青島理工大學(xué)蘭紅波&張廣明：3D打印高分辨率高性能任意曲面電路

三維曲面電子電路作為一種前沿技術(shù)，通過(guò)將電子元件和電路直接集成在三維曲面結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備的小型化、輕量化和功能多樣化。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)平面電路的局限，為電子產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了更多可能性，被廣泛的應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能蒙皮、曲面天線等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的制造方法在實(shí)現(xiàn)高分辨率、高性能的三維曲面單層及多層電子設(shè)備的集成制造仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)，特別是在自由形態(tài)表面上制造曲面共形電路。

基于此，青島理工大學(xué)蘭紅波教授&張廣明教授提出了一種基于局部極化電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)垂直噴射曲面共形3D打印技術(shù)，用于制造高分辨率、高性能的三維曲面共形單層/多層電子電路。

首先，通過(guò)數(shù)值模擬和噴射行為的觀察證明了所提出的方法具有更高的電場(chǎng)穩(wěn)定性和對(duì)稱的電場(chǎng)分布，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且垂直向下的噴射，確保了高精度和高分辨率的三維曲面/共形打印（圖1-圖3）；

然后，探究了不同打印工藝參數(shù)對(duì)導(dǎo)電層和層間介質(zhì)層的一致性的影響規(guī)律，利用優(yōu)化的打印工藝參數(shù)在不同曲面結(jié)構(gòu)和材料上實(shí)現(xiàn)了具有不同線寬（最小可實(shí)現(xiàn)線寬為8 μm的螺旋圖案）的曲面共形電路的打印（圖4），所制造的三維曲面共形電路展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性（4.44×10^7 S/m）和良好的附著力（在100次附著力測(cè)試中電阻增加可以忽略不計(jì)）；

進(jìn)一步的，針對(duì)曲面共形多層電路中垂直互聯(lián)的問(wèn)題，提出了紫外激光打孔和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)共形微3D打印技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了曲面多層電路中的垂直互聯(lián)問(wèn)題，并且研究了激光打孔工藝參數(shù)對(duì)微孔深度及形貌的影響，獲得了孔深可控的工藝窗口，最后，通過(guò)曲面共形多層加熱顯示電路和多層數(shù)字顯示LED陣列（圖5-圖7），驗(yàn)證了該技術(shù)在任意曲面基底上制造單層/多層曲面共形電路的可行性與普適性，為探索高分辨率三維曲面共形電路和曲面多層電子設(shè)備提供了一種全新的解決方案。

相關(guān)研究成果以“Directly printing high-resolution, high-performance 3D curved electronics based on locally polarized electric-field-driven vertical jetting”為題，發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

圖1.（a）打印噴嘴與3D曲面基板之間電荷分布和應(yīng)力分布示意圖；（b）打印噴嘴在不同位置參數(shù)的3D曲面基板上的運(yùn)動(dòng)示意圖；（c-e）打印噴嘴在曲面基板不同位置上的電荷分布示意圖。

圖2.（a）和（d）為L(zhǎng)P-EFD技術(shù)的打印噴嘴處于非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)（自由曲面）頂部時(shí)的電場(chǎng)分布模擬結(jié)果；（b）和（e）為L(zhǎng)P-EFD技術(shù)的打印噴嘴位于非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)（X=15mm）的側(cè)邊時(shí)電場(chǎng)分布模擬結(jié)果；（c）和（f）為EFD技術(shù)的打印噴嘴用于非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)的3D打印時(shí)相應(yīng)的電場(chǎng)分布模擬結(jié)果；（g）當(dāng)噴嘴位于曲率半徑為 10mm 的非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)的不同位置時(shí)，E1處的電場(chǎng)強(qiáng)度變化率；（h）當(dāng)噴嘴處于不同位置的非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)（基板高度為 25mm）的兩側(cè)時(shí)，E2 - E3的電場(chǎng)強(qiáng)度差異情況；（i）LP-EFD在不同基板高度的非對(duì)稱表面結(jié)構(gòu)上的E1處的電場(chǎng)強(qiáng)度變化率。

圖3.（a）傳統(tǒng)三軸EFD噴射打印噴嘴在不同位置的噴射行為示意圖；（b）使用高速攝像機(jī)捕捉傳統(tǒng)三維EFD噴射打印在不同位置的實(shí)際噴射情況；（c）不同位置的LP-EFD噴嘴噴射行為示意圖；（d）使用高速攝像機(jī)捕捉LP-EFD在不同位置的實(shí)際噴射情況。

圖4.（a）-（c）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm、曲率半徑為30 mm 的半圓柱體上打印的8 μm、50 μm和100 μm可變線寬的螺旋圖案；（d）-（f）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm、曲率半徑30 mm 的半圓柱體上打印的線寬為18 μm的銀網(wǎng)格透明電極；（g）是在直徑為50 mm、高度為50 mm 的錐形玻璃上打印的叉指電極陣列；（h）是在直徑為80 mm、曲率半徑為40 mm的尼龍半球形結(jié)構(gòu)上打印的曲面共形電路圖案；（i）是在尺寸為60 mm×30 mm×15 mm、高度差為15 mm的樹(shù)脂基體上打印的共形電路。

圖5. 印刷參數(shù)對(duì)PI膜厚度的影響：（a）印刷間距；（b）空氣壓力；（c）印刷速度；（d）印刷高度；（e）不同區(qū)域PI膜厚度的變化率；（f）不同方向PI膜厚度的離散程度。

圖6.（a）曲面多層電路中垂直互聯(lián)線形成的示意圖。不同激光參數(shù)對(duì)孔深的影響：（b）頻率，（c）脈沖寬度，（d）打孔數(shù)，（e）孔徑。（f）不同孔徑的截面圖。

圖7.（a）多層加熱顯示電路的示意圖；（b）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，曲率半徑為30 mm的半圓柱體上打印的曲面多層加熱顯示電路；（c-f）紅外熱分布圖像，顯示不同導(dǎo)電層之間的Q-U-T；（g）多層數(shù)字顯示電路LED陣列的示意圖；（h）不同導(dǎo)電層之間層間互連原理的示意圖；（i）在尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，曲率半徑為30 mm的半圓柱體上打印的多層數(shù)字顯示電路LED陣列；（j-l）不同導(dǎo)電層之間的數(shù)字電路顯示。