納米醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)與工程系的同事們開(kāi)發(fā)了一種非常規(guī)的3D打印方法

在最近的一項(xiàng)關(guān)于材料科學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的研究中，Young-Geun Park和大韓民國(guó)納米科學(xué)，納米醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)與工程系的同事們開(kāi)發(fā)了一種非常規(guī)的3D打印方法。科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種高分辨率，可重新配置的3D打印策略，使用液態(tài)金屬形成可拉伸的3-D結(jié)構(gòu)。使用該技術(shù)，他們使用直接印刷和印刷圖案形成最小線寬1.9μm，以重新配置成各種3-D結(jié)構(gòu)，同時(shí)保持原始分辨率。

他們多次進(jìn)行重新配置，以生成薄氧化物界面，并在環(huán)境條件下保持材料的電氣特性。獨(dú)立式功能可以封裝在可伸縮的保形配置中。Park等。以可重構(gòu)天線的形式展示應(yīng)用，通過(guò)改變幾何形狀和可逆移動(dòng)的互連來(lái)調(diào)諧，以將結(jié)構(gòu)用作機(jī)械開(kāi)關(guān)。獨(dú)立的3-D結(jié)構(gòu)有利于最小化互連之間的數(shù)量和空間，以實(shí)現(xiàn)更高的集成度，如microLED陣列所示。結(jié)果現(xiàn)在發(fā)表在Science Advances上。

形成具有高分辨率，高縱橫比和最小位移誤差的3-D導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的先進(jìn)技術(shù)對(duì)于提高器件完整性非常重要。設(shè)備可變形性是自由形式電子設(shè)備的關(guān)鍵考慮因素，包括可拉伸電子設(shè)備，可穿戴電子設(shè)備，軟驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人技術(shù)。這些電子設(shè)備通常需要具有可移動(dòng)的任意形狀的構(gòu)造，例如關(guān)節(jié)或臂，或生物體的軟表面。用諸如硅的常規(guī)材料實(shí)現(xiàn)這種可拉伸裝置由于其脆性而成為挑戰(zhàn)。因此，材料科學(xué)家開(kāi)發(fā)了各種導(dǎo)電材料，具有優(yōu)良的拉伸性，呈波狀薄金屬，金屬網(wǎng)絡(luò)和彈性復(fù)合材料，但這些工藝無(wú)法形成可擴(kuò)展的3-D結(jié)構(gòu)。此外，3-D印刷和熱退火金屬相對(duì)堅(jiān)硬且剛性，導(dǎo)致對(duì)柔軟的組織狀基材的損壞。

相比之下，液態(tài)金屬如共晶鎵銦合金(EGaIn)或鎵銦錫合金(Galinstan)本質(zhì)上是可拉伸的，具有低毒性和極小的揮發(fā)性，具有極好的導(dǎo)電性 - 與固體金屬相當(dāng)。使用噴嘴的直接油墨印刷可以通過(guò)將液態(tài)金屬液滴彼此堆疊而在室溫下形成獨(dú)立的3-D結(jié)構(gòu)，但是所得到的分辨率不適于構(gòu)建電子器件。因此，在目前的工作中，Park等人。報(bào)告了一種采用液態(tài)金屬的高分辨率印刷方法，可在環(huán)境條件下通過(guò)噴嘴直接重新配置成3-D電極圖案。

在實(shí)驗(yàn)裝置中，Park等人。將噴嘴連接到墨水容器或壓力控制器。材料科學(xué)家使用EGaIn(75.5%鎵和24.5%重量的銦合金)作為墨水并控制噴嘴尖端和聚合物基材之間的距離以輸送墨水。使用掃描電子顯微鏡(SEM)，他們觀察了印刷有復(fù)雜2-D和3-D幾何形狀的EGaIn圖案，并使用該技術(shù)印刷更多樣化的圖案，例如高分辨率的電路互連。

在通過(guò)噴嘴直接印刷EGaIn后，科學(xué)家們將噴嘴尖端抬起，重新定位到基板的所需位置，以繼續(xù)打印。在剝離期間，氧化皮的斷裂能將噴嘴尖端連接成“繩索”。Park等。測(cè)量不同直徑長(zhǎng)絲的最大速度，以展示不同的例子，并形成具有可重復(fù)重新配置的2-D和3-D特征。在重新配置過(guò)程中，科學(xué)家們可以從基板上直立提升預(yù)印的燈絲，而不會(huì)使結(jié)構(gòu)破裂。觀察到的穩(wěn)定電極可以承受電負(fù)載，從而在電子設(shè)備中變得越來(lái)越集成和小型化。為了驗(yàn)證EGaIn電極作為互連的適用性，Park等人。之后進(jìn)行電擊穿測(cè)試。

當(dāng)他們應(yīng)用DC或AC偏壓來(lái)監(jiān)測(cè)電擊穿時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置中的溫度過(guò)高會(huì)影響EGaIn 3-D特征的機(jī)械穩(wěn)定性。構(gòu)建體在500保持它們的初始自由站立3-d結(jié)構(gòu)而不結(jié)構(gòu)崩潰0 ℃30分鐘。在室溫下反復(fù)加熱和冷卻后，由于氧化物殼和EGaIn芯之間的熱膨脹，3-D特征的氧化皮略微起皺。Park等。測(cè)試了直接印刷和重新配置的液態(tài)金屬的電接觸，并測(cè)量了總電阻對(duì)印刷通道長(zhǎng)度的依賴性，表明EGaIn圖案的電阻在環(huán)境條件下隨時(shí)間顯著增加。

作為本工作中開(kāi)發(fā)的可重構(gòu)電子器件的原理驗(yàn)證，Park等人。展示了可重構(gòu)天線的形成，該天線具有通過(guò)改變其幾何形狀來(lái)改變其共振頻率和輻射特性的能力。為此，科學(xué)家們通過(guò)直接印刷EGaIn在載玻片上形成了雙線圈天線結(jié)構(gòu)。在重新配置期間，EGaIn形成了一個(gè)三維橋接互連，其共振頻率是科學(xué)家們首先確定的，然后用于選擇性地操作具有紅色，綠色和藍(lán)色光發(fā)射的三種不同的發(fā)光二極管(LED)?？芍匦屡渲玫莫?dú)立式互連在重復(fù)分離和連接多個(gè)重新配置步驟期間保持其在3V下可靠地操作所有LED的阻力。

使用重新配置過(guò)程形成的獨(dú)立式3-D互連有利于在單個(gè)XY平面中構(gòu)建交叉幾何形狀，而不是使用多個(gè)層從而防止不期望的電接觸。為此，Park等人。展示了EGaIn的橫向和縱向互連，用于柔性聚合物薄膜上的4×4陣列microLED，以防止短路。使用該方法，Park等人。最小化集成在微型器件中的互連數(shù)量，因?yàn)?-D模式可以有效地最小化互連的數(shù)量和空間。

通過(guò)這種方式，Young-Geun Park及其同事展示了使用液態(tài)金屬的高分辨率3D打印技術(shù)，并展示了其應(yīng)用于傳統(tǒng)工程難以實(shí)現(xiàn)的可拉伸3-D集成。與現(xiàn)有的3-D印刷技術(shù)相比，該方法可以形成具有可重構(gòu)圖案的精細(xì)，獨(dú)立的電極3-D結(jié)構(gòu)。例如，Park等人。設(shè)計(jì)了一種能夠改變其共振頻率的可重構(gòu)天線通過(guò)幾何變化。他們還展示了可逆移動(dòng)的3-D互連作為機(jī)械開(kāi)關(guān)，可以在小型化設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的緊湊集成?？茖W(xué)家們期望高分辨率3-D重新配置方法為高度集成和可拉伸的下一代電子設(shè)備提供有前途的新增材制造策略。