柔性电子设备中微结构的3D打印

供稿人:汪鑫 田小永

近年来，在可穿戴电子设备、智能皮肤、医学检测等领域内，柔性和可拉伸电子器件受到越来越多的关注。然而，现在可穿戴电子设备的电路，通常是基于平面二维几何图形的。香港城市大学的Yiming Liu等人提出一种激光直写3D打印技术，可以将二维的几何图形电路，扩展至三维的立体电路。同时，他们利用激光直写技术，制备了三维蛇形导电网络，这些微结构和衬底具有良好的透光率和柔性。

Yiming Liu等人首先利用高分辨率3D打印机，将IPL-780型光刻胶固化在22mmX22mm的玻璃底板表面，形成具有蛇形结构的网络，然后，利用磁控溅射在蛇形网络的表面镀上200nm厚的金属铜，使结构具有良好的导电性，最好，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）对蛇形导电网络进行封装，并在固化后剥离玻璃底板，得到柔性电子设备，整个过程如图1所示。

图1 3D打印工艺的原理示意图（a）；微结构的SEM照片（b）

另外，Liu等人发现，利用蛇形导电网络可以实现良好的透光性能，透光率达到90%（图2）。同时，如图3所示，Liu等人还对这种柔性结构进行了有限元分析，从而获得更好的拉伸、扭转性能，通过优化，拉伸性能从2.7%提高到13.8%，最大弯曲角从114°增加到160°，最大扭转角从24°增加到32°。

图2 柔性网络的装配及机械柔性的演示

Liu等人表示，这项技术结合了微结构的3D打印、磁控溅射及PMDS封装工艺，实现了三维结构的导电网络的设计及制造，在未来，三维电路将极大的丰富柔性电子设备的结构和功能。

图3 拉伸、弯曲和扭转过程中铜层应变分布的有限元分析

参考文献：
Liu Yiming,Xu Yeshou,Avila Raudel,Liu Chao,Xie Zhaoqian,Wang Lidai,Yu Xinge. 3D printed microstructures for flexible electronic devices.[J]. Nanotechnology,2019,30(41).

供稿人:汪鑫 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室