列印帶有免鑽過孔的高性能多層柔性電路

印表機不僅可以列印圖片和文字，亦可用來列印功能性的電子器件。比起傳統的電子器件的生產方式，基於增材製造的列印電子技術有著低成本，環保，短生產周期，高度可定製化等優點。近年來，隨著物聯網，可穿戴電子及工業4.0的快速發展，各行業對擁有多層結構的列印電子設備需求快速增加，以滿足其對電子設備低成本，低能耗，小體積，多功能，高性能等多方面的要求。紙，作為一種環保，低成本的柔性材料，近年來也被越來越多的用作列印電子的襯底。

當前，在紙上列印多層電路主要有兩個嚴峻的挑戰，一個是在紙上印製高導電性的導線，另一個則是製作高導電性的過孔。由於紙張是一種多孔材料，墨水會順著孔隙滲入到紙張內部而非留在表面，導致墨水中的導電材料（納米顆粒等）無法互相充分接觸，使得列印的導線呈現較低的導電率。對於過孔， 目前的製造工藝依賴於諸多繁瑣的步驟，如鑽孔，校對，塗覆絕緣材料以及額外的列印，不僅增加了生產成本和次品率，也使這樣生產出的過孔導電率較低，從而降低整個設備的性能。整個列印過程中對納米材料的大量使用，也使得此類列印電子的成本居高不下。

為了解決上述問題，加拿大西安大略大學機械與材料學院楊軍課題組研發出一種高效，低成本並無需額外工藝便可在紙上直接製作多層柔性電路的方法。雖然紙張的多孔性對於普通列印電子的生產是一個不利的因素，然而，該課題組卻充分利用其多孔性，通過無電沉積和對噴墨印表機的催化型墨滴間距（droplet spacing）的精確控制，實現了紙張不同深度的金屬化以及高導電性免鑽過孔的製作。藉助於紙張獨特的微觀三維結構，銅的生長也在三維（3D）活化範圍內發生，並最終形成類似鋼筋混凝土（纖維素纖維-銅）的加強型高導電性結構。該課題組研發的此項工藝全程無需任何納米材料介入，不僅降低了生產成本，同時也提高了電路和過孔的導電率。按此方法製作的多層電路，單層電路的片電阻低至4.8 m?/sq, 過孔片電阻僅有2.6 m?/sq，均遠遠優於目前市場上同類產品（50 m?/sq）。基於這種方法，帶有「免鑽過孔」雙層電路結構的無電池照明設備也第一次被成功製造出來。

此項研究不僅克服了在紙上製造多層柔性電路的各種挑戰，同時也把諸多不利因素變成了獨特的優勢，為高性能列印電子的生產提供了新的思路。我們相信，此項工藝不僅可以運用在紙上，也可以運用到其它多孔性材料，如紡織品及各類多孔性聚合物，為其在可穿戴電子，工業4.0，物聯網等領域的應用提供了無限可能。

相關論文在線發表在Advanced Materials Technologies(DOI: 10.1002/admt.201700346)上。

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