本文介绍了一项原创性研究，题为“Electric field-driven jetting and water-assisted transfer printing for high-resolution electronics on complex curved surfaces”，由Wenzheng Sun、Zhenghao Li、Xiaoyang Zhu等来自青岛理工大学山东省增材制造工程技术研究中心、山东省高校增材制造与应用重点实验室以及歌尔股份有限公司中央研究院的研究人员共同完成。该论文发表于 Electronics 期刊2024年第13卷第7期，文章编号1182。

这项研究属于增材制造与柔性电子交叉领域，旨在解决复杂曲面上高分辨率电子器件制造这一关键难题。高分辨率电子器件在生物健康监测、智能飞行器蒙皮、共形显示和仿生学等领域具有重要应用前景，然而传统光刻、沉积和微机电系统工艺难以直接在三维复杂表面基材上制造电子结构。已有的曲面共形打印技术，如电流体动力学喷印、气溶胶喷印、喷墨打印、激光直写和自适应三维打印，往往面临电场不稳定、材料黏度受限、边缘粗糙、工艺繁琐或设备昂贵等问题。转移印刷虽然能够在曲面上制造共形电子，但在从二维平面向不可展曲面转移时，常出现图案畸变和褶皱，难以在复杂基材上实现高保形粘附。因此，开发一种适用于任意复杂曲面的高分辨率电子制造方法具有重要科学意义和工程价值。

该研究提出了一种电场驱动喷射与水辅助转移印刷相结合的新策略，整个工艺流程包括四个主要步骤。第一步是牺牲层基底的旋涂。研究人员将浮法玻璃浸入酒精中超声波清洗三分钟，氮气吹干后，配置质量分数为5%的羟丙基甲基纤维素（HPMC）水溶液，并在真空干燥箱中去除气泡。随后使用旋涂机在1800转/秒转速下旋涂40秒，并在100摄氏度环境中固化5分钟，从而在玻璃基底上形成均匀的水溶性牺牲层薄膜。选择HPMC的原因在于其良好的水溶性，且在溶解过程中不会溶胀或损伤表面电路。第二步是利用电场驱动喷射在平面基底上打印高分辨率二维电子图案。打印头连接高压电源正极，使喷嘴处的导电银浆形成极化电荷。在直流电压作用下，打印喷嘴与高电位基底之间产生静电效应，形成极细的泰勒锥射流，从而实现高分辨率打印。研究中采用了内径为40微米的玻璃喷嘴，系统探究了气压、打印高度、速度和电压等参数对线宽和形貌的影响。实验发现，气压从140帕增加到300帕时，打印线宽从12.58微米增大到31.1微米，最佳气压范围为160帕至220帕。打印高度从30微米增加到120微米时，线宽从21.3微米下降到17.4微米，但线宽一致性有所降低，优选高度范围为60微米至100微米。打印速度从3毫米/秒增大到70毫米/秒时，线宽从48.68微米减小到9.662微米，但过高速度会导致颈缩或断点，优选速度范围为10毫米/秒至30毫米/秒。打印电压过低时泰勒锥不稳定，过高则会造成电路弯曲、毛刺和卫星液滴，优选电压范围为800伏至1000伏。打印完成后，电子器件在100摄氏度下烧结40分钟，使有机溶剂挥发、纳米银颗粒紧密接触，从而稳定电阻。第三步是水辅助转移印刷。将带有二维电子图案的平面基底浸入水浴中十分钟，待牺牲层完全溶解后，二维电子图案形成具有一定刚性和柔性的自支撑结构。由于电路采用网格结构，两个方向的支撑使其在水中能够保持原形。研究人员使用辅助杆将电子器件从平面基底剥离，并放置于曲面基底上。当电子器件与曲面基底接触顺序不同时，未接触部分相对于已接触部分受到更大的重力作用，从而产生一定的拉伸变形，优化了电子器件与曲面基底之间的共形性。当基底从水中提出时，液体表面张力形成的压力驱动微电路沿曲面展开，进一步保证了共形贴合。第四步是后处理工艺，在复杂曲面高分辨率电子器件表面喷涂水性纳米涂层溶液，以增强电子器件与复杂曲面之间的结合力，同时形成保护层，提高电子器件的耐酸碱等极端环境能力和导电性能。

在表征方面，研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜观察复杂曲面上高分辨率电子器件的微观形貌，使用电阻测试仪测量电路电阻，使用红外热成像仪分析加热均匀性，并使用紫外-可见分光光度计测试可见光透过率。

研究结果表明，利用该技术可以在具有大曲率表面（如海螺壳）和任意复杂表面（如扇贝壳、石头）上成功制造线宽约25微米的高分辨率电子器件。SEM图像显示，转移前后电子器件保持了良好的网格结构和结构完整性，网格结构的双向支撑使其能够在拉伸变形下更好地适应复杂曲面，同时有效减少了从二维平面到不可展曲面转移时产生的褶皱。对不同基底上的高分辨率电子器件施加2伏直流电压进行热成像测试，结果显示在平面玻璃基底、大曲率海螺壳基底以及任意复杂的扇贝壳和石头基底上，电子器件均表现出均匀的加热效果，没有明显的热点或暗点。这一现象表明电子器件在转移前后保持了原有的网格结构，并且在复杂曲面上具有优异的共形性能，同时证明电场驱动喷射制造的平面电子器件具有良好的机械强度，自支撑网格结构和水辅助转移技术使电子器件在转移过程中受到较小应力，图案未发生扭曲。

为了验证该方法在实际器件中的应用潜力，研究人员在丙烯酸半球形透明基底上制造了曲面透明电加热器。光透过率测试表明，在转移前，周期为200微米、250微米、300微米、500微米、750微米和1000微米的电子器件在扣除基底影响后，在550纳米波长处的透过率分别为83.59%、87.24%、90.18%、91.76%、92.69%和97.11%。转移后，由于自支撑网格的微拉伸特性减少了褶皱，相应周期电子器件的透过率仍分别达到68.75%、73.05%、77.37%、86.12%、89.53%和91.7%。综合考虑导电性和透光性，选择500微米周期制备曲面透明电加热器。加热性能测试显示，在2伏、2.5伏、3伏、3.5伏和4伏电压下，电加热器最高温度分别可达56.7摄氏度、70.3摄氏度、83.9摄氏度、97.5摄氏度和118摄氏度。热响应测试表明，在300秒内，2伏至3.5伏电压下均可达到最高温度，4伏电压下300秒内可达到109摄氏度，500秒达到最高温度118摄氏度。在4伏电压下进行100次热循环测试，加热器每次达到的最高温度和所需加热时间保持一致，证明其具有良好的加热稳定性。此外，在电加热器表面喷涂纳米保护涂层后，研究人员测试了其化学稳定性和粘附性。将电阻分别浸泡在pH为2.16的稀盐酸、pH为12.33的氢氧化钠溶液和pH约为7的去离子水中72小时，电阻变化率分别为6.35%、2.05%和几乎无变化。使用3M胶带进行100次粘附力测试后，电阻变化率仅为0.36%，表明纳米涂层显著提高了器件的环境耐受性和机械稳定性。

该研究的主要结论是，电场驱动喷射与水辅助转移印刷相结合的方法可以简单高效地在复杂曲面上制造高分辨率电子器件。该方法的科学价值在于提出了一种利用自支撑网格结构在水中的拉伸变形来减少不可展曲面转移褶皱的新思路，并通过结构完整性和电性能一致性验证了其可行性。其应用价值在于为复杂曲面电子器件提供了一种低成本、高精度的制造方案，在曲面透明电加热器等领域展示了良好的光透过率、加热性能和稳定性。该研究的亮点在于：第一，首次将电场驱动喷射与水辅助转移印刷相结合，实现了25微米线宽的高分辨率电子器件在任意复杂曲面上的共形制造；第二，发现网格结构在牺牲层溶解后形成的自支撑结构具有刚性和柔性兼备的特性，能够在转移过程中产生拉伸变形以匹配曲面曲率，从而有效抑制褶皱；第三，通过热成像测试和多种曲面基底实验，系统验证了转移前后电路结构的完整性和电性能一致性；第四，成功制备了曲面透明电加热器，并展示了其在极端环境下的化学稳定性和机械稳定性。未来，研究人员计划通过理论建模和仿真等方法优化电子结构设计，以进一步提高复杂曲面共形电子制造的精度并扩大适用面积。