理化所等发明DREAM-Ink技术使直写式柔性电子器件成现实

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近期，中国科学院理化技术研究所与清华大学的科研人员在印刷电子学领域取得了突破性进展，令在各种柔性或硬质材料表面直接手写电子器件成为现实。相关研究文章发表在美国公共科学图书馆出版的《公共科学图书馆•综合》上（Y. X. Gao, H. Y. Li, J. Liu, Direct writing of flexible electronics through room temperature liquid metal ink, PLoS ONE, vol.7(9): e45485, 2012）。

此项研究建立了一种全新原理的电子器件制造方法，其核心在于通过组分各异的常温液态金属或其合金墨水，在各种基底上自下而上写出所需要的导体、导线乃至各种功能电子器件、传感器及集成电路。该方法在印刷电子学、生物医学电子、机电行业乃至能源等领域已显示出广泛的应用价值。研究负责人刘静研究员依照这一方法英文表述Direct Writing of Electronics based on Alloy and Metal Ink（基于金属及合金墨水的手写电子技术）的缩写，将其命名为DREAM-Ink（也取“梦之墨”之意）技术。

传统的电子器件印刷工序通常较为复杂，易污染环境，耗时、耗材且耗能，以致成本很高。可在各种基底上直接制作电子器件的直写式印刷方法，有望重塑集成电路产业。然而，高性能墨水的欠缺一直成为产业发展的短板所在。常规的导电油墨包括新近出现的基于纳米金/银/铜以及碳纳米管、石墨烯等的电子油墨仍存在配制工艺复杂、电阻率高、导线形成需要借助繁复的化学反应实现、器件成型固化温度高等缺憾，而已有的高温焊锡等金属的印刷在柔性基底上会受到极大限制。与之形成对比的是，所见即所得的DREAM-Ink技术则避免了上述困难，它与能耗高、工艺复杂的金属薄膜经典成膜方法如PVD、CVD等明显不同的是，在常温下即可直接印制各种薄膜乃至三维结构，由此开启了一条即时制作柔性电子器件的便捷且低成本的途径。在前期工作中，研究小组建立了制备多种低熔点金属油墨的方法，并揭示出调控对应金属流体与不同基底间润湿特性的规律。

“与以往的电子油墨相比，液态金属或其合金墨水除了具备可直接印刷书写、电导率高等优势之外，还显示出更多独特之处，如适用面广、成本适中以及制备方法便捷等，这为其今后的规模化普及应用奠定了基础。”高云霞博士（在站博士后，PLoS ONE文章的第一作者）指出，“该技术使得制作电路如同在纸上写字及绘画般简单。”她还指出，常规的毛笔以及特制的钢笔、圆珠笔等均可作为绘制电路的工具，而且通过一定设计，任意软硬度及粗糙度的基底材料都能与金属墨水兼容。在此之前，液态金属与各界面之间较弱的黏附性一直成为制约其实际应用的瓶颈。高云霞与其博士后导师刘静经过近半年的努力，终于探明了其中的机理，成功研制出热导率为当前市售最优热界面材料近3倍的高性能材料，由于成果的突出价值，有关论文在投稿当天即被接受发表(Y. X. Gao and J. Liu, Gallium-based thermal interface material with high compliance and wettability, Appl Phys A, vol. 107: 701–708, 2012)。这些进展为DREAM-Ink的充分应用打下了坚实基础。

室温金属流体是一类在常温常压下呈液态、可流动且导电的奇妙材料，然而其在信息、能源、医疗健康、电子等领域的应用却长期鲜为人知。早在10余年前，刘静研究员就意识到液态金属研究的科学意义和重大价值，带领团队开展了相应的基础与应用探索，先后取得了一系列首创性成果，如用于高性能计算机的室温金属流体芯片冷却技术、可广泛用于能源领域的金属流体无水换热器、移动电子器件低熔点金属相变吸热技术、液态金属能量自动捕获与发电技术以及纳米金属流体材料等，开辟出若干十分重要的研究新方向，部分工作被国际电子封装技术领域刊物ASME Journal of Electronic Packaging选为年度唯一最佳论文奖，还被Journal of Physics D：Applied Physics选为封面文章。

DREAM-Ink技术正是在长期实践中酝酿而成，核心思想已于2011年初提交了相应的发明专利申请，此后还在可直接印刷式热能/动能捕获器、纸上微流体芯片、半导体器件、光伏电池乃至液态金属打印机等方面形成系列发明专利。刘静研究员指出：“到目前为止，实验室已成功证明了可用于手写的金属或合金墨水与环氧树脂、玻璃、塑料、硅胶、纸、棉、纺织品、布、纤维乃至人体皮肤等都是高度兼容的，这为快速设计柔性电子电路领域打开了许多重要用途。以生物医学应用为例，在测量对象体表靠近心脏部位涂覆相应的金属墨水后，可以形成适形化电极，其易于洗脱，这对于ECG心电信号以及生物电阻抗等生理参数的测量会带来较大方便，而且进一步拓展的空间很大。”

“梦之墨”技术具有普遍意义。事实上，在上述PLoS ONE文章刊出前，刘静小组还证明了该方法在直接印刷式微小测温传感器方面的应用价值，相应工作发表于美国物理学会出版的《应用物理快报》上(H.Y. Li, Y. Yang, J. Liu, Printable tiny thermocouple by liquid metal gallium and its matching metal, Applied Physics Letters, vol.101: 073511, 2012）。该项工作首次提出并研究了液态金属之间以及液态金属与固体金属界面间的热电效应。正如文章第一作者李海燕博士生所说，“使用两种配对液态金属将微型热电偶直接写到所需基底上，给使用带来了较大方便，相应技术在生物量测、微流体器件等方面有重要价值。实验发现，在0至200℃的温度区间内，两种液态金属界面间或液态金属与固态金属间的热电势对温度显示出高度的线性关系，这对于温度的精确测量十分有益。”迄今，在实验室内，研究小组还利用DREAM-Ink技术制成了透明导电薄膜、天线、RFID元件等，它们均已展示出显著的实用性。

总的说来，液态金属墨水使用极为简捷，这预示了其较好的普适应用前景。作为一项新兴技术，“梦之墨”具有能够影响当前人们生活方式的潜力。比如，新技术有可能会改变日常生活中人们对于纸张的概念——即它不再只是文字的载体，还易于集成诸多电子元件，这可能引申出电子器件个性化设计(DIY：Do It Yourself)潮流，有助于促成个人电子时代的到来；此外，可以感应并发光发声的可洗布料不再限于想象；印制有液态金属薄膜的电子服装在阳光下可随时发电；建筑墙体或玻璃表面可以DIY方式直接涂覆上金属墨水及相关材料作为LED甚至太阳能电池，以作为装饰品或用以捕获光能的器件。同时，一场非传统的变革还将发生在设计、教育乃至文化艺术领域，今后的老师和学生们会受益良多——采用液态金属墨水，课程讲授将会变得生动有趣，学生们可以随心所欲的绘制出各种对象，只是与传统理念不同的是，DREAM-Ink绘画提供的电、磁、声、光、热、机械、化学等功能可充分调动人体的各种感官。

刘静小组的下一个目标是研制出更多常温下的液态金属墨水，用以满足各种特定功能电子器件，如Lab on Chip、生物医学传感器、3D天线、薄膜晶体管、太阳能电池阵列、射频识别标签、柔性电池乃至集成电路等的制作之需，从而将这一方法扩展到更多工业和商业领域乃至日常生活中。与此同时，团队还在加紧研制配套的液态金属打印机和手写笔，他们期待今后普通大众也能用上如激光打印机这样的DREAM-Ink设备。那时，即便没有电子设计经验的人士也能借助于预先研发并安装于计算机中的控制软件，随心所欲地打印出自己所需要的电子器件乃至组装出机电系统，如此，给家人或朋友快速制作一份极具个性化的电子贺卡不再是件难事。

考虑到DREAM-Ink研究的科学意义和重大发展前景，为推动这一新兴领域的进步，刘静与其学生于近期发表了一篇长达30页的前瞻性论文(Q. Zhang, Y. Zheng, J. Liu,Direct writing of electronics based on alloy and metal ink (DREAM Ink): A newly emerging area and its impact on energy, environment and health sciences, Frontiers in Energy, vol.6(4): 311-340, 2012)，系统阐述了DREAM-Ink柔性电子直写技术的基本原理和实现方法，以及其中所蕴含的科学问题和技术挑战，具体提出了一系列革新策略并分析了若干应用案例，论述了相应研究和应用对今后能源、环境和健康科学等领域可能带来的影响。“事实上，与业已取得的前期进展相比，DREAM-Ink电子学更重要的还在于引申出了不少前所未有的科学问题有待深入，此方面亟需国内外科学家、工程师乃至更广泛的设计者和使用者们的共同努力。”

刘静认为，可以预见的是，随着研究的不断推进，“梦之墨”将催生出一系列超越传统理念的新一代电子工程学技术。