电场驱动喷射沉积微纳3D打...先进电路和电子制造中的应用_兰红波.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.230 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路 和电子制造中的应用*兰红波1 李红珂1 钱 垒2 张广明1 于志浩1 孙 鹏1 许 权1 赵佳伟1 王 飞1 朱晓阳1 (1.青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心 青岛 266520；2.香港理工大学工业与系统工程系 香港 999077)摘要：微纳 3D 打印是近年出现的一种颠覆性新技术，经过 10 多年的迅猛发展，国内外学者已经提出 10 多种微纳 3D 打印工艺，但现有微纳 3D 打印大都面临打印材料和基材的普适性和兼容性差、大面积宏/微跨尺度结构制造困难、生产成本高，尤其是还存在成形效率(尺寸)和打印精度相矛盾的挑战性难题。经过近 10 年的研究与技术攻关，提出并建立了一种电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印新技术，围绕该技术在基础理论、数值模拟、关键技术和装备、打印材料、实验研究和工艺优化、工程应用等方面开展了较为系统和深入研究。主要综述了电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印基本原理和近年取得重要进展，尤其是系统介绍了该技术在先进电路和电子制造中的典型应用，旨在为先进电路和电子的制造提供了一种低成本、普适性好的具有工业化应用前景的全新解决方案。关键词：微纳尺度 3D 打印；电场驱动喷射沉积；微纳增材制造；先进电路；电子制造 中图分类号：TG156 Electric-field-driven Jet Deposition Micro-nano 3D Printing and Its Applications in Manufacturing Advanced Circuits and Electronics LAN Hongbo1 LI Hongke1 QIAN Lei2 ZHANG Guangming1 YU Zhihao1 SUN Peng1 XU Quan1 ZHAO Jiawei1 WANG Fei1 ZHU Xiaoyang1(1.Shandong Engineering Research Center for Additive Manufacturing,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520;2.Department of Industrial&Systems Engineering,The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong 999077)Abstract：Micro-nano 3D printing is a disruptive new technology that has emerged in recent years.More than a dozen micro-nano 3D printing processes have been proposed after nearly ten years of rapid development.However,most of the existing micro-nano 3D printing technologies face a series of challenges,such as poor universality and compatibility of printing materials and substrates,difficulties in manufacturing large area macro/micro cross-scale structures,high production costs,and especially the challenging problem of conflicting forming efficiency(size)and printing accuracy.After a decade of technical research,An original electric-field-driven jet deposition micro-nano 3D printing new technology has been proposed and developed.Furthermore,a series of basic theories,numerical simulations,key technologies and equipment,printing materials,experimental research and process optimization,engineering applications,and other aspects have been carried out in more systematic and in-depth research.The basic principles of electric-field-driven jet deposition micro-nano 3D printing and the significant progress achieved in recent years are *国家自然科学基金(52175331)、山东省自然科学基金重大基础研究(ZR2020ZD04)和山东省高等学校青创科技支持计划(2020KJB003)资助项目。20220508 收到初稿，20221124 收到修改稿 月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 231 reviewed,especially the typical applications of the technology in advanced circuit and electronics manufacturing are systematically introduced,aiming to provide a new solution for the manufacturing of advanced circuits and electronics with low cost and good universality with industrial application prospects.Key words：micro-nano scale 3D printing；electric-field-driven jet deposition；micro-nano additive manufacturing；advanced circuits；electronic manufacture 0 前言 微纳增材制造(微纳 3D 打印)是近年出现的一种前沿颠覆性新技术，它基于增材原理制造微纳结构或者包含微纳尺度特征功能性产品的新型微纳加工技术。与传统微纳制造技术相比，它具有成本低、工艺简单、适合硬质和柔性以及曲面等各种基材或表面、材料利用高、可用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点，尤其是在复杂三维微纳结构、大高(深)宽比微纳结构、复合(多材料)材料微纳结构、宏/微/纳跨尺度结构以及嵌入式异质结构制造方面具有非常突出的潜能和独特优势1-6。微纳尺度3D 打印被美国麻省理工学院(MIT)的技术评论列为 2014 年十大具有颠覆性的新兴技术。经过 10 多年快速发展，国内外学者已经开发出10 多种微纳增材制造工艺，代表性工艺主要包括：微立体光刻、双光子聚合微纳 3D 打印、电流体动力喷射打印(电喷印)、电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印、气溶胶喷射打印、微选区激光烧(-SLS)、激光诱导前向转移(LIFT)、墨水直写(DIW)、电化学沉积、混合/复合微纳增材制造等4-18。目前微尺度 3D 打印日趋成熟，生产效率和精度不断提高，工程应用领域不断扩大，无论是产业界还是学术界都有重要进展。例如美国 Optomec 公司气溶胶喷射(Aerosol jet printing，AJP)技术目前已经实现特征尺寸 10 m高精度电路打印，打印材料粘度达到 1 000 mPas，具有 3D 曲面和非平整表面共形打印能力，已尝试用于天线、传感器等电子产品的中小批量化生产，但是面临着打印效率较低、设备昂贵、适合打印材料有限的问题19。德国 3D MicroPrint 公司微激光烧结制造的金属材料微结构分辨率已经达到 15 m，表面粗糙度 Ra 为 1.5 m，高宽比达到 300，烧结后的相对密度高于 95%，该工艺打印同样面临效率低、成本高、适合打印材料少的问题(目前只提供两种不锈 钢 打 印 材 料)20。美 国 Microfabrica 开 发EFAB(Electrochemical Fabrication，电化学制造)实现了复杂三维金属微结构/器件制造，具有最小特征尺寸 10 m，最小层厚 5 m 的工艺能力21。尽管其在复杂金属三维结构制造方面具有独特的优势，但该技术存在的不足是生产效率非常低，工艺复杂、适合成形材料少(目前主要是铜、镍等材料)。微立体光 刻(面 投 影 微 立 体 光 刻Projection micro stereolithography，PSL)、连续液体界面生产技术(Continuous liquid interface pulling，CLIP)在打印效率方面有了巨大提高，尤其是 CLIP 将 3D 打印速度提升 100 倍，Carbon 的 CLIP 打印精度 200 m(最高分辨率 75 m)，PSL 公开报道的最高打印分辨率是 0.6 m13，国内魔方精密公司实现了光学精度为2 m，打印幅面为 50 mm 50 mm PSL 打印机的商业化。但是 PSL 和 CLIP 主要适合打印材料是光敏树脂，而且生产成本高。亚微米和纳尺度 3D 打印代表着未来增材制造的发展方向，近年在分辨率、打印材料以及应用等方面持续不断获得突破，是当前增材制造最为活跃和创新性最强的研究领域。基于双光子聚合 3D 打印已经实现了亚微尺度任意复杂三维结构的制造，德国 Nanoscribe 公司代表该技术最高水平，目前打印最小特征尺寸(XY)160 nm22，但是该技术面临的不足是效率低、设备昂贵、成形尺寸小、打印材料限于光敏树脂。电喷印实验室最高精度已达到 50 nm，结合自组装工艺分辨率已经达到 15 nm，适合打印的材料非常广泛23。瑞士 IBM研究中心(NanoFrazor，3D 纳米打印)利用热探针扫描刻写技术及新型的直写胶技术实现了 10 nm 以下复杂三维微纳结构制造。2021 年自然报道了一种以带电气溶胶为基础的 3D 纳米打印技术，实现了纳米级金属 3D 打印，并适用多种材料24。2022年科学以封面文章形式报道了一种体曝光固化3D 打印玻璃微结构的突破性技术，制造出内径为150 m 的三维微流体，表面粗糙度为 6 nm 的自由形式微光学元件，以及最小特征尺寸为 50 m 的复杂高强度桁架和晶格结构25。其他诸如 NASA 等离子3D纳米打印、聚焦电子束诱导沉积3D纳米打印、石墨烯 3D 打印新的纳尺度增材制造相继被开发。机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 232 但是亚微米和纳尺度增材制造目前还基本停留在实验室阶段，距离实际工业化应用尚有一段距离。因此，尽管目前已经开发了 10 多种微纳 3D 打印工艺，并在多个方面取得比较大的突破，但是现有微纳 3D打印还面临以下亟待突破的难题和技术瓶颈：效率低、成本高(设备昂贵)、打印材料兼容性差、难以实现宏/微跨尺度制造，这制约微纳 3D 打印更广泛的工业化应用。国内外已有研究结果显示，与现有其他微纳 3D打印工艺相比，电喷印、电流体动力喷射 3D 打印、电场驱动喷射沉积微纳3D打印具有材料兼容性好，成本低，结构简单，精度高的突出优势，显示出巨大的潜能和更广泛的工程化应用前景2,5,23-32。自2007 年 ROGRES 教 授 在 Nature 上 发 表 了“High-resolution electrohydrodynamic jet printing”以来33，电喷印、电流体动力喷射 3D 打印呈现快速发展，尤其是近 5 年，电喷印、电流体动力喷射 3D打印已经成为国内外微纳 3D 打印最大的研究热点领域之一，并在多个方面取得比较大的突破。GALLIKER 等结合纳尺度 EHD 喷射打印和纳米液滴静电自聚焦，使用内径 1 m 喷头打印出 50 nm的纳米结构；BYUN 等利用自发纳米焦耳加热效应实现的亚微尺度电流体动力喷射，打印出高宽比达到 35 的微结构；贺健康等提出活性细胞的静电打印技术，实现了细胞活性大于 98%、最小线宽小于80 m 的水凝胶活性结构的可控打印；黄永安等研究电流体共形喷印新工艺与新装备，实现了尺度为0.2200 m 结构曲面共形喷印，并探索了其在新型柔性/曲面显示、飞行器智能蒙皮、曲面电路等领域的应用26-34。由于电喷印、电流体动力喷射 3D 打印的成形原理基于采用电极对结构，导致其在打印材料、喷嘴、基材(衬底)等方面还存一些不足和局限性，尤其是还面临打印稳定性较差、成形结构最大高度受限、生产效率低、难以实现曲面 3D 共形打印等挑战性难题。例如传统电喷印、电流体动力喷射 3D打印采用导电喷嘴和导电基材组成的电极对结构，一方面喷嘴和衬底被限定在导电材料；另一方面微纳 3D 打印过程中每完成一层结构打印，喷嘴需要抬升一个层厚高度，随着喷嘴与基材打印高度发生变化，会引起电场和电场力的变化，为了确保稳定喷射打印，部分打印工艺参数(如电压等)需要做出相应改变，这导致 3D 打印过程中稳定性较差。尤其是当喷嘴与基材的打印距离超过一定高度后(通常 35 mm)，即使施加非常高的电压，也难以实现稳定的锥射流喷射打印，导致打印失败。此外，其还面临无法实现导电材料在导电基材上打印的难题(短路、放电现象严重)，以及打印过程中对于一些元器件、衬底(例如太阳能电池板)、组织细胞等带来功能性损伤，实际工程应用受到较大限制。因此，迫切需要开发微纳增材制造新原理和新工艺，突破现有微纳增材制造工艺的不足和局限性。近年来，课题组提出并建立了一种电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印新技术，通过优化电极形式控制电场生成方式，采用单电势喷射成形，利用静电感应方式形成喷射所需要的电场，并结合自对正效应实现微纳结构成形，克服了衬底导电性约束，减少衬底对于打印稳定性的影响，提高打印过程中的稳定性，尤其是打印高度能突破 5 mm，并且突破了现有材料喷射沉积 3D 微纳打印在喷嘴、基材、打印材料方面的限制和约束，尤其能实现导电材料在导电基材上的高分辨率打印以及生物活性材料高分辨率打印。针对不同的应用领域和功能需求，发展了三种不同的成形工艺，并在先进电路和电子、透明电极、透明电加热、透明电磁屏蔽、超微细电路和大高宽比微细电路、陶瓷基电路、纸基电子、曲面共形电路、可拉伸电路等多个领域开展了工程应 用35-58。本文主要阐述了电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印基本原理和近年取得重要进展，尤其是重点介绍了该技术在先进电路和电子制造中的典型 应用。1 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印基本原理、工作模式和成形工艺 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印的基本工作原理：它是一种基于单电势诱导微纳喷射成形技术，根据实际应用领域的不同，单电势电压可以施加在喷嘴、提取电极、单平板电极等不同位置，形成三种不同的成形工艺。利用自激发静电场和电流体动力学缩颈效应实现锥射流微喷射成形 1D(微液滴或者微熔滴)和 2D(微细线或者纳米纤维)微纳结构，并结合电荷诱导自对正多层堆积，实现复杂 3D 微纳结构增材制造。同时，为了满足实际工程应用中需月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 233 要同时兼顾打印精度和打印效率，提出三种全新可自由切换的打印模式：微挤出模式；脉冲锥射流模式；连续锥射流模式，能够实现大面积宏/微结构跨尺度高效、低成本制造35-36,39,48-49,56。电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印的基本原理和工作模式如图 1所示。图 1 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印的基本原理和工作模式 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印系统主要由打印喷头模块、打印基材(衬底或者基板)、提取电极(平板电极)、打印平台、高压电源、供料模组、精密背压控制模组、XYZ 三轴精密运动平台、观测定位模块、UV 固化模块、激光测距仪、机架等组成。针对不同的应用需求和功能要求(如高稳定性、大高度打印、曲面 3D 共形打印、高效率阵列打印等)，通过优化电极形式控制电场生成方式，单电势电压 可以施加在喷嘴、提取电极、单平板电极等不同位置，形成三种不同的成形工艺：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 I35-37；电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 II38,49；电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 III48，三种成形工艺的原理示意图如图 2 所述。三种不同类型的打印工艺是针对不同的实际应用需求发展而来的，既是继承又是发展，三种打印工艺相辅相成，优势互补。为了克服传统电流体动力喷射打印电极对结构不足和局限性，突破成形高度限制(5 mm)，打破基材导电性限制，尤其摆脱基材表面不平整性对于打印质量和稳定性的影响，我们提出电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 I 型(图 2a)，只是导电喷嘴与高压电源正极(负极)相连，无需接地的对电极，单电势微喷射成形。利用静电感应方式形成喷射所需要的电场，并结合自对正效应实现微纳 3D 结构成形，克服了基材导电性的约束，减少基材形貌对于打印精度的影响，提高打印过程稳定性，尤其是突破了打印高度 5 mm 限制35-37,40,51,56。为了克服喷嘴导电性不足，尤其是完全摆脱基材对于打印过程影响，能够实现曲面和 3D 共形打印，大高度制件高精度打印，提出电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 II 型(图2b)，仅是提取电极与高压电源正极(负极)相连接，无需接地的对电极，单电势喷射成形。该工艺突破了打印喷嘴、基材和打印材料的限制，尤其是在曲面和共形 3D 打印方面具有独特优势，以及打印高度理论上没有限制的独特优势。但是该工艺对于提取电极与喷嘴的对中性提出了非常高的要求38,49。为了进一步简化打印结构，完全突破打印喷嘴、基材、打印材料的限制和约束，尤其是实现多喷嘴(或阵列喷嘴)并行高效微纳 3D 打印，克服残留电荷(或者施加高电压)对于打印材料(例如生物活性材料和细胞等)和衬底(太阳能电池板、光电子等功能性器件)的损伤和影响。我们提出单平板电极电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 III 型(图 2c)，只需要单平板电极与高压电源正极(或负极)连接，喷嘴和基材都不再作为电极，单电势诱导微喷射成形。该工艺能实现喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)以及打印材料(导电和非导电)任意组合稳定打印，即使采用导电喷嘴和导电基材打印导电材料，也能实现高精度连续稳定打印，工艺普适性好，结构简单，成本低。尤其能够减小库仑力和串扰等影响，在实现多喷嘴并行微纳 3D 打印方面具有独特优势，以及避免打印过程对于打印材料活性和基材损伤等方面具有的显著优势48。以电场驱动喷射沉积微纳 3D打印 I 型为例。具体成形和工作过程：当打印喷嘴靠近基材时，基于静电感应(或极化)作用，导致基材电荷重新分布(导电基材的电荷自由移动，绝缘 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 234 基材发生电荷极化)，基材上表面分布负电荷，下 表面分布正电荷，喷嘴与基材间形成稳定的电场；在背压作用下被挤出到喷嘴尖端的打印材料在电场力、粘性力、表面张力等综合作用下拉伸变形逐渐形成泰勒锥；随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力(电场力)超过表面张力后，带电液体从泰勒锥顶部喷射形生极细的射流(射流直径通常比喷嘴尺寸小 12 个数量级)，实现微液滴/微细丝在基材上沉积；在打印的第一层基础上，通过已成 形面与喷嘴尖端材料之间电场的影响，实现带电微液滴/微细丝在已成型面(已打印层)上精确定位沉积；结合工作台的移动，实现任意复杂图案的高精度制造。在电场驱动喷射沉积打印过程中，喷嘴与已成形结构的距离始终保持恒定，不再受基材厚度和打印图形特征高度尺寸的限制。在打印多层、大高宽比结构时，每打印完一层喷嘴将抬高一个 层厚，这样就能够保证喷射始终保持比较理想的 状态，最终实现大面积宏/微跨尺度结构的 3D 打 印35-37,40,51,56。图 2 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印三种工艺 围绕电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印技术，团队已经在基础理论、数值模拟、关键技术和装备、打印材料、实验研究和工艺优化、工程应用等多个方面开展了系统深入的研究。对于电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 I 型，采用 COMSOL 仿真软件对喷嘴处电场分布和强度、锥射流喷射过程进行数值模拟，不同时刻下电场强度分布如图 3a 所示。对于电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 II 型，使用不同衬底(无衬底，玻璃衬底，铜片衬底)时喷嘴周围电场分 图 3 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印三种工艺喷嘴处 电场分布和强度的数值模拟 月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 235 布和强度如图 3b 所示。对于电场驱动喷射沉积微纳3D 打印III 型，三种典型基材(绝缘玻璃、半导体硅、导体铜)、两种代表性喷嘴(导电不锈钢喷嘴、绝缘玻璃喷嘴)的电场分布和强度以及最大场强与喷嘴导电率关系、最大场强与平板电极导电率关系，模拟结果如图3c 所示39,48,56。对于电场驱动喷射沉积微纳3D 打印III 型，图4 展示了三种典型材料打印时高速相机的观测以及打印结果：图4a 高速相机下纳米导电银浆打印实时观测及打印结果；图4b 高速相机下光刻胶打印实时观测及打印结果；图 4c 高速相机下 PLA 打印实时观测及打印结果48。图 4 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印 III 型三种典型材料 打印时高速相机的观测以及打印结果 研制出国内首台具有自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印机，并将该技术应用到高性能柔性透明导电膜、透明电极、透明电加热/电磁屏蔽、陶瓷基电路、纸基电子、共形天线、柔性电子、可降解心血管支架和组织支架、微透镜、功能梯度材料、3D 结构电子、高分辨率液态金属打印等多个领域和行业。相关研究成果在 Advanced Materials、Advanced Science、Small、Applied Materials&Interfaces、科学通报、中国科学、机械工程学报等国内外顶尖期刊和高水平期刊上发表学术论文 32篇，授权美国和中国发明专利 16 项，申请美国和中国发明专利 21 项(统计时间截止至 2022 年 5 月 31日)。2021 年 1 月出版的由中国机械工程学会编著20182019 机械工程学科发展报告(机械制造)在增材制造专题报告的“增材制造前沿探索”中介绍了该技术和相关研究成果。所研制的电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印机目前已由青岛五维智造科技有限公司进行成果转化，开发的电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印机、研制的纳米导电银浆如图 5所示。图 5 研制的电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印机、纳米导 电银浆打印材料 2 先进电路和电子制造中的应用 先进集成电路和芯片的制造技术是我国当前亟待突破的卡脖子关键核心技术。通常以硅基材料(硅基衬底)为主，使用光刻、刻蚀等减材微纳加工技术制造。但是，传统硅基微纳制造技术一方面面临制造成本高、设备昂贵、生产环境苛刻(高温、高压等)、生产周期长、产生较多三废(废液、废气、废固)等问题，另一方面对于基材平整度要求非常高，基材种类和尺寸受限，尤其是成形微纳结构/图案基本限于在 2D 或者 2.5D。气溶胶喷射打印、喷墨打印、油墨直写、丝网印刷等微纳增材制造存在精度低、适合成形材料有限、对于基材性能和平整度也有诸多的约束和限制。因此，玻璃、PET 等柔性基材、陶瓷、纸、织物、生物组织等非硅基材电路的制造面临较大的挑 战59-73。电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印为玻璃、PET 等柔性基材、陶瓷、纸、织物、生物组织、柔性混合电子等基材高精度电路和电子的制造提供了一种全新的解决方案。以下重点展示电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印在这些非硅领域先进电路和电子制造中的典型应用。2.1 透明电极 2.1.1 透明电极制造 透明电极(透明导电膜)是一种同时具有良好导电性、高光学透过率的新型先进光电功能薄膜材料和战略性材料，它在触摸屏、OLED、柔性显示、可穿戴设备、太阳能电池、透明电子、智能窗等领 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 236 域具有非常广泛的工业化应用。尽管国内外已经提出多种透明电极材料，诸如 ITO、纳米银线、石墨烯、碳纳米管、导电高分子材料、金属网格等。已有的研究成果显示，与其他透明电极材料相比，基于金属网格的透明电极具有更好的性能，在工业领域展示出更大的潜能和更广阔的应用前景35,73-78。目前制约金属网格透明电极广泛应用的瓶颈是现有的制造技术无法满足实际生产的要求。已经提出金属网格制造技术主要包括：光刻、纳米压印、激光直写、电铸、喷墨打印、精密丝网印刷、凹版印刷、柔版印刷、转印等，但现有这些工艺目前都还存在诸多的不足和局限性，无法满足柔性透明导电膜实际生产要求：大面积、低成本、高精度(分辨率低于 20 m)、绿色环保等79-86。电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印为大尺寸高性能透明电极(刚性基材、柔性基材、3D 曲面基材等)高效低成本制造提供了一种最具工业化应用前景的解决方案。根据应用领域的不同，作者基于电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印技术，已经实现了在浮雕式金属网格透明电极，如图 6 所示(刚性玻璃等；柔性 PET、PI 薄膜等)、嵌入金属网格柔性透明电极(柔性 PET、PDMS、光刻胶等)的制造，如图 7 所示35,38,46。现阶段嵌入式金属网格柔性透明电极制造仍然面临着制造成本高、工艺复杂、环境污染及金属网格性能 图 6 不同基底的浮雕式金属网格透明电极 图 7 不同基底的嵌入式金属网格透明电极 低等瓶颈。作者基于电场驱动喷射微 3D 打印与大面积复合热压印技术，创新性地提出了高性能嵌入式金属网格柔性透明电极“无模无镀成型新技术”，实现了高综合性能嵌入式金属网格低成本高效绿色制造。2021 年 4 月Advanced Materials上报道了该项研究成果。2.1.2 透明电极应用(1)透明电加热玻璃/膜。透明电加热玻璃/膜是利用透明导电材料通电后的焦耳效应而发热的一种电加热玻璃/薄膜，在汽车、飞机、船舶、飞行器、建筑、显示、国防军事领域的除雾、除霜和除冰等方面有着非常广泛和重要的应用。但是，当前无论是学术界还是产业界，透明电加热玻璃/膜面临的一个共同挑战性难题是如何实现高综合性能透明电加热玻璃/膜的低成本批量化制造36,87-89。作者提出结合电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印技术和 UV 辅助微转印工艺低成本制造透明电加热玻璃新方法，所制造的透明电加热玻璃具有非常高的综合光电性能，在保证 94%透光率的前提下，金属银网格方阻可降低至 0.21/sq，雾度小于 1%。此外，利用电场驱动喷射沉积微纳3D 打印并结合低温纳米导电银浆，直接在 PET、PI等透明基材上打印出线栅、网格等图案，尤其是结合卷对卷工艺，能够实现透明电加热膜高效低成本连续制造。图 8 是电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印制造的透明电加热玻璃和柔性透明电加热薄 膜36,41,44,89。月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 237 图 8 基于电场驱动喷射沉积微纳 3D 制造的 透明电加热玻璃/膜(2)透明电磁屏蔽。随着无线通信、手机、各种移动设备的广泛应用，电磁辐射已经与大气污染、水质污染、噪音污染并称为世界四大污染。尤其是在航空航天、国防军事、医疗设备、精密电子、通信、显示等诸多领域对于电磁屏蔽(尤其是透明电磁屏蔽)提出越来越高的要求。目前实现透明电磁屏蔽的技术主要包括：透明导电薄膜、电控灵敏窗口材料、频率选择表面技术、金属网栅(网格)等90-93。已有的研究结果显示，与其他技术相比，金属网栅能够有效解决高红外透过率与强屏蔽效率的矛盾，实现高性能透明电磁屏蔽，显示出广泛的工程化应用前景40,51,94-98。金属网栅透明电磁屏蔽是在透明基底(刚性玻璃、柔性 PET 等)上制作出具有周期、线宽、高宽比等结构参数可变的导电网栅状微细结构，其结构参数可以根据使用环境和性能要求进行设置和定制，以满足不同的透过率和电磁屏蔽效能实际需求。金属网栅结构参数和材料具有多样性，具有良好的透光与电磁屏蔽特性，并具有根据实际需要灵活设计和定制的优点，因而，它已经成为最理想的透明电磁屏蔽技术解决方案之一。针对现有技术制造金属网栅透明电磁屏蔽的不足，作者提出一种基于电场驱动喷射沉积 3D 打印制造大尺寸高性能金属网栅透明电磁屏蔽玻璃新方法，以高银含量纳米银浆为打印材料，使用电场驱动喷射沉积微尺度 3D 打印在玻璃基板上高效低成本制造大面积金属网栅。与现有使用光刻、纳米压印、激光直写等技术制造金属网栅透明电磁屏蔽玻璃相比，提出的方法仅需要一个工艺步骤就能实现大面积高精度金属网栅的制造，而且材料利用率几乎 100%，无需昂贵的设备和模具(掩模)，尤其能同时兼顾高可见光透过率和强电磁屏蔽效率，所制造的透明电磁屏蔽玻璃能同时具有可见光高透过率和强电磁屏蔽效率，解决了可见光高透过率和强屏蔽效率的矛盾。根据实验优化的结果，金属网栅的线宽选取 20 m。金属网栅周期500 m 时，可见光透过率为 88%，方阻 4.93/sq，对常用中高频电磁波屏蔽效能大于 26 dB；金属网栅周期 300 m 时，可见光透过率为 83%，方阻约3.64/sq，对常用中高频电磁波屏蔽效能大于 30 dB；金属网栅周期为 150 m 时，可见光透过率 67%，方阻约为 1.32/sq，可对常用中高频电磁波屏蔽效能大于 37 dB51。图 9a 是 2021 年课题组通过电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印的目前世界上最大尺寸金属网栅透明电磁屏蔽玻璃(基材尺寸 400 mm 400 mm，线宽8 m，周期 250 m，透光率大于 90%)，图 9b 是在柔性 PET 打印的柔性透明电磁屏蔽膜40。为大尺寸高性能透明电磁屏蔽玻璃的批量化制造提供了一种全新的工业级解决方案。图 9 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印制造的大尺寸透明电磁屏蔽玻璃和透明电磁屏蔽膜 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 238(3)柔性触控屏。近年来，我国正在积极规划和推动柔性显示技术的发展，特别是在中国制造 2025里面已经明确将柔性显示技术作为国家电子信息崛起战略的重要组成部分。放眼全球，随着 5G 移动网络技术的突破以及高世面板产线的产能不断开出，柔性电子器件必将在其中发挥重大的作用，其中柔性触摸屏由于其优异的可弯曲性、可折叠性，在未来移动终端、可穿戴设备、智能家居等智能产品中得到广泛应用99-102。目前市场上触控面板最主要的透明导电材料仍然是氧化铟锡(ITO)，但 ITO 材料本身的脆性以及稀缺性等缺点，难以在大尺寸柔性触控屏中得到进一步的应用。随着曲面和柔性时代的到来，一系列用于替代 ITO 材质的透明导电材料被研究，如随机金属网格、银纳米线、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等103-107，其中随机金属网格和银纳米线可以有效减小摩尔条纹现象被认为是最有可能替代 ITO 的两种方案。相比于银纳米线，金属网格在电阻以及稳定性方面更胜一筹；另外，由于金属网格的高导电性能，在抗电磁波干扰能力方面也远优于银纳米线。近年来，针对随机金属网格柔性透明电极的制造，国内外研究学者提出了一系列的制造技术，如基于光刻电镀、凹版印刷、自组装、纳米压印、裂纹模板、喷墨打印及静电纺丝等技术的复合制造工艺108-115。但是，大部分复合制造工艺基于复杂的黄光制程工序的同时，仍需复合多步工序，从而具有整个工艺过程复杂、成本上升等问题。基于此，作者提出电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印制造大面积随机金属网格透明电极制造新技术，并在柔性触控屏中展现了良好的应用效果，如图 10 示。在柔性透明 图 10 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印在柔性 触控屏中的应用 触摸屏上的初步研究结果表明，所提出的方法在大面积、绿色、高效地制造随机金属网格方面提供了一种有效的制造策略，在多功能柔性光电器件中有广阔的应用前景。(4)柔性传感器。近年来，随着柔性电子技术的快速发展，通过人机一体化的主动交互彻底改变了我们的生产、生活方式。为满足人体运动检测、智慧健康医疗、智能机器人等领域需求的可穿戴柔性应变传感器引起了人们极大的研究兴趣与关注。其中，用于监测人体生命特征(心率、脉搏、血压、呼吸、运动等)的电阻式柔性透明应变传感器因其原理简单、易于实施，灵敏度高以及与人体皮肤贴合性好的等优势，在可穿戴传感领域展现了巨大的应用前景116-120。相应的，一系列被用于电阻式柔性透明应变传感器的材料被研究，例如金属材料(金、银、铜等)、碳基材料(碳纳米管、石墨烯、碳黑等)、纳米材料(银/铜纳米线、纳米颗粒等)、导电聚合物 PEDOT:PSS 以及半导体材料硅和锗等121-125。然而，不同材料的变形测量各有优势，对应的制造方法也各不相同，主要有热蒸发法、化学气相沉积、丝网印刷、喷墨打印、电喷印以及 3D 打印等126-130。虽然热蒸发法与化学气相沉积发制造的柔性传感器具有较好的灵敏度，但是也存在一些缺点，例如相对昂贵的设备，以及无法满足高透明度的要。相比于热蒸发与化学气相沉积法，丝网印刷法以及喷墨打印虽然具有加工技术简单的优势，但是制造的传感器结构大多数是在柔性基板的表面，存在着表明粗度高、稳定性差的缺点。与传统制造方法相比，3D 打印技术作为一种非接触式的绿色制造技术具有加工成本低、制造精度高、生产效率高的优势被广泛地应用在柔性应变传感器的制造中。针对现有制造技术无法实现嵌入式高灵敏度和高透明度的电阻式柔性透明应变传感器的低成本、高效、绿色制造的难题，作者基于电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印技术制造大高宽比微模具，通过转印方式复制出 PDMS 凹模，并结合刮涂的方式，制造了具有嵌入式多壁碳纳米管网络的电阻式柔性透明(在可见光范围内透光率为 84%)应变传感器，如图11 所示。制造的柔性透明传感器件在应变为6.6%、14%和 20%时，测量因子分别为 90、285和 1 500，并在人体活动如腕部弯曲、手指弯曲、月 2023 年 5 月 兰红波等：电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印及其在先进电路和电子制造中的应用 239 颈部弯曲以及面部表情等方面展现了良好的实用性能，所提出的柔性透明传感器的制造方法为 3D打印技术在柔性透明可穿戴电子设备中的应用提供了一条新的技术路线131。图 11 电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印在柔性 传感器中的应用 2.2 超微细电路和大高宽比微细电路 大高宽比微细电路(金属微结构)在超级电容器、太阳能电池、电路互联等诸多领域有着很大的需求132-135，然而，使用现有的微纳加工技术制备微细大高宽比电路面临很大的挑战。一方面制造工艺复杂、成本高、周期长；尤其高宽比超过 101 的微细电路现有技术非常难以实现。作为一种微纳增材制造技术，电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印在制备大高宽比微细电路中具有非常突出的优势。作者基于自主研发的电场驱动喷射沉积微纳 3D 打印机，结合高固含量纳米银浆，制备出线宽 8.5 m，高度 129 m，高宽比达到15:1 的大高宽比微细电路。此外，还打印出线宽300 nm 超微细电