金属血糖传感器185

12.4液态金属可拉伸电容传感器189

12.5可印刷式液态金属触发型弹性膜电致执行器193

12.6小结196

参考文献197第13章液态金属直写式能量捕获器199

13.1引言199

13.2热电材料性能评价指标200

13.3直写式液固热电偶热量捕获器性能201

13.4直写式液液热电偶热量捕获器性能204

13.5实用化液态金属直写式热电发生器的研制及应用207

13.6小结213

参考文献213第14章液态金属皮肤印刷电子学216

14.1引言216

14.2液态金属生物电极218

14.3液态金属皮肤电子印刷技术222

14.4液态金属在皮肤上的电诱导重组现象225

14.5小结231

参考文献232第15章液态金属印刷式可穿戴电子234

15.1引言234

15.2液态金属在织物基底上的性能分析235

15.3织物上液态金属电路的制作239

15.4织物电路的封装技术241

15.5织物电路的具体应用及耐洗性测试245

15.6基于液态金属的电加热服装247

15.7小结252

参考文献253第16章液态金属印刷电子艺术254

16.1引言254

16.2液态金属智能家居254

16.3其他液态金属艺术创意256

16.4液态金属表面着色及彩色印刷电子学258

16.5小结260

参考文献261

 

索引263

电子器件是现代社会的基石。传统的电子加工从基底材料制备，到形成互连所需要的薄膜沉积、刻蚀、封装等，涉及工艺及步骤繁多，需要消耗大量原料、水、气及电力能源。实现不受空间和成本限制的电子电路直接制造是全球科学界与工业界的梦想，但存在巨大挑战，其中既有设备硬件的限制，也有来自高性能电子墨水的限制，更受到固有理论框架的制约。近年来兴起的印刷电子技术，旨在通过印刷方式在各种基材上制造出功能各异的电子电路，由此打开了一个全新的先进制造领域，有望重塑电子工程产业。此类方法本质上是一种“增材”工艺，超越了传统的集成电路制造思想，既可避免使用腐蚀工艺，实现绿色环保，又可节约大量原料。然而，在经过多年发展的印刷电子学体系中，仍存在电子墨水配制工艺复杂、电阻率高、导线形成需要借助繁复的化学反应实现、器件成型固化温度高、可靠性偏低、使用寿命短等缺憾。

为解决长期制约印刷电子学面临的理论与技术瓶颈，笔者实验室基于多年来在室温液态金属领域的研究积淀和深入探索，于国内外首次原则性地提出了不同于传统的液态金属印刷电子学思想，其通过组分各异的液态金属或其合金墨水，可在各种基底上直接打印出所需要的导体、导线乃至各种功能电子器件、传感器及集成电路等。这种在学术上被命名为DREAMInk（direct printing of electronics based on alloy and metal ink，也取“梦之墨”之意）的电子器件制造理念，促成了从墨水材料到打印基底、印刷技术与装备等全新理论与技术体系的综合突破，被认为有望改变传统电子及集成电路制造规则，促成了新兴电子工程学的出现，其所见即所得的电子直写模式为发展普惠型电子制造技术、重塑个性化电子提供了变革性途径，且具有快速、绿色、低成本的优势，已展示出广泛的应用潜力。

经过近10年时间持续不断的努力，笔者实验室建立了液态金属功能电子墨水的制备方法，系统发展出一系列可适应从一维、二维到任意固体表面的液态金属打印方法和原理。相应技术除了可显著降低传统电子制造模式中的材料成本、制造成本和时间成本外，还扩展了以往技术不易甚至无法实现的电子制造范畴。比如，笔者实验室基于所发现的金属流体与不同基底间的润湿机制，提出并证实了可在任意固体材质和表面上直接制造电子电路的液态金属喷墨打印方法，从而使得“树叶也可变身电路板”，该技术一度入选“Top IT Story”，业界对此配发的评论是，“围绕在不同表面打印电路的竞赛可以终结了”。多年来，笔者实验室开展的系列研究的原创性和领先性有幸得到了国内外持续广泛的重视和认可，诸多成果先后被数百家国际科学杂志、新闻媒体和专业网站诸如MIT Technology Review、IEEE Spectrum、ASME Today、Phys.org、Chemistry World、National Geographic、Geek、Fox News、CCTV等专题评介。业界普遍认为：“找到室温下直接制造电子的方法，就意味着打开了极为广阔的应用领域乃至通过家用打印机制造电子器件的大门。”这些工作打破了个人电子制造技术瓶颈和壁垒，使得在低成本下快速、随意地制作电子电路特别是柔性电子器件成为现实，预示着电子制造正逐步走向平民化。

在研究液态金属印刷电子学基本问题的同时，笔者实验室多年来还始终不断努力将有关理论推向实际应用，先后发明并研制出一系列液态金属电子直写与打印装备，特别是于2013年推出世界首台全自动液态金属桌面电子电路打印机，以及首台具有普适意义的液态金属喷墨打印机，攻克了相应设备在通向实用化道路中的一系列关键科学与技术问题。部分产品还应邀参展2014年、2015年上海国际工业博览会，2015年中国南亚博览会，2015年国家科技战略座谈会，引发了重大反响和关注。2014年，液态金属桌面电子电路打印机获提名“两院院士评选2014年中国十大科技进展新闻”，中国工程院为此专门来函，认为：“成果对该领域工程科技发展将起到巨大的推动作用”；2015年7月，这一原创性发明入围素有国际科技界创新“奥斯卡”奖之称的“R&D 100 Award”终名单，后又于2016年入选美国《大众科学》（中文版） T100创新奖。综合各种打印技术成果在内的液态金属电子增材制造技术入选2015年中关村十大科技创新成果。这一系列来自工业界、学术界及社会的认可，反映出液态金属印刷电子学的价值正日益显现。而当前国际上该领域的进展，尚主要处于原理性探索和论文发表阶段。

众所周知，增材制造技术被普遍认为是“第三次工业革命”的重要引擎和核心推动力，相应研发近年来引起世界各国工业界和政府高度重视，如美国启动了旨在打造全球竞争新优势的增材制造国家计划，并于2016年斥资1.71亿美元实施了一项混合柔性电子项目，欧洲则力求通过实施工业4.0确保对新一轮工业革命的掌控，中国也已提出“制造2025”的宏伟蓝图，这些均为波及全球的国家战略。作为终有望普及到个人应用层面的电子增材制造工具，液态金属印刷电子学属于先进制造领域的变革性技术，高度贴合了当前及今后个性化电子快速制造与功能器件直接打印的需求，可望催生出一系列超越传统理念的电子工程学技术，显著提速电子工业与制造业革新的步伐，成为未来制造产业的制高点。

鉴于液态金属印刷电子学显而易见的意义，同时考虑到国内外较缺乏相关著作，我们深感有必要将这一领域的基本原理、方法和应用情况及时传达给业界，以期有效引导和集合各方力量，共同促成新兴电子制造科学与技术的进步，从而更好地推动社会进步。限于精力，本书不求穷尽液态金属印刷电子学领域全貌，主要介绍笔者实验室在结合全球印刷电子领域内的关键科学和技术需求为导向开展的工作，系统阐述液态金属印刷电子学的基本理论与技术体系，以及典型的应用问题。本书写作启动于2016年，但由于中间大量研究和各种事务，导致成稿过程断断续续，在本书即将付印之际，我们也欣喜地注意到近期特别是自2018年初以来，国际上围绕液态金属电子学发表的文章犹如井喷一般，彰显这一新兴领域的活力。笔者也期待今后有机会再版本书时能将有关新成果予以补充进来。

总的说来，本书内容反映的主要是笔者实验室近十年来的工作，同时对国际上涌现出的一些相关典型成果也作了必要介绍。其间，实验室许多同志为此做出了大量贡献，如不完全列出的包括：
高云霞、李海燕、郑义、张琴、王磊、桂晗、郭藏燃、国瑞、于洋、何志祝、杨俊、陈柏炜、杨阳、邓中山、饶伟等。实验室有关研究先后得到中国科学院院长基金、中国科学院前沿计划、国家自然科学重点基金（No.91748206）以及北京市科委资助。在此谨一并致谢！

限于时间，加之作者水平有限，本书不足和挂一漏万之处，恳请读者批评指正。

 

刘静王倩2018年6月