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全打印制备多层嵌入式柔性电路方面的技术发展

柔性印刷电路因环保、低成本、易实现柔性化等优势,有望取代传统基于光刻技术制备的电子器件。喷墨打印技术可直接实现金属纳米粒子的图案化,是制备纳米印刷电子器件最有前景的方法之一。然而,喷墨打印技术由于打印墨滴的铺展和融合等难题限制了其在高精度、高集成度电路制备领域的应用。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,中国科学院化学研究所绿色印刷重点实验室宋延林课题组深入系统地研究打印墨滴与基材的相互作用,通过调控墨滴在基材表面的浸润行为,在可控高精度打印与印刷技术领域开展了一系列广泛而深入的研究。他们通过调控墨水、基材等材料特性,成功制备了一系列高精度图案:利用“咖啡环”现象制备线宽可达5 μm的金属纳米粒子高精度导电图案。

利用打印墨滴的三相线滑移现象打印制备高精度三维功能性图案;通过磁场诱导三相线动态回缩制备了一系列形状可控的特殊三维柱状结构;利用软基材“喷墨压印”制备了高精度的微坑及凹槽结构;通过控制纳米材料在打印电极模板上可控组装印刷制备了精度达30 nm的导电图案。他们利用这些打印、印刷制备的功能性图案实现了等离子光波传输、高灵敏检测、量子点图案、生物细胞分离、微流体通道和高精度柔性电路制备等应用。

在以上研究基础上,他们通过在可聚合液态基材上打印含有纳米颗粒的导电墨水,巧妙地利用液态基材对打印墨滴的动态包裹作用,实现了高精度嵌入式导电银线的直接制备。由于喷墨打印导电墨水粘度和表面张力的影响,实现其在另一种液体内部融合成线非常具有挑战性。他们通过调控液态基材的流变行为和纳米银导电墨水的性质解决了这一问题,实现了液态基材对墨滴的可控包裹,有效抑制了墨滴的扩散和“咖啡环”效应。

基于此,利用喷孔孔径为25 μm的普通商用打印机制备了线宽约1-2 μm的导电银线,比通常的喷墨打印精度提高了约20倍。所制备的高精度电路直接嵌入在基材内部,避免了后续的封装步骤。电学测试表明这种方法制备的嵌入式微型电缆具有优异的导电性能。他们进一步利用这种“液膜嵌入式打印”,采取逐层叠加的方式直接打印实现了多层电路的制备,达到了60 μm透明薄膜内嵌入三层电路的集成度。

该工作中的“液膜嵌入式打印”是一种普适的方法,同样适用于碳纳米管、石墨烯等导电材料。对提高打印电路精度和集成度、制备超高透明嵌入式电子器件具有重要意义,并为打印制备高集成度、高精度的三维结构电路奠定了技术基础。