清华大学等研究团队在三维曲面电子制造方法上取得突破

近日，清华大学柔性电子技术实验室、航院冯雪教授团队在三维曲面电子制造方法上取得重要进展。研究团队提出了一种包裹式曲面转印方法，利用花瓣状印章将平面电路通过花瓣包裹目标球体，实现三维曲面电子器件的制造。文章结合几何关系与力学分析设计出低褶皱、低应力、全包裹的花瓣印章，给出了三维曲面电子器件和对应的二维电路图案之间的空间映射关系，在自主设计的装置上实现了球形天线、球面LED阵列及球面太阳能电池阵列。该方法有望开辟出高性能三维曲面电子器件量产制造的发展道路。

三维曲面电子器件在生物医疗、结构健康监测、宽场成像等方面有广泛应用前景。目前，三维曲面电子器件制备方法可以分为直接法和拼接法。直接法包括3D打印和全息光刻等，直接在三维曲面上进行电子材料图案化。拼接法先剪纸将平面电路图案离散，再拼接实现曲面共形集成。受限于电子材料性能、制备工艺复杂和曲面覆盖度不足等问题，制造三维曲面电子器件仍面临挑战。

图1.包裹式转印方法基本原理，（A）包裹式转印构思示意图，（B）转印过程中压力变化示意图，（C）利用自主设计的装置实现转印全过程示意图

用转印实现三维曲面电子器件可以直接与半导体工艺兼容，更容易实现高性能三维曲面电子器件。在此基础上，研究团队提出了一种基于包裹式曲面转印的三维曲面电子器件制备方法（图1）。包裹转印过程中压力场均匀而轻柔，既确保整个球面全覆盖，又不会对硬脆的电子器件或薄弱的连接处造成损坏。研究团队制备出一系列三维曲面电子器件，包括球形天线、球形LED阵列，球形太阳能电池阵列等（图2），验证了该方法的有效性和可重复性。

图2. 利用包裹式转印制备的三维曲面电子器件，（A）球形天线，（B）球形天线方向图，（C）球形LED阵列，（D）球形太阳能电池阵列，（E）球形太阳能电池阵列在不同背景材料下输出随角度变化曲线

7月27日，该研究成果在《科学进展》（Science Advances）以“用于三维曲面电子器件的包裹式转印方法”（Wrap-like transfer printing for three-dimensional curvy electronics）为题发表。

论文在线发表后，冯雪教授团队受邀接受《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）采访。8月4日该刊《前言》（Front Matter）栏目以“糖果纸启发的曲面电子大规模制造技术进步”（Curvy electronics come a step closer to mass production with inspiration from candy wrappers）为标题进行专题报道，指出利用成熟的二维平面工艺制造元器件，通过包裹式转印方法将它们集成到三维物体上，构建三维曲面电子，有望实现三维曲面电子的大规模制造。

清华大学柔性电子技术实验室、浙江清华柔性电子技术研究院陈颖副研究员、冯雪教授为文章的通讯作者。清华大学柔性电子技术实验室、浙江清华柔性电子技术研究院陈星也，清华大学航天航空学院2021级博士生简巍为文章的共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金委区域创新发展联合基金项目和浙江省重点研发计划项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi0357

PNAS专题报道链接：

https://www.pnas.org/post/journal-club/curvy-electronics-come-step-closer-mass-production-inspiration-candy-wrappers

（来源：清华大学）