電路板上的“舞蹈”：世界首臺全自動液態(tài)金屬打印機(jī)
《清明上河圖》、萬里長城、美國國會大廈等縱橫交錯、異常復(fù)雜的電路圖呈現(xiàn)在一張張透明的膠片上，很難想象一張電路圖居然也可以如此藝術(shù)。
你是否想過自己動手“造”一臺個性化電腦、一張音樂賀卡或是設(shè)計(jì)制造一塊特殊電路板？不久前，中科院理化技術(shù)研究所研制的世界首臺全自動液態(tài)金屬個人電子電路打印機(jī)，或許能幫你實(shí)現(xiàn)夢想。
舞動的“精靈”
在中科院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室，記者看到的這臺“新概念”打印機(jī)頗有些“其貌不揚(yáng)”，外觀呈長方體，透亮的黑色塑料材質(zhì)倒是給它增添了幾分精神。不過，這個貌不驚人的家伙其實(shí)很“內(nèi)秀”。
在它的身旁，《清明上河圖》、萬里長城、美國國會大廈等各種縱橫交錯、異常復(fù)雜的電路圖呈現(xiàn)在一張張透明的膠片上，很難想象一張電路圖居然也可以如此藝術(shù)。而這些精致的電路圖就都出自其手。
“只要在電腦上輕觸設(shè)計(jì)好的電路圖，它就可以像舞動的‘精靈’一樣，把電路圖打印在透明膠片上，等金屬液凝固或封裝后，你夢想的電路就會變成現(xiàn)實(shí)。”該實(shí)驗(yàn)室主任、液態(tài)金屬打印機(jī)的發(fā)明者劉靜形象地向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹。
隨時隨地實(shí)現(xiàn)電子電路的直接打印是全球科學(xué)界與工業(yè)界的夢想，但受限于技術(shù)瓶頸，迄今為止大多數(shù)電子電路制造只能在設(shè)備齊全的大工廠進(jìn)行。而這臺打印機(jī)的發(fā)明和問世，將顛覆人們對傳統(tǒng)制造的認(rèn)知，開啟全新的電子電路制造模式。
“只要給打印出的各種電路圖加上幾個IC，通電后就可以直接使用。”課題組的研究生楊俊拿來一塊打印好的巴掌大小的電路圖，只見上面接了幾個小芯片和幾根電線，就構(gòu)成了一個簡易的調(diào)頻收音機(jī)。
一反傳統(tǒng)電子電路制造耗時、耗材、耗能等特點(diǎn)，劉靜說，這種打印機(jī)十幾分鐘就可以完成傳統(tǒng)上程序煩瑣的工作，使低成本、快速、個性化電子電路制作成為現(xiàn)實(shí)。正因如此，這臺打印機(jī)相關(guān)的部分基礎(chǔ)研究成果不久前在自然出版集團(tuán)旗下期刊《科學(xué)報(bào)告》發(fā)表。
“瓜熟蒂落”源于積累
事實(shí)上，這并非劉靜課題組制作出的第一臺液態(tài)金屬打印機(jī)。一年前，劉靜所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)就因?yàn)榘l(fā)明了可在任意表面制造電路的液態(tài)金屬噴墨電子打印機(jī)而轟動一時。
“與上次不同的是，這臺機(jī)器的最大特點(diǎn)是全自動化，即使沒有任何電子學(xué)經(jīng)驗(yàn)的人甚至孩童也能通過電腦操控它。”劉靜說。這臺極具普適性和基礎(chǔ)性的電子制造工具承載著劉靜等人多年的技術(shù)創(chuàng)新積淀。
很多看過這些銀光閃閃、宛若游龍的電路圖的人都誤以為這些電路材料只是普通的“銀漿”，但其實(shí)這些合金線路的導(dǎo)電性卻是傳統(tǒng)銀漿的100倍，且彎折后不會出現(xiàn)傳統(tǒng)電子墨水那樣的斷路問題。
為了得到室溫下可以流動且具有良好黏附性的金屬，課題組窮盡了各種辦法，最終找到以金屬鎵為主要成分的合金組合，并將其作為“墨水”用在了制作電路板方面。由此，劉靜和課題組走出了全球液態(tài)金屬打印的第一步，他們給這項(xiàng)技術(shù)起了一個富有詩意的名字——“夢之墨”；而此后研制出的液態(tài)金屬打印機(jī)也被冠以“夢之墨”打印機(jī)之稱。
然而，新的問題又接踵而至。如何讓黏度高、表面張力大的液態(tài)金屬從筆中流出來？如何讓到處滾動的金屬液滴在基底材料上牢固黏著？對此，課題組又展開了新一輪的攻關(guān)。最終，他們通過大氣擠壓、撞擊以及對流體實(shí)施改性等方式悉數(shù)解決了以上問題。
做“完美”科學(xué)
“能做出這樣的機(jī)器，一定要有前瞻性的眼光，劉老師的想法一直都很超前。”該論文第一作者、頗有些靦腆的研究生鄭義對記者說。
其實(shí)，在劉靜心中有個關(guān)于“完美科學(xué)”的定義。它有兩個條件，即發(fā)現(xiàn)新知識、創(chuàng)造新技術(shù)。在他看來，前沿研究與應(yīng)用實(shí)踐兩者相輔相成，前者是創(chuàng)新的基石，否則單一急功近利地追求眼前的應(yīng)用，這樣的科學(xué)發(fā)展“不會旺盛”。
而“夢之墨”打印機(jī)正是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索的完美結(jié)合。業(yè)界認(rèn)為，它已經(jīng)打開了個人電子電路制作的大門，完成了私人電路定制從無到有的過程，是引領(lǐng)集成電路產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的革命性技術(shù)。
它可以應(yīng)用于教育、科研、軍事等各類軍民用電路制作領(lǐng)域，還可以讓私人電路定制真正走入尋常百姓家。如打印出無線心電測量器件，給心電信號以及生物電阻抗等生理參數(shù)的測量提供方便。同時，它還可以推動電路設(shè)計(jì)、終端功能器件制作等相關(guān)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展。
劉靜表示，課題組將進(jìn)一步開發(fā)新的應(yīng)用，如研制更多的液態(tài)金屬功能墨水以及基底打印材料；在工藝上實(shí)現(xiàn)從單層板到多層板的層疊打印，乃至結(jié)合P形、N性半導(dǎo)體墨水材料進(jìn)行復(fù)合式全電子元件打??；終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全部集成電路的直接打印。
該文章轉(zhuǎn)載于：百能網(wǎng)
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