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墨水直写技术在微型电子器件中的应用

发表时间：2020/12/23 来源：《文化研究》2020年10月下作者：申航睿

[导读] 墨水直接技术是一种3D打印技术，它可以通过自定义油墨实现复杂结构的打印，其加工过程不需要模板和支撑结构可在亚微米到微米范围实现材料的加工成型。

沈阳理工大学申航睿

摘要：墨水直接技术是一种3D打印技术，它可以通过自定义油墨实现复杂结构的打印，其加工过程不需要模板和支撑结构可在亚微米到微米范围实现材料的加工成型。墨水直写技术被广泛应用于微电子元件中，例如锂电池，纳米发电机，压力传感器，超声换能器等。本文阐述了墨水直写技术的打印原理和材料选择，重点介绍了其在微型电子器件制造中的应用并对其未来发展趋势进行了展望。
关键词：直写技术微电子制造 3D打印
        引言
        近年来，人们致力于对柔性电子器件的开发和应用并取得巨大成就。柔性电子器件已经广泛应用于传感器，人工皮肤，柔性触摸屏，晶体管和能量收集存储设备[1-2]。墨水直写技术作为一种新型的增材制造技术，在制造小型化（亚微米到毫米）和柔性电子元件上具有传统加工技术无法比拟的优势，逐渐成为微型电子器件加工的重要手段。直接墨水书写(DIW)最早由美国桑迪亚国家实验室的Cesarano团队在1999年提出, 其原理是借助计算机辅助(CAD)设计特定的三维结构, 通过控制墨水输送装置在三维空间移动，使配置的油墨从喷嘴挤出逐层叠加在平台上来形成复杂的三维结构。在3D打印技术中，直接墨水书写技术在，生物医疗，柔性电子材料等应用领域具有很大的潜力。
        1.直写过程与材料选择
        为了使油墨的流出具有稳定性和连续性，需要对油墨的流变性能进行研究。若想使墨水成功固化一般有两种方法，一种方法是利用墨水的固有特性例如光敏特性。另一种最普遍的方法就是利用墨水的剪切变稀特性。为了保持打印形状，墨水必须必须具有较高的储能模量G’以及屈服度。随着剪切应力的增加，油墨的损耗模量G”超过储能模量，使油墨在较大的剪切应力下变形，使油墨可以从喷嘴挤出。填料用于向产品传递所需的性能。粘合剂有助于填料的均匀分散并维护印刷油墨的整体结构完整性。除填料、粘合剂和溶剂外，还可以添加其他添加剂优化墨水性能，比如少量添加可改变流变性和打印性的物质，如润湿剂和表面活性剂。润湿剂对油墨亲水性起促进作用并通过维持残余水分巩固层间结合力。表面活性剂的加入可以有效地降低墨水的表面张力。在为墨水选择溶剂和颗粒填料时，应考虑两点：第一，墨水的挤出需要较大的压力。当填料的横向尺寸与喷嘴内径之比过大会发生堵塞。第二,溶剂的挥发性。溶剂的快速蒸发可以防止墨水扩散并保持打印结构。然而，溶剂的快速蒸发会导致喷嘴出口堵塞。所以选择溶剂要在这些影响之间取得平衡。
        2.墨水直写技术在柔性电子器件中的应用
        最近几年，墨水直写技术被广泛应用与可穿戴柔性电子设备。与传统加工方式相比，墨水直写可以在保持一定的分辨率和精度下，打印微小的复杂结构。因此墨水直写技术应用于制备柔性机器人，锂电池和压力传感器等器件。

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Lewis等通过墨水直写技术同时打印柔性和刚性油墨打印千足虫特征的柔性机器人，并镶嵌气动执行器进行驱动。Chen等同样利用墨水书写技术可以使用多喷嘴的优势制造出3D超柔性TENG为可穿戴柔性电子材料供电。在2019年，Li等同样利用墨水直写技术打印TENG。他们使用能够快速固化的硅树脂弹性体作为油墨来形成一个双负摩擦电层并与铝箔（正摩擦电层）结合形成Teng。Guo等将银纳米粒子作为打印油墨制备了一种可伸缩触觉传感器。油墨中银纳米粒子的浓度随部位的不同而变化。Wang等将Nacl/TPU/CB混合作为墨水，使用墨水直写技术打印孔隙结构作为传感部分。在压力作用下，孔隙间接触面积的变化非常明显，因此大幅提高了传感器的敏感度。墨水直写技术在锂离子电池的制备上同样发挥了重要作用。在2013年，Kun等报道了使用直接书写技术制备微型的交错结构的锂离子电池。他们利用LFP和LTO作为墨水的溶质直接打印成交错结构，这种特殊的结构可以最大限度地提高单位体积的能量密度，特别适合于微电子器件。Hu等在2016年使用直写技术制备了一种同样是交错结构的锂电池，不仅具有导电添加剂的作用并且高浓度的GO溶液具有良好的粘弹性和剪切变稀的性能非常有利于油墨的稳定挤出和成型。将聚合物油墨通过直接书写技术打印为固体电解质。不仅解决了电解质泄露和膨胀的问题还起到了分离器的作用。
        墨水直写技术的优点是可以在保证较高的分辨率的同时打印微小的复杂结构，并且不需要支撑结构可以直接集成在复杂的基体上面，这有助于推动柔性微电子器件的发展。此外，墨水直写技术还可以实现同时打印多种材料，使新型多材料复杂结构的打印成为可能。
        3.总结与展望
        3D打印技术为微型电子器件的制备开辟了一条崭新的道路。特别是在微小和复杂元件的制备方面，传统的制备工艺过于复杂并且制造周期较长。与其他3D打印技术相比，墨水直写技术可以通过对打印过程精确控制实现多材料混合打印，并且无需支撑结构，便于直接集成在电子设备上。虽然墨水直写技术被广泛应用于可穿戴柔性电子器件但是仍然有许多问题需要解决。首先需要处理油墨与打印过程之间的协调关系。其次与传统先进工艺相比依然具有效率低，成本高，性能较差等问题。尽管墨水直写技术与传统工艺在制造成本和零件性能上具仍存在差距，但是两者在复杂结构，一体化制造和缩短周期等方面依然具有独到的优势。墨水直写技术为微电子器件的制造和发展提供了新的方向，未来研究者会将传统工艺与3D打印技术相结合促进科技和社会发展，让梦想照进现实。
参考文献
[1]Chang,J.-K.; Chang, H.-P.; Guo, Q.;Koo,J.;Wu, C.-I.; Rogers,J.A., Biodegradable Electronic Systems in 3D, Heterogeneously Integrated Formats.Adv.Mater.2018,30 (11), 1704955.
[2] Guo,S.Z.;Qiu,K.;Meng,F.;Park,S.H.; McAlpine,M.C.,3D printed stretchable tactile sensors. Adv. Mater. 2017,29 (27), 1701218.