3D 列印隱形眼鏡融合塑膠與主動式電子零件

Contact lens merges plastics and active electronics via 3-D printing
http://phys.org/news/2014-12-contact-lens-merges-plastics-electronics.html

By John Sullivan
2014.12.10

(Phys.org) -- 身為一個用來示範新 3D 列印技術之計畫的一部分，普林斯頓（Princeton）研究者將微小的發光二極體嵌入標準的隱形眼鏡中，讓此裝置能發出色光。

Michael McAlpine（領導研究者）警告說，該隱形眼鏡的設計，並不能拿來用 -- 舉一例來說，它需要外部供電。事實上，他表示，這個團隊之所以創造該裝置，是為了證明將電子元件「3D 列印」到複雜的形狀與材料上的能力。

"這證明我們能使用 3D 列印來創造複雜的電子元件，包括半導體，" McAlpine 表示，一位機械與航太工程助理教授。"我們能 3D 列印出整個裝置，在此例中是一個 LED。"

堅硬的隱形眼鏡以塑膠製成。研究者使用微小的結晶體，稱為「量子點（quantum dots）」來創造 LEDs，那能發出色光。不同尺寸的量子點能用來產生各種顏色。

"我們把這些量子點（亦稱為奈米粒子）當成墨水使用，" McAlpine 說。"我們能夠產生二種不同的顏色：橘色與綠色。"

這款隱形眼鏡也屬於一個持續不斷努力的計畫的一部分：使用 3D 列印技術來組裝來源多樣、且經常難以結合的材料，使之成為可用的裝置。在不久之前，一個包含 McAlpine 的 Princeton 教授團隊以活細胞創造出仿生耳（bionic ear），那內嵌天線，能夠收發無線電訊號。

Yong Lin Kong （這二個計畫的研究者）表示：仿生耳呈現出不同類型的挑戰。

"仿生耳計畫的主要焦點是證明電子與生物材料的融合，" Kong 表示，機械與航太空成系的畢業生。

Kong （一篇文章的第一作者，那刊載在 10/31 的 Nano Letters 期刊上，描述當前的研究）表示：這個隱形眼鏡計畫，在另一方面，涉及利用多樣的材料，進行主動式電子零件的列印。這些材料在機械上、化學上或是熱性質上不相容 -- 例如，利用熱來形塑某種材料，可能會在不經意間摧毀相鄰的另一種材料。這個團隊得要找到方法來處理這些不相容的情況，並且也要開發出新材料來列印電子零件，而非將電子產業所常用的技術拿來用。

"例如，在不涉及傳統微組裝技術的情況下，要能仿製（pattern）出一層薄薄且均勻的奈米粒子及聚合物的圖層，而列印出來的薄膜，其厚度與均勻度則是二個關鍵參數，那決定印出來的主動式裝置的性能與產量，" Kong 表示。

為了要解決這些跨學門的挑戰，研究者與 Ian Tamargo（今年取得化學碩士學位）、Hyoungsoo Kim（博士後研究助理，機械與航太工程系的流體力學專家）以及 Barry Rand（電子工程以及 Andlinger 能源與環境中心的助理教授）等人合作。

McAlpine 表示，3D 列印的最大長處之一是能夠創造出型態複雜的電子零件。不像傳統的電子零件製造，那在平坦組件上建立電路，並將之堆疊成三維結構，3D 列印則能夠像創造出水平結構那樣輕易地創造出垂直結構。

"在此例中，我們有一個 LEDs 立方體，" 他說。"有些接線是垂直的，有些是水平的。"

為了要進行研究，該團隊打造出一種新型 3D 印表示，McAlpine 將之形容成："在某一方面看起來像現成貨，在另一方面則超炫。" Dan Steingart （一位機械與航太工程系以及 Andlinger Center 的助理教授) 幫忙設計與建造新印表機，McAlpine 估計那價值約 2 萬美元。

McAlpine 表示，他並不展望 3D 列印會很快地取代電子業中的傳統製造技術；相反地，它以非常不一樣地策略成為一種互補技術。傳統製造技術，那使用微影術來創造電子元件，在產生多個具有非常高可靠度的拷貝上是一種快速且有效率的方法。製造商使用 3D 列印來創造模型（那雖然慢，但很容易改變與客製化）以及用於快速成型（rapid prototyping）的組件。

3D 列印主要用於具有彈性需求以及為了特殊用途而量身訂作的情況中。例如，傳統製造技術並不適用於醫療裝置，那需要符合病患的獨特形狀，或是需要以客製方式彎曲不尋常的材料。"試圖列印出一支手機，並不是我們要走的路，" McAlpine 說。"是客製化賦予 3D 列印力量。"

在此例中，研究者能以客製的 3D 列印方式，將電子零件印到隱形眼鏡上，他們首先掃瞄隱形眼鏡，然後將幾何資訊反饋給印表機。這允許在隱形眼鏡上以 3D 方式印出一個 LED。

※ 相關報導：

＊ 3D Printed Quantum Dot Light-Emitting Diodes
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5033292

Yong Lin Kong, Ian A. Tamargo, Hyoungsoo Kim,
Blake N. Johnson, Maneesh K. Gupta,
Tae-Wook Koh, Huai-An Chin, Daniel A. Steingart⊥,
Barry P. Rand, and Michael C. McAlpine.
Nano Lett., 2014, 14 (12), pp 7017–7023
doi: 10.1021/nl5033292

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