[論文レビュー] Fully Automatic Liquid Metal Printer towards Personal Electronics Manufacture

Zheng Yi, Zhi‐Zhu He+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2013

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 36被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、複合液体金属インク供給および印刷機構を用いて、低コストで高精度な個人用電子機器製造を可能にする完全自動液体金属プリンタを提示する。ノートパソコンで制御されるアルゴリズムとタッピングモードディスペンシングシステムを統合することで、柔軟基板上への液体金属の信頼性の高い付着が実現され、インテグレーテッド回路、アンテナ、カスタムデザインを含む複雑な導電パターンの迅速な製造が、産業用システムのコストの一部にまで低減して実現された。

ABSTRACT

Printed electronics is quickly emerging with tremendous value in a wide variety of latest electrical engineering areas. However, restricted to the rather limited conductive inks and printing strategies, the currently existing electronics manufacturing tools are generally complicated, expensive, time, material, water and energy consuming, and thus mainly restricted to the industrial use. Here from an alternative way, the present article demonstrated for the first time an entirely automatic printing system for personal electronics manufacturing through introducing a composite liquid metal ink delivery and printing mechanism to overcome the large surface tension facing the solution, and integrating it with the notebook computer controlling algorithm. With the developed printer, any desired electronically conductive patterns spanning from single wires to various complex structures like integrated circuit (IC), antenna, PCB, RFID, electronic greeting cards, decoration arts, classical buildings (White House, Great Wall etc.) or more do-it-yourself (DIY) circuits were demonstrated to be printed out in a moment with high precision. And the total cost for the whole system has reached personal affordability, which is hard to offer by so far the state of the art technologies. Some fundamental fluid dynamics mechanisms related to the proposed tapping mode enabled reliable printing and adhesion of the liquid metal electronics on the flexible substrate was systematically disclosed through theoretical interpretation and experimental measurements. This clearly beyond-the-lab technology and pervasively available liquid metal printer opens the way for large scale home level electronics making in the coming time.

研究の動機と目的

• 個人用電子機器製造のための低コストで完全自動の印刷システムを開発すること。
• 液体金属インクの高い表面張力に対処するための革新的なインク供給機構を考案すること。
• 多様な電子応用分野向けに、柔軟基板上への高精度な液体金属の付着を可能にすること。
• 電子機器製造のコストと複雑さを低減し、家庭および個人利用にアクセス可能なものとすること。
• DIY電子機器および迅速なプロトタイピングに適したスケーラブルで使いやすいプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 表面張力に対抗するため、圧力と機械的タッピングを組み合わせた複合液体金属インク供給システムを採用した。
• 印刷プロセスを自動化するために、ノートパソコンとカスタム制御アルゴリズムを統合した。
• 正確なドロップベースの液体金属付着を可能にするため、タッピングモードディスペンシング機構を採用した。
• 曲面や複雑な電子パターンを支持できるように、柔軟基板との互換性を考慮してシステムを設計した。
• 印刷中のインクの流れと接着性を最適化するために、理論的流体力学モデルを適用した。
• インクの挙動と印刷精度の実験的測定を通じて、システムを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面張力が非常に高い液体金属インクを、電子印刷用に信頼性高くディスペンスするにはどうすればよいか？
• RQ2 液体金属を柔軟基板上に高精度で付着させるために、どのような機械的および制御戦略が有効か？
• RQ3 完全自動で低コストの印刷システムは、個人用電子機器において産業用レベルの性能を達成できるか？
• RQ4 タッピングモードでの信頼性の高い液体金属印刷を支配する基本的な流体力学的メカニズムは何か？
• RQ5 このシステムは、単純な配線から複雑な回路まで、多様な電子設計をどの程度サポートできるか？

主な発見

• タッピングモードのインク供給機構により、液体金属の高い表面張力を効果的に克服し、安定的かつ繰り返し可能なディスペンスが実現した。
• インテグレーテッド回路やアンテナを含む、複雑な構造を含む導電パターンの高精度印刷が達成された。
• 完全自動プリンタの総コストは、個人利用に耐えうる水準まで低減され、既存の産業用システムと比較して顕著に低価格化された。
• 実験的測定により理論的流体力学モデルの妥当性が確認され、印刷プロセスの信頼性が裏付けられた。
• RFIDタグ、電子メッセージカード、建築模型など、多様な電子設計が数分以内で迅速に製造可能であることが実証された。
• 液体金属のパターンは、柔軟基板上でも強く接着され、電気的導電性を示し、機能的な電子機器に適した特性を示した。