印刷微電路

■不需要到工廠裡進行複雜的製程,麻省理工學院將電子電路像書本一樣用凸版印刷快速且大量生產。

Credits: Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan
Credits: Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan

撰文|方程毅

隨著科技的進步,我們隨手可得資訊越來越豐富,生活也便利的超乎想像。未來的某一個冬天,外面下著雨,冷風吹得路人直打哆嗦,你一個箭步衝進咖啡館,點一杯外帶熱拿鐵,店裡滿滿的人,等了大半天終於拿到你的咖啡,感覺徹底被救贖,迫不及待喝了一大口。媽啊!也太燙了吧!

如果外帶杯可以告訴你目前溫度是否太燙,或許就能避免一大口咖啡燙的你淚流滿面。

這類日常生活常用的簡易電子電路要能實現需要低成本的製備技術,自古以來能便宜又大規模複製圖形的技術非印刷術莫屬。印刷術就像蓋印章,一旦製造出模板,沾了墨水便可不斷印刷大量生產。印刷電路,也就成為這類低成本電路的最佳選擇。最近美國麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 研發出一種新型「印章」,其解析度可達 20 微米(μm=10-6m),研究結果被發表在 Science Advances 期刊上。

要印刷電路,「墨水」勢必得是金屬,但金屬室溫為固態根本無法當墨水,因此所謂的墨水是將導電的金屬奈米粒子混入液態高分子中,將墨水印在基板上後,待高分子揮發,並施以熱處理,就剩下金屬粒子們連接形成電路了。

印刷電路概念並不是最近才有,就像積體電路讓晶片越來越小,印刷電路也希望越來越小,因此解析度就成為此技術進步的關鍵。我們來想像一般「明刻」印章,字在印章上是突出去的,當沾上墨水或印泥蓋章時,都要用力壓一下,這個壓一下的動作雖然確保了文字或圖形印到目標物上,卻同時卻犧牲了解析度,因為存在於印章及目標物之間的墨水受到擠壓而向外,讓實際圖形比印章定義的要大了一些,圖形邊界也變得模糊。文件上的印章名字稍微粗一點沒人在意,但電路印刷就很重要了,如何讓墨水在印刷時不被擠出來,成為了增加解析度的重要關鍵。

為了解決這個問題,MIT 機械工程學系的 John Hart 教授實驗室使用奈米碳管束當作印章材料,他們在矽基板上進行特殊處理,讓奈米碳管只在特定區域生長,有奈米碳管生長的區域即是其明刻印章的圖形,文章中的示意圖為印章的電子顯微鏡影像,圖中清晰可見邊長 20 微米的正方形。使用奈米碳管管束的原因其實很簡單,如果正方形向一般印章是實心的,當印到目標物上時,墨水的擠壓勢必會讓實際印出來的邊長大於 20 微米。因此他們印章的正方形是由一根一根奈米碳管組成,就像一座碳管「森林」但邊界是正方形,奈米碳管間的空隙讓墨水在擠壓時有地方可去,當墨水留在奈米碳管間的空隙中,當印刷要施加壓力時,墨水不會被擠到邊邊。他們同時也建立了一個模型根據不同需求所需在印刷實施以適當的壓力,以達到最佳解析度。

印章模板電子顯微鏡圖 Credits : Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan
印章模板電子顯微鏡圖
Credits : Sanha Kim and Dhanushkodi Mariappan

不僅如此,為了證明這不只是實驗室的噱頭,他們使用電動滾筒直接造出一台印刷機,利用這項技術進行大量印刷,印刷的速度可達 0.2 m/s。研究團隊也同時測量印刷的電性,發現其導電度相當高,能真正應用到日常生活。

John Hart 教授表示:「這將會成為連續程序生產,當你有了印章跟一個滾筒,你便可以將電路印刷在塑膠膜及特殊紙張上。我們的生產速度可達每秒200mm(是因為我們馬達最大速度只有這樣),但這已經是可以跟工業印刷媲美的速度,加上我們所展示的絕佳解析度,絕對具有未來性。」

 

原始論文:Kim, Sanha, Hossein Sojoudi, Hangbo Zhao, Dhanushkodi Mariappan, Gareth H. McKinley, Karen K. Gleason, and A. John Hart. "Ultrathin high-resolution flexographic printing using nanoporous stamps." Science Advances 2, no. 12 (2016): e1601660.

參考資料:Printable electronics, MIT news

 

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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