綜述：電子3D打印的技術(shù)、工藝、材料和未來趨勢(shì)

導(dǎo)讀：近年來，由于3D電子打印技術(shù)具有傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特功能，因此引起了業(yè)界和研究人員的濃厚興趣。這一最新技術(shù)具有極大的優(yōu)勢(shì)，未來的研究趨勢(shì)是朝著3D嵌入式電子設(shè)備、3D共形電子學(xué)、柔性3D打印電子學(xué)和可伸縮3D打印電子學(xué)的應(yīng)用發(fā)展。深入了解用于制造3D打印電子設(shè)備的先進(jìn)功能材料和技術(shù)的目前發(fā)展很有必要。


南極熊獲悉，來自新加坡科技大學(xué)的研究者整理了關(guān)于3D打印電子器件的發(fā)展和應(yīng)用，已經(jīng)將研究?jī)?nèi)容發(fā)表在了《Progress in Materials Science 》期刊中，在文章中研究人員對(duì)最新的3D電子打印技術(shù)和用于制造3D打印電子器件的創(chuàng)新實(shí)用技術(shù)進(jìn)行了深入的概述，并討論了用于制造3D打印電子器件的先進(jìn)功能材料的最新進(jìn)展和未來的應(yīng)用趨勢(shì)。

3D電子打印技術(shù)

△3D電子打印技術(shù)的分類

3D電子打印技術(shù)的定義是“將功能油墨直接精確沉積到基板上”的打印技術(shù)。其中，擠壓打印、噴墨打印、噴霧打印和電動(dòng)流體動(dòng)力(EHD)噴墨打印是3D電子打印研究領(lǐng)域中使用最廣泛的3D打印技術(shù)，這些技術(shù)都能夠用于將功能油墨直接沉積到基材上。根據(jù)ISO/ASTM2021：52900的分類可知，擠壓式打印可被歸類為材料擠壓，而噴墨打印、噴霧打印和電液噴射打印可被歸類為材料噴射。

1.擠壓式打印


△擠壓式打印示意圖

基于擠壓的打印技術(shù)原理簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，其中功能材料的連續(xù)流動(dòng)通過噴嘴擠壓實(shí)現(xiàn)。與其他打印技術(shù)相比，這種技術(shù)可使用的材料粘度范圍更大，并且堵塞問題更少。然而，這種方法速度慢得多，打印分辨率也較差。根據(jù)所使用的擠出機(jī)類型，可以將基于擠出的印刷進(jìn)一步細(xì)分為基于長(zhǎng)絲的擠出、基于氣動(dòng)的擠出、基于柱塞的擠出和基于螺桿的擠出。氣動(dòng)擠壓、柱塞擠壓和螺桿擠壓印刷技術(shù)也統(tǒng)稱為直接墨水書寫(DIW)。

2. 噴墨打印


△噴墨打印示意圖

噴墨打印是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在過去的幾十年里已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它利用噴墨打印技術(shù)通過將墨水沉積到紙張基材上來構(gòu)建圖像。利用這項(xiàng)技術(shù)，還可以通過沉積電功能和導(dǎo)電材料來制造3D打印電子產(chǎn)品。根據(jù)液滴產(chǎn)生方法，噴墨打印分為兩大類：連續(xù)噴墨打印(CIJ)和按需滴墨打印(DoD)。一般來說，噴墨打印技術(shù)是數(shù)字化、非接觸式、無(wú)掩膜和節(jié)省材料的。但噴墨打印技術(shù)在打印過程中普遍面臨噴嘴堵塞的問題。除此之外，噴墨打印技術(shù)只能沉積特定表面張力范圍內(nèi)的低粘度流體。因此，這限制了可通過噴墨打印沉積的油墨的類型。噴墨打印技術(shù)通常也不利于將功能材料沉積到非平面表面上。

3.噴霧打印


△噴霧打印示意圖

噴霧打印技術(shù)是一種基于氣溶膠的直寫打印技術(shù)，能夠產(chǎn)生定向準(zhǔn)直的氣霧束，用于將材料直接沉積到襯底上。這項(xiàng)技術(shù)也被稱為空氣動(dòng)力聚焦。通常，噴霧打印機(jī)配備氣動(dòng)或超聲波霧化器。氣動(dòng)霧化器可以接受粘度范圍從1到500cps的墨水，而超聲波霧化器只能接受粘度從1到15cps的墨水。氣溶膠噴射過程可以沉積一系列用于3D打印電子應(yīng)用的功能材料，包括金屬納米顆粒墨水、碳納米管(CNTs)、石墨烯、介電材料和導(dǎo)電聚合物。噴霧打印機(jī)已經(jīng)證明了能夠達(dá)到10μm的打印分辨率。噴霧打印技術(shù)也是非接觸式的，能夠減少制造污染和損害。

4. 電液動(dòng)力(EHD)噴射


△電液動(dòng)力(EHD)噴射打印示意圖

在電液動(dòng)力(EHD)噴墨打印中，使用電場(chǎng)在產(chǎn)生流體流動(dòng)的過程中產(chǎn)生電流體。這通常需要高壓來克服小噴嘴中的高毛細(xì)壓力，但當(dāng)噴嘴的直徑太小時(shí)，這在技術(shù)上可能是不可行的。因此，為了克服這個(gè)問題，EHD噴墨打印技術(shù)通過施加電場(chǎng)而不是將從導(dǎo)電噴嘴提取墨水。EHD噴射打印技術(shù)可以產(chǎn)生非常精細(xì)的線條和亞微米范圍內(nèi)的微小液滴，噴嘴的內(nèi)徑可以小到100nm。EHD噴射技術(shù)可以沉積用于3D打印電子應(yīng)用的有機(jī)和無(wú)機(jī)材料。

3D打印電子功能材料
大量的功能材料被用于制造3D打印電子設(shè)備，每種類型的材料都有其獨(dú)特的功能和用途。一般來說，3D打印電子產(chǎn)品的功能材料可分為介電油墨、金屬納米顆粒油墨、導(dǎo)電聚合物、金屬有機(jī)分解(MOD)油墨、碳納米材料油墨和半導(dǎo)體油墨。



●介電油墨：介電油墨是一種電絕緣材料。它們?cè)?D打印電子產(chǎn)品的許多方面起到重要作用，包括電路保護(hù)、多層電路絕緣以及制造電容器和晶體管。

●金屬納米顆粒油墨：金屬納米顆粒油墨是導(dǎo)電金屬納米顆粒在液體介質(zhì)中的懸浮液。由于其良好的導(dǎo)電性，它們被廣泛用于3D打印電子應(yīng)用中的導(dǎo)電跡線和圖案的制造。典型的金屬納米顆粒油墨包括三個(gè)主要成分：金屬納米顆粒、有機(jī)添加劑和穩(wěn)定劑，以及液體介質(zhì)。

●導(dǎo)電聚合物：導(dǎo)電聚合物可分為本征導(dǎo)電聚合物和外在導(dǎo)電聚合物。

●金屬有機(jī)分解(MOD)油墨：金屬有機(jī)分解(MOD)油墨也稱為金屬有機(jī)油墨、前驅(qū)體類型油墨或不含納米材料的油墨。MOD油墨是高濃度的金屬有機(jī)絡(luò)合物或金屬鹽，溶解在有機(jī)溶劑或水溶液中。它們也被廣泛用于3D打印電子應(yīng)用中的導(dǎo)電跡線和圖案的制造。

●碳納米材料油墨：碳納米管(CNT)是具有封閉或開放末端的卷曲的石墨烯薄片。

●半導(dǎo)體油墨：半導(dǎo)體油墨用于制造3D打印的有源電子元件。3D打印有源電子元件通常受半導(dǎo)體油墨的帶隙、通斷比和遷移率等特性的影響。半導(dǎo)體油墨主要有兩類，即有機(jī)半導(dǎo)體油墨和無(wú)機(jī)金屬氧化物半導(dǎo)體油墨。

3D打印電子產(chǎn)品和材料的發(fā)展趨勢(shì)
3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)將在不久的將來徹底改變和顛覆目前的電子行業(yè)。這項(xiàng)新技術(shù)旨在最大限度地減少時(shí)間瓶頸、浪費(fèi)和制造成本，同時(shí)允許在更短的原型時(shí)間內(nèi)高度創(chuàng)新和按需制造可定制的電子產(chǎn)品。

1.3D打印電子產(chǎn)品
●柔性和可伸展3D打印電子產(chǎn)品：目前的研究趨勢(shì)之一是轉(zhuǎn)向柔性和可伸展3D打印電子產(chǎn)品。這種電子產(chǎn)品可用于許多應(yīng)用，特別是在軟機(jī)器人和可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)中。3D打印技術(shù)可以簡(jiǎn)單地將功能材料直接沉積到柔性襯底上。對(duì)于許多行業(yè)部門，包括醫(yī)療保健和能源部門，柔性3D打印電子產(chǎn)品可以提供更多設(shè)計(jì)自由度并減少外形尺寸的限制，有比傳統(tǒng)硬質(zhì)電子產(chǎn)品更大的潛力。


△電子器件


●適形電子器件
一些3D電子打印技術(shù)還允許將功能油墨直接沉積到保形表面上，以在3D表面上制造電子設(shè)備。3D適形打印可以實(shí)現(xiàn)更多的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用，同時(shí)能夠顯著減輕重量和更大化地利用空間。此外，3D共形打印還將形狀系數(shù)作為制造形狀獨(dú)特的天線的設(shè)計(jì)考慮因素。上圖中的(d)圖，展示了直接將銀納米顆粒墨水沉積在半球玻璃基板的共形表面上制造的小天線。

●嵌入式電子產(chǎn)品
一些3D電子打印技術(shù)也允許多比例、多材料和多功能地打印。因此，可以在單個(gè)打印作業(yè)中制造多功能結(jié)構(gòu)或嵌入式電子設(shè)備，將導(dǎo)電跡線、有源組件和無(wú)源組件集成在復(fù)雜的非平面幾何部件中，可參考上圖(e)。因此，有利于節(jié)省空間、減輕重量和保護(hù)部件。

2.材料
●柔性和可伸縮電子設(shè)備的自修復(fù)材料：柔性和可拉伸的電子設(shè)備于反復(fù)彎曲和拉伸會(huì)形成機(jī)械損壞，從而導(dǎo)致設(shè)備故障。因此，近年來，自修復(fù)功能材料受到了極大的關(guān)注。這些材料本身具有自動(dòng)修復(fù)損傷的能力，研究人員正在探索將它們集成到靈活和可伸展的電子設(shè)備中，以增加設(shè)備的堅(jiān)固性。

●復(fù)合材料：復(fù)合材料越來越受到人們的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兲岣吡烁纳茩C(jī)械和電學(xué)性能的能力。此外，復(fù)合材料還允許根據(jù)應(yīng)用的需要靈活地定制所需的電氣、機(jī)械和電磁特性。

●4D打印材料：4D打印是3D打印的一個(gè)新領(lǐng)域，4D打印是指3D打印結(jié)構(gòu)的形狀、功能和物理性質(zhì)隨著時(shí)間的變化而變化，以響應(yīng)外部刺激，如溫差、化學(xué)反應(yīng)和光學(xué)照射。對(duì)于4D打印電子應(yīng)用，可以在形狀記憶聚合物(SMPS)中加入導(dǎo)電填料，使其具有所需的電學(xué)性能。除了具有用于4D打印電子應(yīng)用的導(dǎo)電開關(guān)電源外，導(dǎo)電功能材料還可以直接沉積在4D印刷結(jié)構(gòu)上或嵌入其中。

●3D打印生物電子器件：由于3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建高度集成的3D多功能結(jié)構(gòu)，許多研究人員正在探索這一新興技術(shù)，以制造具有電功能的幾何復(fù)雜和生物兼容的設(shè)備和支架。其中一些裝置包括生物傳感器、電刺激組織再生支架和微電極。生物傳感器是一種受體，可以檢測(cè)某些物質(zhì)并對(duì)可識(shí)別的電信號(hào)做出反應(yīng)。電刺激也可能有助于促進(jìn)生物組織更快的再生。因此，一些研究一直在尋求將電子設(shè)備集成到生物支架中，以改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)再生過程。


△3D打印了一對(duì)左右仿生耳朵，能夠增強(qiáng)射頻接收和立體聲音頻音樂收聽的聽覺感知

●可生物降解的材料：解決電子垃圾問題的最實(shí)際和最有吸引力的解決方案是開發(fā)可生物降解的電子產(chǎn)品，因?yàn)榭缮�物降解性確保產(chǎn)生的廢物是環(huán)保和無(wú)毒的。因此，探索利用可生物降解有機(jī)材料制備可生物降解電子器件具有重要意義。這種設(shè)備在運(yùn)行過程中的效率和性能是一個(gè)關(guān)鍵方面，它將決定可生物降解3D打印電子產(chǎn)品被采用的可能性。材料還需進(jìn)一步研發(fā)，以適應(yīng)各種部件的降解時(shí)間，滿足各種應(yīng)用和要求。其他一些重要的考慮因素還包括周期性機(jī)械載荷產(chǎn)生的變形影響和可生物降解材料在工作壓力下的可靠性。

總結(jié)
用于3D打印電子應(yīng)用的理想功能油墨應(yīng)該具有良好的材料和電學(xué)性能、良好的打印適用性、高性價(jià)比以及能承受一定的加工溫度。打印系統(tǒng)還必須具有良好的打印分辨率、高打印速度、按需非接觸打印，并允許快速修改設(shè)計(jì)和易于擴(kuò)展。為了維持3D打印電子產(chǎn)品的增長(zhǎng)和采用，需要在新型先進(jìn)功能油墨的研究和開發(fā)方面繼續(xù)努力。有必要為各種應(yīng)用開發(fā)具有不同材料性能、電子性能和機(jī)械性能的各種油墨。最終的電子性能和打印分辨率是3D打印電子產(chǎn)品的兩個(gè)最重要的考慮因素。

非常鼓勵(lì)油墨制造商和機(jī)器制造商加強(qiáng)合作，分享他們的專業(yè)知識(shí)，以便共同配制和優(yōu)化適合某一打印機(jī)的油墨，從而更好地改善打印適用性和打印質(zhì)量。相信在不久的將來，電子產(chǎn)品的新3D打印應(yīng)用會(huì)發(fā)揮它巨大的潛力。


更多內(nèi)容請(qǐng)查看原文：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100945