[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种全自动液态金属打印机，通过复合液态金属油墨输送与打印机构，实现了低成本、高精度的个人电子制造。通过将笔记本电脑控制的算法与敲击式分配系统集成，该打印机可在柔性基底上实现可靠液态金属沉积，展示了以工业系统成本的几分之一，快速制造复杂导电图案（包括集成电路、天线和定制设计）的能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、全自动的个人电子制造打印系统。
• 通过创新的油墨输送机制，克服液态金属油墨的高表面张力挑战。
• 实现在柔性基底上的高精度液态金属沉积，以支持多种电子应用。
• 降低电子制造的成本与复杂度，使其适用于家庭和个人使用。
• 建立可扩展、用户友好的DIY电子与快速原型设计平台。

提出的方法

• 采用复合液态金属油墨输送系统，结合压力与机械敲击，以克服表面张力。
• 将笔记本电脑与自定义控制算法集成，实现打印过程的自动化。
• 利用敲击式分配机构，实现液态金属的精确、按滴沉积。
• 设计系统以兼容柔性基底，支持共形及复杂电子图案的制造。
• 应用理论流体动力学模型，优化打印过程中的油墨流动与附着力。
• 通过实验测量油墨行为与打印精度，对系统进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何可靠地分配具有高表面张力的液态金属油墨以用于电子打印？
• RQ2 哪些机械与控制策略可实现液态金属在柔性基底上的高精度沉积？
• RQ3 全自动化、低成本的打印系统能否实现工业级性能以用于个人电子制造？
• RQ4 在敲击模式下，决定液态金属可靠打印的基本流体动力学机制是什么？
• RQ5 该系统在多大程度上可支持多样化的电子设计，从简单导线到复杂电路？

主要发现

• 敲击式油墨输送机制成功克服了液态金属的高表面张力，实现了稳定且可重复的分配。
• 该系统实现了高精度打印导电图案，包括集成电路和天线等复杂结构。
• 全自动打印机的总成本降低至个人可负担水平，显著低于现有工业系统。
• 实验测量结果证实了理论流体动力学模型，验证了打印过程的可靠性。
• 打印机在数分钟内实现了多种电子设计的快速制造，如RFID标签、电子贺卡和建筑模型。
• 液态金属图案在柔性基底上表现出优异的附着力与电导率，适用于功能电子器件。