研究人员发明可打印电路板喷墨打印机

　　导体墨水诞生后，普通喷墨打印机也能在几分钟时间内完成柔性电路板的制作，让柔性可穿戴设备的研发速度和成本成倍改善。

　　文｜CBN记者 黄俊杰

　　在这个几乎家家都有平板电脑的时代，买一台喷墨打印机有什么用？打印工作文件、帮孩子准备资料、偶尔打两张照片，最终可能只是放着落灰。或者，按照几位大学研究人员的想法，它也可以成为个性化生产的重要组成部分。

　　来自佐治亚理工学院、东京大学和微软(37.64, 0.07, 0.19%)研究院的多位研究人员最近找到了一种快速开发电子设备的技术，能够直接通过家用喷墨打印机制作电路板。

　　搭配低价3D打印机和激光切割技术所制作的外壳，这种技术有望进一步降低硬件创业的研发门槛，帮助创业者快速实践想法、改进设计，最终带来创新的智能玩具或者可穿戴设备。

　　随便拆开一台电脑或者手机，你都会看见一块或者多块PCB电路板。PCB电路板一般是绿色，但也常被处理成红、蓝、黑或者设计师想要的任何其它颜色。不论处理器的供电，还是各组件之间的信号传输，都通过这些小板子上印着的金属线完成。它们往往在巨大的车间里由专业的设备批量生产完成。

　　大规模生产开始前，开发者需要先制作几块电路板来测试设计，然后根据测试结果修改设计。这个过程被称为打样或者原型制造。

　　大学实验课和产品研发最初阶段常用面包板打样。用户在一块密布接口的白板上插入电线、传感器、电阻等元件，模拟最终电子产品的表现。在面包板上改动设计非常方便，但它的体积巨大，而且可靠性和性能也和成品不符，开发者迟早还是得在PCB印刷电路板上打样。

　　为了帮助创业者和研究人员快速生产电路板，有公司提供了在线提交设计，生产完成后快递给用户的服务。但这样的生产模式至少需要一天以上才可能拿到电路板，严重拖慢了产品的研发速度，改两次设计就需要一周时间。

　　随着3D打印机和激光切割机成本的下降，硬件创业者已经能够在一天时间内尝试多种不同的外壳设计。PCB电路板漫长的加工周期已经成为创业型硬件产品设计之初的一个短板。

　　“我们认为应该带来一种快速打样、定制PCB板的方法，”佐治亚理工学院交互计算机学院教授格雷戈里?阿宝德(Gregory Abowd)认为这种技术应该更快更便宜，“便宜到任何想要实践的人都能负担的地步。”

　　材料科学方面的最新突破让阿宝德的想法成为可能。三菱研究人员武宣芳树发明了一种不需要高温处理，干燥后经过化学反应产生导电性的导体墨水。它将直径小于0.1微米的银纳米粒子溶解于含有聚合物胶乳的特殊溶剂，墨水干燥后数秒便会产生导电性。

　　为了确保导体墨水能够顺畅地从打印机的喷嘴喷出，三菱对墨水粘度、表面张力、挥发性和颗粒尺寸进行了优化，批量生产的版本每100毫升售价2万日元。用作电路板打印时，1毫米宽的电路每米平均5美分，成本并不高。

　　研究人员在多款家用喷墨打印机上测试了这种导体墨水，发现出墨量较大的喷墨打印机都能正常使用，最便宜的一款不到100美元。研究人员用针管将导体墨水注入干净的空墨盒。为避免漂浮物混入墨水影响导电性，注入过程中需要使用一次性过滤管。

　　导体墨水需要纸张有较低的电阻，同时还得避免墨水扩散以保证导电性。表面处理是必需的，实验发现光面照片打印纸、透明的PET塑料胶片都能满足电路打印需求。这些材料都是柔软、可弯曲的，适合柔性可穿戴电子设备的研发。这是一般PCB板定制服务所无法提供的。

　　电路打印本身并不需要特殊的软件，开发者只要将设计好的电路图转换成点阵图片即可使用。但打印出来的电路厚度不能太薄，太薄就无法确保导电性。因此打印时得选择照片模式，此时打印机会将青、红、黄三块区域的导体墨水混在一起组成黑色，出墨量高于只使用黑墨盒的文字模式。

　　研究人员发现，喷墨打印而来的电路板的电阻会随着时间的流逝而变化，在7个月后会增加15%。这是银纳米粒子氧化之后的结果，会影响电路板的长期使用。解决方案也很简单，直接用家用照片塑封机在电路板上压一层薄膜便可以有效阻止氧化。

　　电路板只是基础而已，打印完成以后的下一步是安装处理器、电阻、传感器之类的元件。传统PCB板的元件都通过焊接的方式固定上去，非常牢固。但焊接需要至少180℃的高温，会破坏电路板底部的纸张并影响已经凝固的电路。

　　研究人员找到的解决方法是通过导电银胶粘住元件，这是最牢固的安装方法。在65℃的烘箱里，导电银胶能够在十几分钟时间里固定元件。此外3M生产的导电双面胶，也能用于固定元件。

　　除了电路板本身，开发者也可以直接喷墨打印出简单的天线，甚至触控传感器。比如在儿童玩具上加装触控按钮，在感受触摸后播放音乐。这类天线和传感器的打印成本往往只有数十美分。

　　电子电路板生产是一个庞大的市场，去年产值94亿美元。施乐实验室(PARC)也进行了类似的尝试，在今年推出了一种名为银弹(Silver Bullet)的导电墨水，能够直接在塑料片上打印电路。打印完成后的塑料电路板需要以150℃的高温加热数小时才能安装元件。此外施乐的新材料需要使用来自富士等公司的工业级打印机，造价通常超过5万美元。

　　相比施乐的专用喷墨打印设备，佐治亚理工学院的解决方案只要300美元，打印速度也更快。

　　1988年，施乐实验室首席科学家马克?韦泽(Mark Weiser)提出普适计算的概念—大量可穿戴设备、平板设备和大屏幕交互设备的诞生将把计算机带入用户周遭的一切。韦泽的预言已经在逐渐变成现实。

　　参与该项目的东京大学助理教授川原弘相信自己的研究正是通向普适计算的重要一步。今年普适计算大会上，川原弘发表了一篇论文详细讲述即时喷墨打印电路技术的细节和前景。他在论文里写道：“研究中用到的所有材料都是市面上可以直接买到的物品，你可以直接在家进行实验。这种方法能够以极低的成本打印电路板、传感器和天线，带来很多新机遇。”