近日，清華大學(xué)柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、航院馮雪教授團(tuán)隊(duì)在三維曲面電子制造方法上取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)提出了一種包裹式曲面轉(zhuǎn)印方法，利用花瓣?duì)钣≌聦⑵矫骐娐吠ㄟ^花瓣包裹目標(biāo)球體，實(shí)現(xiàn)三維曲面電子器件的制造。文章結(jié)合幾何關(guān)系與力學(xué)分析設(shè)計出低褶皺、低應(yīng)力、全包裹的花瓣印章，給出了三維曲面電子器件和對應(yīng)的二維電路圖案之間的空間映射關(guān)系，在自主設(shè)計的裝置上實(shí)現(xiàn)了球形天線、球面LED陣列及球面太陽能電池陣列。該方法有望開辟出高性能三維曲面電子器件量產(chǎn)制造的發(fā)展道路。
三維曲面電子器件在生物醫(yī)療、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、寬場成像等方面有廣泛應(yīng)用前景。目前，三維曲面電子器件制備方法可以分為直接法和拼接法。直接法包括3D打印和全息光刻等，直接在三維曲面上進(jìn)行電子材料圖案化。拼接法先剪紙將平面電路圖案離散，再拼接實(shí)現(xiàn)曲面共形集成。受限于電子材料性能、制備工藝復(fù)雜和曲面覆蓋度不足等問題，制造三維曲面電子器件仍面臨挑戰(zhàn)。
圖1.包裹式轉(zhuǎn)印方法基本原理，（A）包裹式轉(zhuǎn)印構(gòu)思示意圖，（B）轉(zhuǎn)印過程中壓力變化示意圖，（C）利用自主設(shè)計的裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印全過程示意圖
用轉(zhuǎn)印實(shí)現(xiàn)三維曲面電子器件可以直接與半導(dǎo)體工藝兼容，更容易實(shí)現(xiàn)高性能三維曲面電子器件。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于包裹式曲面轉(zhuǎn)印的三維曲面電子器件制備方法（圖1）。包裹轉(zhuǎn)印過程中壓力場均勻而輕柔，既確保整個球面全覆蓋，又不會對硬脆的電子器件或薄弱的連接處造成損壞。研究團(tuán)隊(duì)制備出一系列三維曲面電子器件，包括球形天線、球形LED陣列，球形太陽能電池陣列等（圖2），驗(yàn)證了該方法的有效性和可重復(fù)性。
圖2. 利用包裹式轉(zhuǎn)印制備的三維曲面電子器件，（A）球形天線，（B）球形天線方向圖，（C）球形LED陣列，（D）球形太陽能電池陣列，（E）球形太陽能電池陣列在不同背景材料下輸出隨角度變化曲線
7月27日，該研究成果在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）以“用于三維曲面電子器件的包裹式轉(zhuǎn)印方法”（Wrap-like transfer printing for three-dimensional curvy electronics）為題發(fā)表。
論文在線發(fā)表后，馮雪教授團(tuán)隊(duì)受邀接受《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）采訪。8月4日該刊《前言》（Front Matter）欄目以“糖果紙啟發(fā)的曲面電子大規(guī)模制造技術(shù)進(jìn)步”（Curvy electronics come a step closer to mass production with inspiration from candy wrappers）為標(biāo)題進(jìn)行專題報道，指出利用成熟的二維平面工藝制造元器件，通過包裹式轉(zhuǎn)印方法將它們集成到三維物體上，構(gòu)建三維曲面電子，有望實(shí)現(xiàn)三維曲面電子的大規(guī)模制造。
清華大學(xué)柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、浙江清華柔性電子技術(shù)研究院陳穎副研究員、馮雪教授為文章的通訊作者。清華大學(xué)柔性電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、浙江清華柔性電子技術(shù)研究院陳星也，清華大學(xué)航天航空學(xué)院2021級博士生簡巍為文章的共同第一作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項(xiàng)目和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi0357
PNAS專題報道鏈接：
https://www.pnas.org/post/journal-club/curvy-electronics-come-step-closer-mass-production-inspiration-candy-wrappers
（來源：清華大學(xué)）
