印刷电子产品：面向未来的灵活、低成本创新

低成本可印刷电子产品制造

对制造可印刷电子产品和生物传感器芯片的低成本和环保工艺的需求正在迅速增长。 NASA 开发了一种独特的基于大气压等离子体的工艺方法，用于制造可印刷电子产品和功能涂层。该系统涉及气溶胶辅助的室温打印，其中携带所需沉积材料的气溶胶被引入在大气压下运行的冷等离子体射流中。

麻省理工学院的研究人员制造了一种由碳纳米管制成的印章，可以将电子墨水打印到刚性和柔性表面上。 （桑哈·金和达努什科迪·玛丽亚潘）

沉积是包含前体材料的气溶胶与包含主要气体的大气压等离子体相互作用的结果。气溶胶辅助等离子体沉积是一种高通量且简便的印刷和图案化工艺，可轻松扩展到工业生产。可以使用多个喷嘴来沉积不同的材料，并且该方法可以适应各种平台。

该系统的商业应用包括生物医学技术、消费电子、电子纸、安全和通信。

使用纳米管“冲压”电子产品

爱荷华州立大学研究人员 Suprem Das（左）和 Jonathan Claussen 正在使用激光处理印刷石墨烯电子产品，例如印刷在纸上的电子产品。 （克里斯托弗·甘农）

想象一下，食品包装上会显示食物即将变质的数字警告，或者您家中的窗户会根据室外温度和湿度的测量结果显示天气预报。

麻省理工学院的工程师发明了一种快速、精确的印刷工艺，可以实现这些电子表面。该团队开发了一种由碳纳米管制成的印章，可以将电子墨水打印到刚性和柔性表面上。该工艺应该能够打印足够小的晶体管，以控制高分辨率显示器和触摸屏中的各个像素。该工艺还可以提供一种相对便宜、快速的方法来制造其他电子表面。

由于喷墨打印等技术很难在很小的范围内进行控制，因此它们往往会产生“咖啡环”图案，其中墨水溢出边界，或者打印不均匀，从而导致电路不完整。这项新技术使用纳米多孔印模，使纳米颗粒溶液或“墨水”均匀地流过印模并流到要打印的任何表面上。

碳纳米管以各种图案生长在硅表面，包括蜂窝状六边形和花形设计。纳米管上涂有一层薄薄的聚合物层，以确保墨水能够渗透到整个纳米管中，并且墨水被压印后纳米管不会收缩。然后在印模中注入少量含有银、氧化锌或半导体量子点等纳米颗粒的电子墨水。

打印精确、高分辨率图案的关键在于压印墨水所施加的压力大小。开发了一个模型来预测将均匀的墨水层压印到基材上所需的力的大小以及墨水中纳米颗粒的浓度。在压印各种设计的墨水图案后，团队测试了印刷图案的导电性。冲压后加热设计后，印刷图案具有高导电性，可以用作高性能透明电极。展望未来，该团队计划追求全印刷电子产品的可能性。

经过激光处理的印刷石墨烯使纸电子成为可能

印在 T 恤袖子上的自愈电路与 LED 灯和纽扣电池连接。电路和印刷电路的织物都被切断，此时 LED 熄灭。几秒钟之内，当电路的两侧再次连接在一起并自行修复时，LED 又重新亮起。

石墨烯碳蜂窝只有一个原子厚，导电导热，坚固稳定。最近使用喷墨打印机打印多层石墨烯电路和电极的项目已导致石墨烯用于柔性、可穿戴、低成本电子产品。但印刷完成后，必须对石墨烯进行处理以提高导电性和设备性能，这通常意味着高温或化学物质可能会降解柔性或一次性印刷表面，例如塑料薄膜甚至纸张。

爱荷华州立大学的研究人员开发了一种使用激光处理石墨烯的方法。通过使用脉冲激光工艺处理喷墨印刷的多层石墨烯电路和电极，可以在不损坏纸张、聚合物或其他脆弱印刷表面的情况下提高导电性。

喷墨印刷的石墨烯可转化为导电材料，可用于生物传感器、储能系统、导电组件和纸基电子产品等新应用。

工程师们开发了计算机控制的激光技术，可以选择性地照射喷墨印刷的氧化石墨烯。该处理去除了油墨粘合剂并将氧化石墨烯还原为石墨烯，将数百万个微小的石墨烯薄片物理缝合在一起。该过程使导电性提高了一千倍以上。局部激光加工还将印刷石墨烯的形状和结构从平坦表面改变为具有凸起的 3D 纳米结构，类似于从表面升起的微小花瓣。粗糙的脊状结构增加了石墨烯的电化学反应活性，使其可用于化学和生物传感器。

这项工作为创建低成本、一次性石墨烯基电化学电极铺平了道路，其应用包括传感器、生物传感器、燃料电池和医疗设备。

用磁性墨水“打印”的电子设备

加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 的工程师开发了一种磁性墨水，可用于制造自愈电池、电化学传感器和可穿戴纺织电路。这种墨水由在磁场作用下按一定结构定向的微粒制成，使撕裂两侧的颗粒能够通过磁性相互吸引，从而使打印有墨水的设备自行愈合。该设备可修复宽度达 3 毫米的撕裂。

现有的自修复材料需要外部触发器来启动修复过程。他们还需要几分钟到几天的时间才能工作。新系统无需外部催化剂即可工作，损坏可在约0.05秒内修复。

该墨水用于打印电池、电化学传感器和可穿戴、基于织物的电路。然后，这些装置会因切割和拉开而造成越来越大的间隙而损坏。这些设备仍然能够自我修复并恢复其功能，同时损失最少量的电导率。

T恤袖子上印有自愈电路，并与LED灯和纽扣电池连接。电路和印刷电路的织物都被切割。此时，LED 熄灭。几秒钟之内，LED 开始重新亮起，因为电路的两侧再次连接在一起并自我修复，恢复了导电性。未来，工程师们设想用不同的成分制造不同的墨水，以适应广泛的应用。

资源

www.nasa.gov/centers/ames

www.techbriefs.com/tv/magic_ink

http://news.mit.edu

http://www.news.iastate.edu/news