柔性印刷电子技术解析及发展趋势

 

  印刷加工与我们现在已经熟知的3D打印一样,本质上是一种增材制造技术。而传统集成电路芯片加工或各种电子设备中常见的电路板制造技术,都是减材制造技术,即通过等离子刻蚀或酸液腐蚀将不需要的材料去除,形成功能材料的图形结构。

  1、 印刷电子定义

  首先,印刷电子本身是一个专有名词。印刷电子的定义,简而言之即“印刷+电子”,是利用传统印刷技术来制作电子器件或电路。传统印刷技术就是我们所熟知的印刷报纸与杂志的技术。传统印刷报纸的技术为什么可以用来印刷电子?我们印刷报纸或杂志用的是黑白或彩色油墨。如果把这些仅是表达颜色的油墨换成具有电子功能的油墨,印刷出来的图形就具有了电子功能。

  2 、印刷电子的起源与发展历程

  印刷本身是一个渊源悠久的技术,中国祖先在1000多年就发明了活字印刷术。上世纪70年代有机导体材料的发现开创了有机电子学这一新学科领域。科学界对有机电子学感兴趣,不仅仅是出于科学好奇心,更重要的是有机聚合物材料有可能制备成溶液态,最终有可能以印刷方式大批量、低成本地制造有机电子器件。所以,有机电子学发展早期即已经有人开始将有机电子材料进行溶液化处理并用于制作晶体管的尝试,到2000年时已经出现了全部用喷墨打印方法制备的有机场效应晶体管。

  印刷电子技术的蓬勃发展得益于无机纳米材料技术的发展与成熟,其历史渊源只有10年左右时间。通过考察Web of Science数据库中与印刷电子相关的论文发表年代可以发现(图2),以“印刷电子”(Printed Electronics)为关键词的研究论文在2005年以后才逐年增加,2008年以后才有明显增长,并不是与有机电子(Organic Electronics)的发展同步。究其原因,印刷电子技术是伴随着无机纳米材料的应用才开始大规模发展起来。

  中国的印刷电子发展起步于2010年,其标志性事件是,国内第一个印刷电子技术研究中心于2010年在中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所宣告成立。同年7月,在苏州举办了国内首届印刷电子技术研讨会。2011年,由北京印刷学院牵头,成立了中国印刷电子产业创新联盟;2012年,中国应邀出席了在韩国首尔召开的国际印刷电子标准委员会成立大会。中国印刷电子技术的研发与产业化活动从此进入国际视野。

  3 、印刷电子技术涵盖领域

  实现印刷电子产品主要涉及到5方面的技术:基底材料、可印刷电子材料、印刷工艺、印刷设备、系统设计与集成,这5项技术缺一不可。其中基底材料与印刷设备基本是现有技术。由于印刷本身是增材制造,对基底材料没有特殊要求。基底材料的选择主要取决于特定的产品形态。例如,柔性化、低成本要求等。印刷设备方面已经有传统印刷工业作为基础。当然,印刷电子与印刷报纸不同。印刷电子对设备有更高的要求,包括对各种电子墨水材料的兼容性、多层电子材料印刷的套印精度等。目前,国外许多传统印刷与涂布设备制造厂商已经开始关注印刷电子技术的发展,开发出一些印刷电子专用设备,包括喷墨打印、丝网印刷、凹版印刷、柔版转印等设备。分辨率在1微米左右的静电喷墨打印和5微米左右的凹版印刷都已有商品化设备。一些设备已开始进入中国市场。以喷墨打印机为例,国外各种类型的喷墨打印系统都可以在国内大学与科研单位见到。一些大型的价值上千万人民币的印刷系统也已经有中国买家。中国本土印刷电子设备企业也开始成长起来。

  4、 印刷电子涵盖的应用领域

  印刷电子可以在太多的领域发挥它的作用。图表4概括了印刷电子技术潜在的应用领域,该信息来源于国际有机电子协会(OE-A)在2015年发布的有机与印刷电子技术报告。由于印刷电子本身的大面积、柔性化与低成本特点,所创造的电子产品具备了传统电子系统所没有的新形态、新特征。

  例如,通过印刷可以直接将电子智能系统集成到包装材料上,而不是目前这种单独制造电子系统,然后通过贴片等方式添加到包装材料上。这些电子智能系统包括物流信息、防伪信息,与使用者互动的功能,或者增加可观赏性、实现与其他同类产品差异化等。印刷智能包装本身正在成为一个新产业。

  再如汽车电子,传统分立的汽车电子系统完全可以通过3D印刷电子技术(在3D结构表面构造电子系统)与汽车结构件形成一体。类似的还有其他各种潜在应用,由此产生了多个新的电子技术门类,例如结构电子技术(Structural electronics)和 模内电子技术(In-Mould Electronics)。

  传统智能织物技术是将功能纤维编织到布料中。而新型电子浆料的开发可以直接在布料表面印刷形成电路,实现纺织电子功能,包括多种实用功能和时尚功能。

  至于通过印刷实现的柔性OLED照明与柔性太阳能电池,这些技术早已开发多年,只是在等待市场时机。一旦爆发,将势不可挡。

  印刷电子创造的每一种产品都可以造就一个产业,而辅助这些产业的是印刷电子产业链的上游端,即材料与设备。事实上,导电银浆本身已经是一个巨大的产业。根据英国IDTechEx公司的市场数据,2016年全球导电墨水(Conductive ink)的市场已达到13亿美元。印刷电子专用设备也已形成一个产业,这些设备包括喷墨打印设备,卷对卷连续印刷设备,用于导电浆料烧结的光子烧结设备等。国内外都已出现专门提供这些设备的供应商。随着各种印刷电子产品市场的扩张,这个产业链将越来越成熟完善。

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