华中科技大学吴志刚教授课题组：基于液态金属的高质量印刷技术

【引言】

可拉伸电子产品在表皮电子，软体机器人，微机电系统和医疗诊断等各个领域引起了科研人员的广泛关注。这是由于镓铟锡合金的液态属性，使其具有出色的机械表面顺从性，包含平面、复杂曲面和动态表面。基于此的可拉伸柔性电子在性能方面具有其独特的优势，例如超高的柔韧性、可拉伸性、抗疲劳性、高导电性及轻巧紧凑等。为了制造这种可拉伸电子产品，在过去的几十年中，科研人员在材料或机械设计等各个方面已进行了广泛的研究。其中，柔性版印刷、直写打印，同轴打印，机器三维打印，蒙版印刷，雾化印刷，冷冻铸造和激光辅助印刷等具有液态金属独特特点的打印技术都已被提出来，然而由于液态金属的高表面张力，表面氧化层等物理特性，基于其的高质量打印一直未得到很好的解决。高精密激光设备一直是微纳制造领域的热门选择，因为其加工效率高，加工精度高，加工可重复性高，不仅可以进行微纳尺寸的材料切割，还可以对材料进行表面结构与性能的改性。

近期华中科技大学吴志刚教授团队利用高精度紫外激光，在液态金属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，并且由于过程的可控性，均具有工业大批量生产的潜力。利用激光改性柔性材料特定表面的形貌，来完成高质量高效率选择性转印液态金属，而且此工艺还适用于三维平面的转印，该成果发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊；基于改性水溶性掩膜，同时借助激光的高精度高密度图案化效率，提出了过程可控的高精度高密度液态金属加工方法，使用其制造的超薄传感器可以直接用于监测皮肤局部运动，对于人机工程的发展具有重要的意义，该成果已被Soft Robotics期刊录用；借助热收缩膜的各向同性收缩特点，提出了一种低成本制造可用于微纳加工的掩膜生产技术，该成果发表于ACS Applied Polymer Materials(cover)期刊。

1.激光诱导的选择性转印

近日，华中科技大学机械科学与工程学院吴志刚教授课题组，通过激光选择性处理软基材的表面形貌，进而调控液态合金在软基材上的润湿性，提出了液态合金在不同材料、不同表面（平面和3D复杂表面）上的柔性版顺行印刷技术，并研究了调控机理和液体合金的润湿性和表面形貌之间的关系。通过调整激光参数，改变印章表面的粗糙度，减小其与液态金属表面氧化膜的接触面积，根据cassie模型，调控液态金属在其表面的润湿性，达到选择性粘附液态金属的作用。实验结果表明，所提出的柔性版印刷技术在平面、曲面、凹凸等不规则的三维复杂表面上打印出的液态合金电路均具有稳定性好、保真度高、顺形度高等优点。此外，该技术还有高效快速、耗时短的优点，在大规模的工业化生产中具有极大的潜力。该成果以题为“High-Fidelity Conformal Printing of 3D Liquid Alloy Circuits for Soft Electronics” 发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。文章的第一作者为课题组博士生张硕，吴志刚教授为通讯作者。

【图文简介】

图1. 液态合金电路柔性版印刷的润湿性调控：原理，工艺和展示。

（A）液态金属亲疏性印章和表现。（B）选择性转印过程原理（C）柔性印刷工艺流程图示。（D）平面螺旋电路。（E）大脑分形的树。（F）不可延展曲面螺旋电路。（G）可延展曲面3D电路。（H）草莓的3D复杂曲面电路。

图2.调控液体合金在软基材上的润湿性。

（A）三维和微观形貌图。（B）激光参数调控表面粗糙度。（C）不同粗糙度表面对液态金属的润湿性。（D）液态金属和不同表面的界面能。

图3.柔性版印刷的图案和表征。

（A）印刷的线宽保真度表征。（B）印刷的线截面轮廓饱满度表征。（C）最小线宽下的螺旋电路。（D）最小线距。（E，F）平面和三维曲面电路展示。（G）印章耐久性测试。（H）印刷电路机械可靠性测试。

图4.从平面到复杂三维曲面的应用。

（A）LED阵列。（B）天线。（C）动态下的草莓三维复杂曲面电路。（D）放大图。

【文献信息】

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

原文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b20595

2. 高精度掩膜沉积：

掩膜沉积是微纳制造领域的一种通用技术，但如何将这种技术应用到液态金属的高效、高密度、自动化打印上来还有许多需要克服的难点，本成果创造性的提出解决了这个问题的工艺。通过改性水溶性膜、激光图案化掩膜、液态金属雾化沉积、水溶显影、集成封装等工序，液态金属可以以丰富多样的电路图案打印至柔性基底上。通过这个技术，可制造超薄的表皮拉伸传感器，它可以高密度的监测皮肤，甚至褶皱的伸展与回复运动。更重要的是，此工艺效率高，每步工序都具有可控性，具有很高的潜力应用至工业化大规模生产之中去。

【图文简介】

图5.关键处理步骤的示意图和制作的样本

（A）激光切割聚乙烯醇掩膜；（B）将掩膜转移到半固化PDMS；（C）在掩膜上雾化喷涂液态合金；（D）冲洗掩模；（E）干燥和封装；（F）二维应变传感器样本；（G）局部应变传感器；（H）液态合金LED灯

图6. 皮肤运动的监测。

（A）附着在肘部上的二维应变传感器，（B）电学信号随肘部弯曲的变化。（C）附着在食指上的表皮应变传感器，（D）电学信号随食指关节皮肤的运动而变化。

图7. 应变和电信号之间的关系。

（A）图示各个阶段的结构变化，（B）图示电信号的变化起因。（C）一个循环的信号变化，（D）各个阶段的实验结果模拟（插图是通道中液态金属不同阶段的显微照片）。

3.基于收缩膜的微尺度掩膜简易制作工艺：

在所有的液态金属打印技术中，掩膜沉积是其中一种非常有潜力应用至规模化生产的技术。同其它基于掩膜制造的工艺一样，最终的打印密度常常受到掩膜的限制，而且制造成本随着分辨率的增加而大大增加。该成果引进一种热缩膜掩膜-脱模剂-热缩膜的夹心结构，同时仅借助一个机械切割绘图机和一个普通烘箱，可完成精细液态金属的打印。而且，最终的分辨率和形状能够通过膜的各向同性和其它参数进行调控。收缩之后，掩膜的线宽和线距能够低至35微米和60微米。为了更好的控制最终的结构，影响收缩过程的参数，如温度、时间、结构等，也都从实验和理论仿真方面进行了研究。最后，基于液态金属的拉伸传感器和三维顺形掩膜展示了这项技术的潜在应用性。

图文简介

图8.应变传感器的制作过程

（A）(i)将PE薄膜置于PDMS表面，然后用绘图机进行机械制版；(ii)从PDMS上剥去原来的带有另一层PE膜的掩膜；(iii)将PE双层膜转移到铝板上；(iv)在烤箱中单向收缩；(v)将收缩的掩模转移到柔软的基材上，并喷涂液态合金，将掩模取下，得到液态合金图案化应变传感器；(vi)对应变传感器进行封装；（B）收缩后的掩模图片；（C）掩模收缩前后截面的对比图。

图9.缩小的PE掩模及其各种传感器性能图。

（A）应变传感器及其局部电路放大图；（B）应变传感器的性能表征；（C）螺旋压力传感器及其局部电路放大图；（D）螺旋应变传感器对不同压力的响应；（E）圆柱形曲面掩模；（F）半球形螺旋掩模及其电路。

【文献信息】

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

原文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsapm.8b00010

本文由华中科技大学吴志刚教授团队供稿，材料人编辑部编辑

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaorenVIP.