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

在最近的一項關(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發(fā)了一種非常規(guī)的3D打印方法。科學(xué)家們設(shè)計了一種高分辨率，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)，同時保持原始分辨率。

他們多次進行重新配置，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，通過改變幾何形狀和可逆移動的互連來調(diào)諧，以將結(jié)構(gòu)用作機械開關(guān)。獨立的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)的先進技術(shù)對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)動器和機器人技術(shù)。這些電子設(shè)備通常需要具有可移動的任意形狀的構(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，但這些工藝無法形成可擴展的3-D結(jié)構(gòu)。此外，3-D印刷和熱退火金屬相對堅硬且剛性，導(dǎo)致對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將液態(tài)金屬液滴彼此堆疊而在室溫下形成獨立的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)境條件下通過噴嘴直接重新配置成3-D電極圖案。

在實驗裝置中，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。測量不同直徑長絲的最大速度，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，而不會使結(jié)構(gòu)破裂。觀察到的穩(wěn)定電極可以承受電負載，從而在電子設(shè)備中變得越來越集成和小型化。為了驗證EGaIn電極作為互連的適用性，Park等人。之后進行電擊穿測試。

當(dāng)他們應(yīng)用DC或AC偏壓來監(jiān)測電擊穿時，實驗裝置中的溫度過高會影響EGaIn 3-D特征的機械穩(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。測試了直接印刷和重新配置的液態(tài)金屬的電接觸，并測量了總電阻對印刷通道長度的依賴性，表明EGaIn圖案的電阻在環(huán)境條件下隨時間顯著增加。

作為本工作中開發(fā)的可重構(gòu)電子器件的原理驗證，Park等人。展示了可重構(gòu)天線的形成，該天線具有通過改變其幾何形狀來改變其共振頻率和輻射特性的能力。為此，科學(xué)家們通過直接印刷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，綠色和藍色光發(fā)射的三種不同的發(fā)光二極管(LED)?？芍匦屡渲玫莫毩⑹交ミB在重復(fù)分離和連接多個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。

使用重新配置過程形成的獨立式3-D互連有利于在單個XY平面中構(gòu)建交叉幾何形狀，而不是使用多個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，因為3-D模式可以有效地最小化互連的數(shù)量和空間。

通過這種方式，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，獨立的電極3-D結(jié)構(gòu)。例如，Park等人。設(shè)計了一種能夠改變其共振頻率的可重構(gòu)天線通過幾何變化。他們還展示了可逆移動的3-D互連作為機械開關(guān)，可以在小型化設(shè)備中實現(xiàn)更高的緊湊集成。科學(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。