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柔性印刷电子技术解析及发展趋势

1.1 印刷电子界说

首要,印刷电子自身是一个专有名词。印刷电子的界说,简而言之即“印刷+电子”,是运用传统印刷技能来制造电子器材或电路。传统印刷技能便是咱们所熟知的印刷报纸与杂志的技能。传统印刷报纸的技能为什么能够用来印刷电子?咱们印刷报纸或杂志用的是是非或五颜六色油墨。如果把这些仅是表达色彩的油墨换成具有电子功用的油墨,印刷出来的图形就具有了电子功用。

咱们很多运用的各种电子设备中的集成电路芯片IC包含印刷电路板PCB(PrintedCircuit Board)都是经过杂乱的光刻、显影、刻蚀等一系列加工过程完结的,例如图表1(a)所示的工艺流程。图表1(b)展现的是印刷加工的工艺流程。相同是将一种功用资料在平面基底上制造成图形结构,传统集成电路芯片的加工办法要经过从镀膜(a)到去胶(h)等8个过程,而印刷加工则只需求两步。印刷办法能够直接将功用资料以图形化办法堆积到基底外表,只需求额定的烧结工艺,将墨水资料烧结成固体资料,就构成了与传统工艺需求8步才干完结的相同的图形结构。

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图表1:传统集成电路芯片加工与印刷加工的比较

印刷加工与咱们现在现已熟知的3D打印相同,本质上是一种增材制造技能。而图表1(a) 中所示的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能,都是减材制造技能,即经过等离子刻蚀或酸液腐蚀将不需求的资料去除,构成功用资料的图形结构。印刷增材制造有5个长处:

(1)不依靠基底资料的性质。集成电路芯片只能在硅基半导体晶圆上制备,平板闪现中的液晶闪现屏只能在玻璃基板上制备。而印刷能够在任何资料外表堆积功用资料。这就使得在塑料、纸张、布料等很多低本钱柔性资料外表制造电子器材与电路成为或许。所以,印刷电子与柔性电子密切相关。事实上,印刷是制备柔性电子的最佳技能。

(2)印刷能够大面积与批量化制造。传统印刷技能现已能够在数米宽的资料外表经过高速接连卷对卷办法印刷报纸或印染布疋。相同办法也适用于印刷电子功用资料;集成电路芯片加工现在能够完结的最大晶圆规范只需300毫米直径,而印刷电子器材能够在1米以上的面积上完结。

(3)印刷电子制造是低本钱的。这种低本钱来自于印刷设备的低本钱,一般一台设备就能够完结悉数印刷制造环节;来自于印刷资料的低本钱,尤其是各种低本钱塑料或纸张基底资料;来自于高速接连卷对卷批量化印刷导致的单个器材的低本钱。

(4)印刷增材制造是绿色环保的。一方面增材制造自身削减了原资料糟蹋,削减了因腐蚀而构成的污染排放;另一方面,印刷自身大多没有高温工艺环节,节省了动力,削减了碳排放。

(5)印刷制造中的喷墨打印办法具有数字化与个性化制造的特征。与3D打印的个性化制造特征相同,喷墨印刷电子不需求模板,能够快速制造小批量个性化电子产品。

所以,大面积、柔性化、个性化、低本钱、绿色环保是印刷电子制造差异于传统电子制造的首要特征,也是印刷电子技能近年来繁荣鼓起的重要原因。

1.2 印刷电子的来源与开展进程

印刷自身是一个根由悠长的技能,我国祖先在1000多年就发明晰活字印刷术。上世纪70时代有机导体资料的发现创始了有机电子学这一新学科范畴。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资料有或许制备成溶液态,终究有或许以印刷办法大批量、低本钱地制造有机电子器材。所以,有机电子学开展前期即现已有人开端将有机电子资料进行溶液化处理并用于制造晶体管的测验,到2000年时现已呈现了悉数用喷墨打印办法制备的有机场效应晶体管。

有机电子学在一开端开展时就以能够低本钱印刷制造为终究意图。但有机电子学开展到今日,印刷仍没有成为有机电子器材的干流制造技能。这首要是因为溶液态有机电子资料(无论是小分子资料仍是聚合物资料)的电荷迁移率(Charge Carrier Mobility,单位:cm2v-1s-1)总是不如真空蒸发的有机小分子资料,它们之间至少有一个数量级的差异。以代表第三代新式闪现的有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,简称OLED)为例,现在干流OLED闪现面板的制造技能仍以真空蒸发有机小分子发光资料为主,印刷制造OLED闪现屏的技能开发刚刚开端。

印刷电子技能的繁荣开展得益于无机纳米资料技能的开展与老练,其前史根由只需10年左右时刻。经过调查Web of Science数据库中与印刷电子相关的论文宣告时代能够发现(图2),以“印刷电子”(Printed Electronics)为关键词的研讨论文在2005年今后才逐年添加,2008年今后才有显着添加,并不是与有机电子(Organic Electronics)的开展同步。究其原因,印刷电子技能是伴跟着无机纳米资料的使用才开端大规模开展起来。

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2000年之后,全球性的纳米技能研讨构成热潮,各种纳米资料被发现、被发明出来。纳米规范的无机固体资料(纳米粒子、纳米线、纳米管等)自身具有多种优异的电子与光电性质,远远优于有机电子资料。并且它们能够经过涣散办法制成墨水或油墨,然后用传统印刷办法制成图画。纳米资料自身的性质赋予了这些印刷图画结构以电荷传输功用、介电功用或光电功用,然后构成各种半导体器材、光电与光伏器材。

运用印刷纳米资料电子制备电子器材的标志性事情是2008年美国Kovio公司宣告开发成功喷墨打印纳米硅墨水制备的柔性射频标签(RFID),以及2009年韩国顺天大学宣告了经过卷对卷印刷制备依据碳纳米管等无机纳米资料墨水的RFID论文。虽然这些技能后来并没有成功走向工业化,但它让科技界与工业界看到,无机纳米资料确实能够经过印刷集成为具有晶体管功用的电子器材。

以导电银浆料为例,现在广泛使用于晶硅太阳能电池面电极的微米规范银浆需求400度以上高温烧结才干构成导电电极,而纳米规范的银浆能够使烧结温度下降到一般塑料乃至纸张能忍受的温度,真实打开了印刷电子通向大面积、柔性化、低本钱制备电子体系的大门。纳米银浆已很多用于印刷导电线路与电极,成为迄今为止使用最广泛并最成功的印刷电子资料。

印刷电子自2009年以来在世界上开端成为一个独立的学科与技能范畴,其标志性事情是自2009年今后,世界上开端呈现了以印刷电子为专题的世界学术会议。例如,以欧洲地区参与人员为主的大面积有机印刷电子世界会议(Large-area Organic and Printed Electronics Conference, 缩写LOPEC)于2009年初次在德国举行。此前欧洲只需与有机电子技能相关的学术会议。同是在2009年,以亚洲地区参与人员为主的首届柔性印刷电子世界会议(InternationalConference on Flexible and Printed Electronics, 缩写ICFPE)在韩国举行。这两个代表性世界会议都初次将印刷电子列为会议中心议题。

2011年,塑料电子杂志 (+Plastic Electronics)专文介绍了纳米资料在印刷电子技能中的使用远景,文章的标题便是《纳米资料正成为印刷电子的代名词(Nanomaterials are becoming synonymous with printed electronics)》。

2012年,由韩国倡议建立了世界印刷电子规范委员会,成为世界电工委员会IEC部属的一个新的规范化拟定安排(IEC-TC119)。

自2009年以来,多个工业发达国家包含欧盟委员会都开端了与印刷电子技能研制相关的政府研讨方案。例如,2009年英国建立了国家印刷电子中心;2010年韩国也建立了国家印刷电子中心。2011年日本建立了日本先进印刷电子技能研讨协会(JAPERA);2012年韩国发动国家印刷电子开展方案,方案在6年时刻中出资1725亿韩元(约合10亿人民币),开展印刷电子全工业链技能(Total solution)。同年,韩国也建立了国家印刷电子协会(KoPEA)。除了政府机构的研讨方案外,科技界与工业界都开端将注意力转向这一新式技能范畴。

我国的印刷电子开展起步于2010年,其标志性事情是,国内第一个印刷电子技能研讨中心于2010年在中科院姑苏纳米技能与纳米仿生研讨所宣告建立。同年7月,在姑苏举行了国内首届印刷电子技能研讨会。2011年,由北京印刷学院牵头,建立了我国印刷电子工业立异联盟;2012年,我国应邀出席了在韩国首尔举行的世界印刷电子规范委员会建立大会。我国印刷电子技能的研制与工业化活动从此进入世界视界。

2012年,由中科院姑苏纳米所印刷电子中心团队编撰的《印刷电子学:资料、技能及其使用》专著由高教出书社出书,为在我国遍及推行印刷电子技能发挥了重要效果。

在国家层面,2013年由天津大学工程院士邹竟教授领衔编撰并向我国工程院提交了“我国印刷电子工业政策研讨”的调研陈述。2013年末,科技部高新技能中心安排了“西苑论坛”,招集国内专家研讨我国开展印刷电子的方案。2014年,由TCL研讨院牵头安排了三次研讨会,研讨我国开展印刷闪现技能的规划。在此基础上构成了科技部要点研制方案“印刷闪现”专项攻略,并于2015年发布。在2016年与2017年两年中,共有10个印刷闪现项目得到科技部专项资金的支撑。印刷闪现成为印刷电子技能工业化方面的突破口,得到国家的优先支撑。2018年4月广州聚华印刷闪现公共技能渠道展现了喷墨打印的31英寸高清OLED闪现屏;2018年10月京东方建成8.5代印刷闪现试验线,并喷墨打印成功55英寸OLED闪现屏;2018年11月国家发布的37项革新性关键技能开发攻略中,印刷电子技能赫然在列。

自2010年开端的国内印刷电子研讨会至今已举行了七届,参会人数由首届只需20余人到2017年200余人参会。2014年,我国还初次主办了第5届世界柔性与印刷电子大会(ICFPE)。2018年,ICFPE世界会议再次回到我国,于9月25-28日在常州举行,参会人数超越800人。除了学术研讨外,自2012年以来每年在上海还举行与工业相关的印刷电子工业论坛,以及其他多个相关会议。印刷电子技能与工业已在我国取得广泛重视。

1.3 印刷电子技能包含范畴

完结印刷电子产品首要涉及到5方面的技能:基底资料、可印刷电子资料、印刷设备、印刷工艺、体系规划与集成,这5项技能缺一不可。其间基底资料与印刷设备基本是现有技能。因为印刷自身是增材制造,对基底资料没有特殊要求。基底资料的挑选首要取决于特定的产品形状。例如,柔性化、低本钱要求等。印刷设备方面现已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,包含对各种电子墨水资料的兼容性、多层电子资料印刷的套印精度等。现在,国外许多传统印刷与涂布设备制造厂商现已开端重视印刷电子技能的开展,开宣布一些印刷电子专用设备,包含喷墨打印、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产品化设备。一些设备已开端进入我国商场。以喷墨打印机为例,国外各品种型的喷墨打印体系都能够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体系也现已有我国买家。我国本乡印刷电子设备企业也开端生长起来。包含深圳善营公司、昆山海斯公司、江苏汉印公司、姑苏锐发公司等国内企业的印刷电子设备现已进入或开端进入国内商场,并向世界商场扩张。

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可印刷电子资料是印刷电子的要点研讨范畴。完结印刷电子制造的条件是要有针对使用需求的电子墨水资料。电子墨水分为有机与无机两大类。有机电子资料的最大特色是分子可规划性。经过有机组成技能能够发明出不同的新式有机电子资料,不断发现功用更好的资料。曩昔40年有机电子技能开展史也是不断发明新资料,不断提高有机电子资料功用的前史。有机电子资料自身又分为聚合物资料与小分子资料。有机聚合物电子资料的特色是易于溶液化,可印刷性好,但电学功用不如小分子资料。而小分子资料恰好相反,电学功用胜过聚合物资料,但不易溶液化,更适于真空蒸发堆积。最近几年,有机电子资料开展有了大幅度前进,电荷迁移率与环境稳定性都有显着提高,这方面的研讨已有很多论文宣告,但距实践使用要求仍有距离。

无机纳米资料的可挑选品种则十分有限。将无机纳米资料使用于印刷电子的首要技能妨碍是如何将它们墨水化。无机纳米资料的一般形状是纳米粒子、纳米线、纳米片或纳米管等。制备无机纳米资料墨水的首要途径包含将纳米粉体包覆外表活性剂并涣散在溶液中,或许将其前驱体溶液印刷后再还原本钱体纳米资料。因为无机纳米资料具有天然的优异电学功用与环境稳定性,依据无机纳米资料的电子墨水更具有实用性,因而更先一步商场化。以纳米银导电墨水为例,国内外已有很多的公司推出品种繁复的依据纳米银粒子与纳米银线的产品导电墨水或浆料。印刷纳米银的电子电路也成为最常见的印刷电子使用实例。

印刷的电子墨水有必要转化固体形状才干表现出应有的电学功用。完结电子墨水向固体转化的首要办法是烧结,首要技能手法是高温烘烤烧结或光子辐照烧结。有机电子墨水一般不需求高温烧结,大多也不允许高温处理。无机电子墨水则一般需求高温烧结。开展纳米规范的无机印刷电子资料的一个重要原因是把烧结温度降下来。当无机纳米资料单体的规范减小至100纳米以下后,所制备的墨水资料的烧结温度一般能够降到150°C以下,到达一般塑料基材可容许的温度。另一种办法是光子烧结,能够在不提高基底资料温度的条件下完结纳米墨水资料的高温烧结。因为某些波长的光子能量能够挑选性地被金属纳米资料吸收发生高温,但对基底资料无吸收或吸收很少,避免了基底资料被高温损害。除了烧结工艺外,印刷工艺还包含基底外表处理工艺,包含外表亲水或疏水处理,以添加墨水在基底外表的黏附力或削减墨水在基底外表的横向分散。成功的印刷电子制造是印刷设备、印刷电子资料与印刷工艺彼此匹配彼此习惯的归纳效果成果。

印刷制造的电子体系在形状上和功用上都不同于传统电子技能。最典型的比如是,印刷的晶体管不同于传统集成电路芯片中的硅基晶体管,印刷制备的柔性电路不同传统的PCB。因而,传统电子体系的规划办法不再适用,传统的体系集成技能也需求改动。

1.4 印刷电子包含的使用范畴

印刷电子能够在太多的范畴发挥它的效果。图表4归纳了印刷电子技能潜在的使用范畴,该信息来源于世界有机电子协会(OE-A)在2015年发布的有机与印刷电子技能陈述。因为印刷电子自身的大面积、柔性化与低本钱特色,所发明的电子产品具有了传统电子体系所没有的新形状、新特征。

例如,经过印刷能够直接将电子智能体系集成到包装资料上,而不是现在这种独自制造电子体系,然后经过贴片等办法添加到包装资料上。这些电子智能体系包含物流信息、防伪信息,与运用者互动的功用,或许添加可观赏性、完结与其他同类产品差异化等。印刷智能包装自身正在成为一个新工业。

再如轿车电子,传统分立的轿车电子体系彻底能够经过3D印刷电子技能(在3D结构外表结构电子体系)与轿车结构件构成一体。相似的还有其他各种潜在使用,由此发生了多个新的电子技能类别,例如结构电子技能(Structural electronics)和 模内电子技能(In-Mould Electronics)。

传统智能织物技能是将功用纤维织造到布猜中。而新式电子浆料的开发能够直接在布料外表印刷构成电路,完结纺织电子功用,包含多种实用功用和时髦功用。

至于经过印刷完结的柔性OLED照明与柔性太阳能电池,这些技能早已开发多年,只是在等候商场机遇。一旦迸发,将势不可挡。

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印刷电子另一个可预见的使用迸发范畴是物联网(IoT)。物联网不仅仅是“网”,更重要的是“物”。将“物”联到“网”,需求海量的与“物”相连的传感器。国外在2013年就现已猜测到在未来10年中要完结物联网,全球需求万亿个传感器,进入所谓“万亿传感器社会”。这些万亿传感器不或许彻底依靠于硅基集成电路制造工艺完结。海量的处于价值链低端的“物”需求有与自身价值相匹配的传感器,国外在2013年就现已猜测,印刷制造将成为完结万亿传感器的重要途径之一。依据印刷电子技能的传感器具有天然的低本钱特点,能够将网连接到海量的低价值物端,完结比如物流追寻与溯源、防伪的智能包装、冷链运送监测、电子票证、电子标识符闪现、修建与机械结构件疲惫与失效监测、健康医疗监测与检测、机器人智能皮肤等很多新使用。

1.5 印刷电子包含的工业范畴

印刷自身是一种制造技能,能够运用在许多工业范畴,正如3D打印能够用来造房子、制造飞机零件、打印人体器官,乃至做食物。印刷电子包含的工业范畴首要表现在产品端。上一节中现已描绘了很多印刷电子的使用范畴。任何这些使用只需有适宜的产品与足够大的商场,都能够构成一个工业。以下经过一些实践比如来阐明印刷电子能够催生的工业范畴。

太阳能电池范畴一向是印刷电子的一个重要工业范畴。众所周知,传统晶硅太阳能电池的外表栅电极是经过丝网印刷导电银浆制备的,这自身便是印刷电子的一个重要使用范畴。近年来跟着太阳能电池本钱空间的紧缩,晶片厚度减薄,晶硅太阳能电池工业界开端重视非触摸的喷墨打印栅电极技能。至于有机太阳能电池与最近几年繁荣开展的钙钛矿太阳能电池,更是以印刷制造技能作为下降本钱的首要手法。

生物传感器尤其是血糖试纸传统上一向依靠印刷制造技能。唯印刷能够大批量低本钱制造这些传感器。全球血糖试纸的商场巨大,由此造就了印刷电子的一个重要工业范畴。除了血糖试纸外,其他多种依据塑料与纸基的生物传感器也闪现了低本钱印刷制造的优势。依据英国IDTechEx公司的商场数据,2016年全球印刷传感器的商场已到达65亿美元。

跟着可溶液化的OLED资料的开发,印刷闪现正在构成一个新的工业。日本JOLED公司经过多年开发,于2018年推出的第一款印刷OLED闪现屏产品。我国在科技部印刷闪现要点研制方案支撑下,多个闪现面板龙头企业也在出资建造印刷OLED闪现屏生产线,其间京东方已在合肥建成8.5代印刷闪现试验线,并成功喷墨打印制造出55英寸OLED电视面板。

印制电路版(PCB)工业能够经过选用真实的印刷增材制造技能发明传统光刻腐蚀技能无法完结的新式产品,例如大面积柔性电路产品。因为印刷自身的分辨率约束与多层套印精度约束,印刷制备的导电电路还无法彻底替代现在黄光制程制备的PCB,但在不需求多层电路,不需求超细电路,不需求大电流的使用范畴,印刷电子技能现已在发挥重要效果。例如,触摸屏的引线电路首要依靠丝网印刷导电银浆完结。而关于超小批量的PCB,经过喷墨打印实时制造比传统黄光制程制造更有本钱优势,并且周期短,能够随时更改规划。传统腐蚀办法制备PCB以及RFID天线都存在腐蚀液排放的污染问题。虽然PCB与RFID天线制造企业在尽力操控污染排放,但一个不争的事实是,污染源依然存在,我国东南滨海各级地方政府早已明令禁止新建这类企业,并要求现有这类企业完结“零”排放。印刷增材制造则能够完结绿色制造,为这个工业带来新的活力。现在依据印刷纳米银的RFID天线现已与刻蚀铝天线在本钱上具有必定竞争力。跟着纳米铜浆技能的老练,印刷纳米铜的RFID天线在下降本钱方面胜过刻蚀铝天线。关于纸基电子标签使用,传统刻蚀铝天线有必要先做在塑料基底上,然后复合到纸基标签。印刷RFID天线能够直接印在纸基资料上,不需求经过复合环节,本钱能够进一步下降。

与印刷OLED、印刷太阳能电池,以及印刷晶体管等印刷电子技能比较,更挨近工业化与商场的是直接印刷导电或导热资料,发明大面积柔性化新产品。印刷(包含涂布)纳米银资料(银纳米粒子或银纳米线)现已成为替代氧化铟锡(ITO)通明导电资料制造大规范通明导电膜的首选技能。这种新式通明导电膜比ITO通明导电膜有更高的导电性与更好的柔性,现已使用于大规范触摸屏产品。石墨烯资料的成功商业化使用也是经过印刷石墨烯浆料完结的,包含印刷石墨烯的各种加热与散热产品。

印刷电子发明的每一种产品都能够造就一个工业,而辅佐这些工业的是印刷电子工业链的上游端,即资料与设备。事实上,导电银浆自身现已是一个巨大的工业。依据英国IDTechEx公司的商场数据,2016年全球导电墨水(Conductive ink)的商场已到达13亿美元。印刷电子专用设备也已构成一个工业,这些设备包含喷墨打印设备,卷对卷接连印刷设备,用于导电浆料烧结的光子烧结设备等。国内外都已呈现专门提供这些设备的供货商。跟着各种印刷电子产品商场的扩张,这个工业链将越来越老练完善。


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