拉伸自如　混合3D列印技術

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第274期

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拉伸⾃如　混合3D列印技術

吳佩芸文

2017年9⽉6⽇，由哈佛⼤學維斯⽣物啟發⼯程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）、約翰．保爾森⼯程和應⽤科學學院（Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied

Sciences，SEAS）與美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)合作開發的「混和3D列印技術」在《Advanced Materials》上公開發表，其研究將導電油墨和電⼦元件結合到柔韌耐⽤的穿戴式裝置中，帶來⾰命性的突破。

正在繪製電路的3D列印機器。（圖片來源／擷取⾃Wyss Institute）

穿戴式裝置的發展

從早期智慧眼鏡(Google Glass)、智慧⼿錶(Apple Watch)的出現，到今年消費性電⼦展(Consumer Electronics Show，簡稱CES)上的智能衣(e-skin)，可以發現穿戴式裝置的設計逐漸趨向輕、薄以及貼合⼈體為主。然⽽，穿戴式裝置越來越普及的同時，卻也⾯臨發展上的阻礙。為了提升使⽤者穿戴的舒適程度以及感測器的精準度，「使穿戴式裝置如同⼈的⽪膚⼀般具有彈性」成為⼀股新的研發趨勢，但由於電⼦零件為剛性結構，無法被任意的拉伸，實現這個⽬標始終具有⼀定的挑戰性。國立交通大學機構典藏系統版權所有 Produced by IR@NCTU

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由於其可編程性、可延展性和低進入⾨檻，過往已有⼀些印刷⽅式被引入電⼦設備的製造業，但都需要⼀些⼿⼯裝配步驟來實現期望的裝置功能。「混和3D列印技術」沿襲了這些印刷⽅式的特點並加以改善，不但解決了電⼦零件無法拉伸的問題，也使製過程完全⾃動化，為穿戴式裝置的⼀⼤躍進。

什麼是混和3D列印技術？

「混和3D列印技術」(Hybrid 3D Printing)的出現，旨在創造⼀種⽣產軟性電⼦產品的新⽅法。它透過墨⽔直寫（direct ink writing，DIW）的⽅式，將絕緣基質（insulating matrix）和導電電極油墨直接印刷在特定的佈局上產⽣電路，並利⽤⾃動拾放功能（pick-and-place，P+P），通過⼀個空的吸嘴在真空模式下拾取單獨元件，移到基質上，在真空關閉模式下擺放⾄正確的位置。由墨⽔直寫印刷的導電線路與⾃動拾放功能所形成的組件互連可以產出軟性電⼦設備。 (a)、(b)、(c)為墨⽔直寫，(d)、(e)、(f)⾃動拾放功能。（圖片來源／吳佩芸重製）資料來源：《Advanced Materials》

概念驗證　混和3D列印技術的應⽤

研究團隊⾸先開發了熱塑性聚氨酯（以下簡稱TPU）的基質和導電油墨。TPU是⼀種有機⾼分⼦合成材料，介於橡膠和塑膠之間，特點是具有⽣物相容性以及⾼度伸縮性，因此不會對⼈體造成毒害作⽤，適合作為印刷基體。導電電極的製造，則是將片狀銀粉（橫向尺⼨為2微米）添加⾄純TPU油墨中。為了檢驗其成效，研究團隊做了兩項實驗，⼀個為應變式感測器，另⼀個則是壓⼒感測器。應變式感測器的製作⽅式是將TPU與含銀TPU電極油墨印刷到紡織物基體上，並以⾃動拾放的⽅法加上微控制器晶元和LED讀出器，製成⼀種類似「袖套」的可穿戴裝置。它能夠通過點亮LED燈的數⽬，顯⽰出穿戴者⼿臂的彎曲程度。⽽壓⼒感測器則是使⽤碳⿊摻雜的TPU作為印刷基體，以增強導電電極油墨的可視化，並採⽤電路互相交疊的⽅式減少連接點的數量。舉例來說，若⼀個裝置有

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視化，並採⽤電路互相交疊的⽅式減少連接點的數量。舉例來說，若⼀個裝置有 29個感測器，使⽤電路交疊的⽅式只需要19個連接點就可以使之運⾏，⽽不是58 個（每個傳感器都有2個電極）。研究團隊將壓⼒感測器做成⼈的左腳掌的形狀，在沒有施加壓⼒的情況下，感測器不會有任何變化，⽽當⼈踩在上⾯時，透過測量每個感測器的相對電容，可以得到獨特的⾜底壓⼒分佈圖。實驗過程的記錄，(a)、(b)、(c)為應變式感測器，(d)、(e)、(f)為壓⼒感測器。（圖片來源／吳佩芸重製）資料來源：《Advanced Materials》

原理簡單　實則隱含⼤學問

混和3D列印技術的應⽤看似簡單，其實在材料的使⽤及選擇上，研究團隊花了非常多的⼼⼒。在印刷基體與墨⽔⽅⾯，比起純TPU油墨，加入銀粉的TPU油墨具有較強的剪切稀釋⾏為，它的黏度會隨著剪切應⼒（攪拌或壓⼒）的增加⽽減少，所以可輕易的通過吸嘴。另外，相對較⾼的儲存能量和防⽌外⼒致使變形的能⼒，使之在離開吸嘴時，仍可保持其絲狀型態。經過乾燥後，此種油墨產⽣的軟性電⼦裝置，在拉伸期間或拉伸之後不會出現剝落或裂開的現象，也克服了印刷電極易從底層的聚合物基體上剝落的現象。在電⼦元件（例如LED、電阻、晶元）⽅⾯，剛性材料組成的特點，使得它的硬度比TPU印刷基體與加入銀粉的TPU油墨還要⾼，當拉伸時，作⽤⼒集中局限在國立交通大學機構典藏系統版權所有 Produced by IR@NCTU

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裝置上的電極界⾯會導致元件與電路分離。研究團隊觀察到，此現象的發⽣是元件和導電電極油墨之間接合不良所引起的。為了增強黏合⼒，放置元件前，團隊先利⽤TPU點錨定這些元件的位置，以創造出⼀個黏合區域，將施加的作⽤⼒分佈到整個基體中，從⽽使裝置能夠在保持功能的同時被拉伸。⽽選⽤3D列印技術的原因究竟為何，SEAS博⼠後研究⼈員同時也是論文合著者的Will Boley提供了解答，「由於墨⽔和基質是3D列印的，所以我們可以完全控制在何處繪製導電特徵的圖案，設計電路，並創造幾乎所有尺⼨和形狀的軟性電⼦設備。」混和3D列印技術產出軟性電⼦設備的過程。（影片來源／Wyss Institute）

未來趨勢

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編輯蔡亞融

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