近年來，由於電子3D列印技術具有傳統製造方法無法實現的獨特功能，因此引起了業界和研究人員的濃厚興趣。這一最新技術具有極大的優勢，未來的研究趨勢是朝著3D嵌入式電子設備、3D共形電子學、柔性3D列印電子學和可伸縮3D列印電子學的應用發展。深入了解用於製造3D列印電子設備的先進功能材料和技術的目前發展很有必要。
南極熊獲悉，來自新加坡科技大學的研究者整理了關於3D列印電子器件的發展和應用，已經將研究內容發表在了《Progress in Materials Science 》期刊中，在文章中研究人員對最新的3D電子列印技術和用於製造3D列印電子器件的創新實用技術進行了深入的概述，並討論了用於製造3D列印電子器件的先進功能材料的最新進展和未來的應用趨勢。
3D電子列印技術
△3D電子列印技術的分類
3D電子列印技術的定義是「將功能油墨直接精確沉積到基板上」的列印技術。其中，擠出列印、噴墨列印、噴霧列印和電動流體動力(EHD)噴墨列印是電路3D列印研究領域中使用最廣泛的3D列印技術，這些技術都能夠用於將功能油墨直接沉積到基材上。根據ISO/ASTM2021：52900的分類可知，擠壓式列印可被歸類為材料擠出，而噴墨列印、噴霧列印和電液噴射列印可被歸類為材料噴射。
1.擠出式列印
△擠出式列印示意圖
基於擠出的列印技術原理簡單且經濟實惠，其中功能材料的連續流動通過噴嘴擠出實現。與其他列印技術相比，這種技術可使用的材料粘度範圍更大，並且堵塞問題更少。然而，這種方法速度慢得多，列印解析度也較差。根據所使用的擠出機類型，可以將基於擠出的印刷進一步細分為基於長絲的擠出、基於氣動的擠出、基於柱塞的擠出和基於螺杆的擠出。氣動擠出、柱塞擠出和螺杆擠出列印技術也統稱為直接墨水書寫(DIW)。
2. 噴墨列印
△噴墨列印示意圖
噴墨列印是一項成熟的技術，在過去的幾十年裡已經在許多領域得到了廣泛的應用。它利用噴墨列印技術通過將墨水沉積到紙張基材上來構建圖像。利用這項技術，還可以通過沉積電功能和導電材料來製造3D列印電子產品。根據液滴產生方法，噴墨列印分為兩大類：連續噴墨列印(CIJ)和按需滴墨列印(DoD)。一般來說，噴墨列印技術是數位化、非接觸式、無掩膜和節省材料的。但噴墨列印技術在列印過程中普遍面臨噴嘴堵塞的問題。除此之外，噴墨列印技術只能沉積特定表面張力範圍內的低粘度流體。因此，這限制了可通過噴墨列印沉積的油墨的類型。噴墨列印技術通常也不利於將功能材料沉積到非平面表面上。
3.噴霧列印
△噴霧列印示意圖
噴霧列印技術是一種基於氣溶膠的直寫列印技術，能夠產生定向準直的氣霧束，用於將材料直接沉積到襯底上。這項技術也被稱為空氣動力聚焦。通常，噴霧印表機配備氣動或超聲波霧化器。氣動霧化器可以接受粘度範圍從1到500cps的墨水，而超聲波霧化器只能接受粘度從1到15cps的墨水。氣溶膠噴射過程可以沉積一系列用於3D列印電子應用的功能材料，包括金屬納米顆粒墨水、碳納米管(CNTs)、石墨烯、介電材料和導電聚合物。噴霧印表機已經證明了能夠達到10μm的列印解析度。噴霧列印技術也是非接觸式的，能夠減少製造污染和損害。
4. 電液動力(EHD)噴射
△電液動力(EHD)噴射列印示意圖
在電液動力(EHD)噴墨列印中，使用電場在產生流體流動的過程中產生電流體。這通常需要高壓來克服小噴嘴中的高毛細壓力，但當噴嘴的直徑太小時，這在技術上可能是不可行的。因此，為了克服這個問題，EHD噴墨列印技術通過施加電場而不是將從導電噴嘴提取墨水。EHD噴射列印技術可以產生非常精細的線條和亞微米範圍內的微小液滴，噴嘴的內徑可以小到100nm。EHD噴射技術可以沉積用於3D列印電子應用的有機和無機材料。
3D列印電子功能材料
大量的功能材料被用於製造3D列印電子設備，每種類型的材料都有其獨特的功能和用途。一般來說，3D列印電子產品的功能材料可分為介電油墨、金屬納米顆粒油墨、導電聚合物、金屬有機分解(MOD)油墨、碳納米材料油墨和半導體油墨。
●介電油墨：介電油墨是一種電絕緣材料。它們在3D列印電子產品的許多方面起到重要作用，包括電路保護、多層電路絕緣以及製造電容器和電晶體。
●金屬納米顆粒油墨：金屬納米顆粒油墨是導電金屬納米顆粒在液體介質中的懸浮液。由於其良好的導電性，它們被廣泛用於3D列印電子應用中的導電跡線和圖案的製造。典型的金屬納米顆粒油墨包括三個主要成分：金屬納米顆粒、有機添加劑和穩定劑，以及液體介質。
●導電聚合物：導電聚合物可分為本徵導電聚合物和外在導電聚合物。
●金屬有機分解(MOD)油墨：金屬有機分解(MOD)油墨也稱為金屬有機油墨、前驅體類型油墨或不含納米材料的油墨。MOD油墨是高濃度的金屬有機絡合物或金屬鹽，溶解在有機溶劑或水溶液中。它們也被廣泛用於3D列印電子應用中的導電跡線和圖案的製造。
●碳納米材料油墨：碳納米管(CNT)是具有封閉或開放末端的捲曲的石墨烯薄片。
●半導體油墨：半導體油墨用於製造3D列印的有源電子元件。3D列印有源電子元件通常受半導體油墨的帶隙、通斷比和遷移率等特性的影響。半導體油墨主要有兩類，即有機半導體油墨和無機金屬氧化物半導體油墨。
3D列印電子產品和材料的發展趨勢
3D列印技術預計將在不久的將來徹底改變和顛覆目前的電子行業。這項新技術旨在最大限度地減少時間瓶頸、浪費和製造成本，同時允許在更短的原型時間內高度創新和按需製造可定製的電子產品。
1.3D列印電子產品
●柔性和可伸展3D列印電子產品
目前的研究趨勢之一是轉向柔性和可伸展3D列印電子產品。這種電子產品可用於許多應用，特別是在軟機器人和可穿戴醫療保健監測中。3D列印技術可以簡單地將功能材料直接沉積到柔性襯底上。對於許多行業部門，包括醫療保健和能源部門，柔性3D列印電子產品可以提供更多設計自由度並減少外形尺寸的限制，有比傳統硬質電子產品更大的潛力。
●適形電子器件
一些3D電子列印技術還允許將功能油墨直接沉積到保形表面上，以在3D表面上製造電子設備。3D適形列印可以實現更多的創新設計和應用，同時能夠顯著減輕重量和更大化地利用空間。此外，3D共形列印還將形狀係數作為製造形狀獨特的天線的設計考慮因素。上圖中的(d)圖，展示了直接將銀納米顆粒墨水沉積在半球玻璃基板的共形表面上製造的小天線。
●嵌入式電子產品
一些3D電子列印技術也允許多比例、多材料和多功能地列印。因此，可以在單個列印作業中製造多功能結構或嵌入式電子設備，將導電跡線、有源組件和無源組件集成在複雜的非平面幾何部件中，可參考上圖(e)。因此，有利於節省空間、減輕重量和保護部件。
2.材料
●柔性和可伸縮電子設備的自修復材料
柔性和可拉伸的電子設備於反覆彎曲和拉伸會形成機械損壞，從而導致設備故障。因此，近年來，自修復功能材料受到了極大的關注。這些材料本身具有自動修復損傷的能力，研究人員正在探索將它們集成到靈活和可伸展的電子設備中，以增加設備的堅固性。
●複合材料
複合材料越來越受到人們的關注，因為它們提高了改善機械和電學性能的能力。此外，複合材料還允許根據應用的需要靈活地定製所需的電氣、機械和電磁特性。
●4D列印材料
4D列印是3D列印的一個新領域，4D列印是指3D列印結構的形狀、功能和物理性質隨著時間的變化而變化，以響應外部刺激，如溫差、化學反應和光學照射。對於4D列印電子應用，可以在形狀記憶聚合物(SMPS)中加入導電填料，使其具有所需的電學性能。除了具有用於4D列印電子應用的導電開關電源外，導電功能材料還可以直接沉積在4D印刷結構上或嵌入其中。
●3D列印生物電子器件
由於3D列印技術能夠創建高度集成的3D多功能結構，許多研究人員正在探索這一新興技術，以製造具有電功能的幾何複雜和生物兼容的設備和支架。其中一些裝置包括生物傳感器、電刺激組織再生支架和微電極。生物傳感器是一種受體，可以檢測某些物質並對可識別的電信號做出反應。電刺激也可能有助於促進生物組織更快的再生。因此，一些研究一直在尋求將電子設備集成到生物支架中，以改進或實現再生過程。
△3D列印了一對左右仿生耳朵，能夠增強射頻接收和立體聲音頻音樂收聽的聽覺感知
●可生物降解的材料
解決電子垃圾問題的最實際和最有吸引力的解決方案是開發可生物降解的電子產品，因為可生物降解性確保產生的廢物是環保和無毒的。因此，探索利用可生物降解有機材料製備可生物降解電子器件具有重要意義。這種設備在運行過程中的效率和性能是一個關鍵方面，它將決定可生物降解3D列印電子產品被採用的可能性。材料還需進一步研發，以適應各種部件的降解時間，滿足各種應用和要求。其他一些重要的考慮因素還包括周期性機械載荷產生的變形影響和可生物降解材料在工作壓力下的可靠性。
總結
用於3D列印電子應用的理想功能油墨應該具有良好的材料和電學性能、良好的列印適用性、高性價比以及能承受一定的加工溫度。列印系統還必須具有良好的列印解析度、高列印速度、按需非接觸列印，並允許快速修改設計和易於擴展。為了維持3D列印電子產品的增長和採用，需要在新型先進功能油墨的研究和開發方面繼續努力。有必要為各種應用開發具有不同材料性能、電子性能和機械性能的各種油墨。最終的電子性能和列印解析度是3D列印電子產品的兩個最重要的考慮因素。
非常鼓勵油墨製造商和機器製造商加強合作，分享他們的專業知識，以便共同配製和優化適合某一印表機的油墨，從而更好地改善列印適用性和列印質量。相信在不久的將來，電子產品的新3D列印應用會發揮它巨大的潛力。