近日，中國科學院理化技術研究所研究員劉靜帶領的科研團隊，首次研製出紙上直接生成電子電路的技術，並做出了桌面式3D自動列印原型樣機。經測試，導電性、可靠性良好，特別複雜的電路或電子元器件也可以打出來；而列印一張A4紙大小的紙基電路板，目前只需要十幾分鐘。
「墨水」就是液態金屬，電路直接列印在紙上
紙上「列印」電子電路，得益於室溫狀態下液態金屬直接印刷電子方法的突破。
劉靜介紹，常規的電路板製造工序通常較為耗時、耗材、耗能，而印刷電子方法就像印刷文字一樣，直接在基板上形成能導電的線路和圖案，能將傳統的7至8道工序縮短至3至4道，快速靈活。
「列印」在銅版紙上的電子元件（中科院理化所供圖）
但這種方法受到「墨水」的束縛。為了讓印上去的「墨水」導電，常常需要採用導電聚合物或添加納米顆粒材料並通過高溫固化或特定化學反應來實現。液態金屬印刷電子方法則將印刷電子向前推進了一大步，它的基本觀念在於：「墨水」就是液態金屬，打出來就能成為電路。
傳統工藝下，電子工程師若需更改電路板，需用化學藥水做處理，經過刻蝕等步驟才能形成自己的設計。而新的液態金屬列印方法，讓漫長的設計過程變得唾手可得。劉靜介紹，他們已經在紙上列印出各種相對簡單的電子電路，測試後導電性、可靠性良好。理論上，特別複雜的電路或電子元器件也可以打出來。據了解，列印一張A4紙大小的紙基電路板，目前只需要十幾分鐘，但對複雜電路圖案，時間可能會長一些。
劉靜表示，相比於常用的塑料基底，紙張具有成本低、便攜、易降解、摺疊，回收利用方便等特點，是一種綠化、環保、價廉的電路材料。
新方法將顯著擴展3D列印的應用範圍
印刷電子的實現前提是「墨水」應具備流動性。為尋找室溫下直接生產電子電路的方法，劉靜團隊通過對液態金屬輸送機理的深入剖析，終於攻克了這一難題。值得一提的是，研究團隊還實現了3D機電複合系統的直接列印。這意味著，新方法不但可以列印平面電路，還能完成立體複雜電路及其支撐件的直接生成。
「當前的3D列印大多只能列印模型自身，還不能打出包含電子功能在內的器件。」劉靜說，液態金屬印刷電子方法將顯著擴展3D列印技術的應用範圍。
紙張代替塑料、直接列印取代集成生產，雖然離現實還很遠，但劉靜更看重的，是這一理念背後蘊含的未來電子器件個性化製造的可能性。專家認為，這一技術有望改變傳統電子電路製造規則。個性化的電路設計方法，使其在電子工程、個性化電子元件設計和製造加工、創意設計等方面有較大的應用空間。劉靜認為，這一技術還有望佔領電子紙市場一展拳腳。據總部設在英國劍橋的市場研究諮詢公司IDTechEx預測，2013年電子紙市場估計約160億美元，這一數字在2023年將增長至近770億美元。
未來電子製造業可能不在工廠裡，而是在辦公室或家裡，這是劉靜勾畫出的未來圖景。
「紙張能作為電子元件的集成載體，意義很大。」劉靜認為，目前紙張載體還存在吸水、強度不足等弱點，但潛力很大，隨著技術完善，將開發出更多種類適合列印電路的紙張，也能促成更多應用。
當前，大規模的集成電路生產方式仍是主流，技術成熟，有規模成本優勢。基於液態金屬印刷電子方法，要實現大規模運用還有很大距離。
第一，便是對金屬「墨水」劑量的控制。此外，液態金屬的種類很有限，而要實現複雜設計，得依賴多種「墨水」交互自動化使用。在硬體發展方面，還需提高列印設備的自動化水平，只有研發出適用面廣、成本適中的桌面自動列印系統，才能真正進入「尋常百姓家」。
第二，足夠豐富的應用程式和軟體也是推廣的重要前提。劉靜希望，今後有更多的科研人員參與研發相關應用，以確保即便沒有電子設計經驗的人士也能藉助預設於計算機中的控制軟體，列印出電子賀卡、顯示器、廣告牌、機器人乃至光伏電池陣列等電子產品。
雖然困難重重，但正如業界評價的那樣：這意味著打開了極為廣闊的應用領域乃至通過家用印表機製造電子器件的大門。
加速3D列印升級和電子工業革新
3D列印是當前世界範圍內的前沿熱點，但已有方法大多只能實現模型自身的列印，尚不易完成包含電子功能在內的器件製造需求。因此，室溫狀態液態金屬直接印刷電子方法為此帶來了新希望。新技術應用領域極為廣闊，家用印表機製造電子器件的大門由此打開，有望催生出一系列超越傳統理念的電子工程學及3D機電列印技術，從而加快電子工業和製造業革新的步伐。
業內人士認為，液態金屬直接印刷電子電路的技術，為電子元器件的個性化製造創造了條件，可能會影響到未來電子技術的發展模式。個性化的電路設計方法，將使該技術在電子工程、個性化電子元件設計和製造加工、創意設計等方面有較大的應用空間，促進DIY電子的普及。可以預見的是，隨著列印系統成本的逐步降低，未來即便沒有電子設計經驗的人士也能藉助預設於計算機中的控制軟體，列印出自己所需要的終端電子器件乃至組裝出機電系統，如電子賀卡、紙上集成電路、顯示器、廣告牌、智能織物、機器人，乃至光伏電池陣列等。
另外，這一技術還有望顯著推升電子紙市場的發展空間。據市場研究諮詢公司IDTechEx預測，2013年電子紙市場估計約160億美元，這一數字在2023年將增長至近770億美元。（責編/張寧）