近日，清華大學柔性電子技術實驗室、航院馮雪教授團隊在三維曲面電子制造方法上取得重要進展。研究團隊提出了一種包裹式曲面轉(zhuǎn)印方法，利用花瓣狀印章將平面電路通過花瓣包裹目標球體，實現(xiàn)三維曲面電子器件的制造。文章結(jié)合幾何關系與力學分析設計出低褶皺、低應力、全包裹的花瓣印章，給出了三維曲面電子器件和對應的二維電路圖案之間的空間映射關系，在自主設計的裝置上實現(xiàn)了球形天線、球面LED陣列及球面太陽能電池陣列。該方法有望開辟出高性能三維曲面電子器件量產(chǎn)制造的發(fā)展道路。

三維曲面電子器件在生物醫(yī)療、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、寬場成像等方面有廣泛應用前景。目前，三維曲面電子器件制備方法可以分為直接法和拼接法。直接法包括3D打印和全息光刻等，直接在三維曲面上進行電子材料圖案化。拼接法先剪紙將平面電路圖案離散，再拼接實現(xiàn)曲面共形集成。受限于電子材料性能、制備工藝復雜和曲面覆蓋度不足等問題，制造三維曲面電子器件仍面臨挑戰(zhàn)。

圖1.包裹式轉(zhuǎn)印方法基本原理，（A）包裹式轉(zhuǎn)印構(gòu)思示意圖，（B）轉(zhuǎn)印過程中壓力變化示意圖，（C）利用自主設計的裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)印全過程示意圖

用轉(zhuǎn)印實現(xiàn)三維曲面電子器件可以直接與半導體工藝兼容，更容易實現(xiàn)高性能三維曲面電子器件。在此基礎上，研究團隊提出了一種基于包裹式曲面轉(zhuǎn)印的三維曲面電子器件制備方法（圖1）。包裹轉(zhuǎn)印過程中壓力場均勻而輕柔，既確保整個球面全覆蓋，又不會對硬脆的電子器件或薄弱的連接處造成損壞。研究團隊制備出一系列三維曲面電子器件，包括球形天線、球形LED陣列，球形太陽能電池陣列等（圖2），驗證了該方法的有效性和可重復性。

圖2. 利用包裹式轉(zhuǎn)印制備的三維曲面電子器件，（A）球形天線，（B）球形天線方向圖，（C）球形LED陣列，（D）球形太陽能電池陣列，（E）球形太陽能電池陣列在不同背景材料下輸出隨角度變化曲線

7月27日，該研究成果在《科學進展》（Science Advances）以“用于三維曲面電子器件的包裹式轉(zhuǎn)印方法”（Wrap-like transfer printing for three-dimensional curvy electronics）為題發(fā)表。

論文在線發(fā)表后，馮雪教授團隊受邀接受《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）采訪。8月4日該刊《前言》（Front Matter）欄目以“糖果紙啟發(fā)的曲面電子大規(guī)模制造技術進步”（Curvy electronics come a step closer to mass production with inspiration from candy wrappers）為標題進行專題報道，指出利用成熟的二維平面工藝制造元器件，通過包裹式轉(zhuǎn)印方法將它們集成到三維物體上，構(gòu)建三維曲面電子，有望實現(xiàn)三維曲面電子的大規(guī)模制造。

清華大學柔性電子技術實驗室、浙江清華柔性電子技術研究院陳穎副研究員、馮雪教授為文章的通訊作者。清華大學柔性電子技術實驗室、浙江清華柔性電子技術研究院陳星也，清華大學航天航空學院2021級博士生簡巍為文章的共同第一作者。該研究得到國家自然科學基金委區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金項目和浙江省重點研發(fā)計劃項目的資助。

論文鏈接：

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

PNAS專題報道鏈接：

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

（來源：清華大學）