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jz体育地址柔性印刷电子技术解析及发展趋势

日期:2021-09-06 05:56

  印刷加工与我们如今曾经熟知的3D打印一样,素质上是一种增材制作手艺。而图表1(a) 中所示的传统集成电路芯片加工或各类电子装备中常见的电路板制作手艺,都是减材制作手艺,即经由过程等离子刻蚀或酸液腐化将不需求的质料去除,构成功用质料的图形构造。

  起首,印刷电子自己是一个专著名词。印刷电子的界说,简而言之即“印刷+电子”,是操纵传统印刷手艺来建造电子器件或电路。传统印刷手艺就是我们所熟知的印刷报纸与杂志的手艺。传统印刷报纸的手艺为何能够用来印刷电子?我们印刷报纸或杂志用的是口角或彩色油墨。假如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。

  我们大批利用的各类电子装备中的集成电路芯片IC包罗印刷电路板PCB(PrintedCircuit Board)都是经由过程庞大的光刻、显影、刻蚀等一系列加工步调完成的,比方图表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。一样是将一种功用质料在平面基底上建造成图形构造,传统集成电路芯片的加工办法要颠末从镀膜(a)到去胶(h)等8个步调,而印刷加工则只需求两步。印刷办法能够间接将功用质料以图形化方法堆积到基底外表,只需求分外的烧结工艺,将墨水质料烧结成固体质料,就构成了与传统工艺需求8步才气完成的一样的图形构造。

  印刷加工与我们如今曾经熟知的3D打印一样,素质上是一种增材制作手艺。而图表1(a) 中所示的传统集成电路芯片加工或各类电子装备中常见的电路板制作手艺,都是减材制作手艺,即经由过程等离子刻蚀或酸液腐化将不需求的质料去除,构成功用质料的图形构造。印刷增材制作有5个长处:

  (1)不依靠基底质料的性子。集成电路芯片只能在硅基半导体晶圆上制备,平板显现中的液晶显现屏只能在玻璃基板上制备。而印刷能够在任何质料外表堆积功用质料。这就使得在塑料、纸张、布料等大批低本钱柔性质料外表制作电子器件与电路成为能够。以是,印刷电子与柔性电子亲密相干。究竟上,印刷是制备柔性电子的最好手艺。

  (2)印刷能够大面积与批量化制作。传统印刷手艺曾经能够在数米宽的质料外表经由过程高速持续卷对卷方法印刷报纸或印染布疋。一样办法也合用于印刷电子功用质料;集成电路芯片加工今朝能够完成的最大晶圆尺寸只要300毫米直径,而印刷电子器件能够在1米以上的面积上完成。

  (3)印刷电子制作是低本钱的。这类低本钱来自于印刷装备的低本钱,凡是一台装备就可以够完成局部印刷制作环节;来自于印刷质料的低本钱,特别是各类低本钱塑料或纸张基底质料;来自于高速持续卷对卷批量化印刷招致的单个器件的低本钱。

  (4)印刷增材制作是绿色环保的。一方面增材制作自己削减了原质料华侈,削减了因腐化而构成的净化排放;另外一方面,印刷自己大多没有高温工艺环节,节流了能源,削减了碳排放。

  (5)印刷制作中的喷墨打印办法具无数字化与本性化制作的特性。与3D打印的本性化制作特性一样,喷墨印刷电子不需求模板,能够快速制作小批量本性化电子产物。

  以是,大面积、柔性化、本性化、低本钱、绿色环保是印刷电子制作区分于传统电子制作的次要特性,也是印刷电子手艺比年来兴旺鼓起的主要缘故原由。

  印刷自己是一个渊源长久的手艺,中国先人在1000多年就发清楚明了活字印刷术。上世纪70年月有机导体质料的发明创始了有电机子学这一新学科范畴。科学界对有电机子学感爱好,不单单是出于科学猎奇心,更主要的是有机聚合物质料有能够制备成溶液态,终极有能够以印刷方法多量量、低本钱地制作有电机子器件。以是,有电机子学开展晚期即曾经有人开端将有电机子质料停止溶液化处置并用于建造晶体管的测验考试,到2000年时曾经呈现结局部用喷墨打印办法制备的有机场效应晶体管。

  有电机子学在一开端开展时就以可以低本钱印刷制作为终极目标。但有电机子学开展到明天,印刷仍没有成为有电机子器件的支流制作手艺。此次要是由于溶液态有电机子质料(不管是小份子质料仍是聚合物质料)的电荷迁徙率(Charge Carrier Mobility,单元:cm2v-1s-1)老是不如真空蒸发的有机小份子质料,它们之间最少有一个数目级的差别。以代表第三代新型显现的有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,简称OLED)为例,今朝支流OLED显现面板的制作手艺仍以真空蒸发有机小份子发光质料为主,印刷制作OLED显现屏的手艺开辟方才开端。

  印刷电子手艺的兴旺开展得益于无机纳米质料手艺的开展与成熟,其汗青渊源只要10年阁下工夫。经由过程考查Web of Science数据库中与印刷电子相干的论文揭晓年月能够发明(图2),以“印刷电子”(Printed Electronics)为枢纽词的研讨论文在2005年当前才逐年增长,2008年当前才有较着增加,并非与有电机子(Organic Electronics)的开展同步。究其缘故原由,印刷电子手艺是伴跟着无机纳米质料的使用才开端大范围开展起来。

  2000年以后,环球性的纳米手艺研讨构成,各类纳米质料被发明、被缔造出来。纳米标准的无机固体质料(纳米粒子、纳米线、纳米管等)自己具有多种优良的电子与光电性子,远远优于有电机子质料。并且它们能够经由过程分离方法制成墨水或油墨,然后用传统印刷方法制成图案。纳米质料自己的性子付与了这些印刷图案构造以电荷传输机能、介机电能或光机电能,从而构成各类半导体器件、光电与光伏器件。

  操纵印刷纳米质料电子制备电子器件的标记性变乱是2008年美国Kovio公司颁布发表开辟胜利喷墨打印纳米硅墨水制备的柔性射频标签(RFID),和2009年韩国顺天大学揭晓了经由过程卷对卷印刷制备基于碳纳米管等无机纳米质料墨水的RFID论文。虽然这些手艺厥后并没有胜利走向财产化,但它让科技界与产业界看到,无机纳米质料确实能够经由过程印刷集成为具有晶体管功用的电子器件。

  以导电银浆料为例,今朝普遍使用于晶硅太阳能电池面电极的微米标准银浆需求400度以上高温烧结才气构成导电电极,而纳米标准的银浆可使烧结温度低落到一般塑料以至纸张能容忍的温度,真正翻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。纳米银浆已大批用于印刷导电线路与电极,成为迄今为止使用最普遍并最胜利的印刷电子质料。

  印刷电子自2009年以来在国际上开端成为一个自力的学科与手艺范畴,其标记性变乱是自2009年当前,国际上开端呈现了以印刷电子为专题的国际学术集会。比方,以欧洲地域参与职员为主的大面积有机印刷电子国际集会(Large-area Organic and Printed Electronics Conference, 缩写LOPEC)于2009年头次在德国举行。此前欧洲只要与有电机子手艺相干的学术集会。同是在2009年,以亚洲地域参与职员为主的首届柔性印刷电子国际集会(InternationalConference on Flexible and Printed Electronics, 缩写ICFPE)在韩国举行。这两个代表性国际集会都初次将印刷电子列为集会中心议题。

  2012年,由韩国提倡建立了国际印刷电子尺度委员会,成为国际电工委员会IEC部属的一个新的尺度化订定构造(IEC-TC119)。

  自2009年以来,多个产业兴旺国度包罗欧盟委员会都开端了与印刷电子手艺研发相干确当局研讨方案。比方,2009年英国建立了国度印刷电子中间;2010年韩国也成立了国度印刷电子中间。2011年日本建立了日本先辈印刷电子手艺研讨协会(JAPERA);2012年韩国启动国度印刷电子开展方案,方案在6年工夫中投资1725亿韩元(约合10亿群众币),开展印刷电子全财产链手艺(Total solution)。同年,韩国同样成立了国度印刷电子协会(KoPEA)。除当局机构的研讨方案外,科技界与产业界都开端将留意力转向这一新兴手艺范畴。

  中国的印刷电子开展起步于2010年,其标记性变乱是,海内第一个印刷电子手艺研讨中间于2010年在中科院姑苏纳米手艺与纳米仿生研讨所宣布建立。同年7月,在姑苏举行了海内首届印刷电子手艺钻研会。2011年,由北京印刷学院牵头,建立了中国印刷电子财产立异同盟;2012年,中国应邀列席了在韩国首尔召开的国际印刷电子尺度委员会建立大会。中国印刷电子手艺的研发与财产化举动今后进入国际视野。

  2012年,由中科院姑苏纳米所印刷电子中间团队撰写的《印刷电子学:质料、手艺及其使用》专著由高教出书社出书,为在中国提高推行印刷电子手艺阐扬了主要感化。

  在国度层面,2013年由天津大学工程院士邹竟传授领衔撰写并向中国工程院提交了“中国印刷电子财产政策研讨”的调研陈述。2013年末,科技部高新手艺中间构造了“西苑论坛”,调集海内专家钻研中国开展印刷电子的计划。2014年,由TCL研讨院牵头构造了三次钻研会,研讨中国开展印刷显现手艺的计划。在此根底上构成了科技部重点研发方案“印刷显现”专项指南,并于2015年公布。在2016年与2017年两年中,共有10个印刷显现项目获得科技部专项资金的撑持。印刷显现成为印刷电子手艺财产化方面的打破口,获得国度的优先撑持。2018年4月广州聚华印刷显现大众手艺平台展现了喷墨打印的31英寸高清OLED显现屏;2018年10月京东方建成8.5代印刷显现实验线项变化性枢纽手艺开辟指南中,印刷电子手艺鲜明在列。

  自2010年开端的海内印刷电子钻研会至今已举行了七届,参会人数由首届只要20余人到2017年200余人参会。2014年,中国还初次主理了第5届国际柔性与印刷电子大会(ICFPE)。2018年,ICFPE国际集会再次回到中国,于9月25-28日在常州举行,参会人数超越800人。除学术钻研外,自2012年以来每一年在上海还举行与财产相干的印刷电子财产论坛,和其他多个相干集会。印刷电子手艺与财产已在中国得到普遍存眷。

  完成印刷电子产物次要触及到5方面的手艺:基底质料、可印刷电子质料、印刷装备、印刷工艺、体系设想与集成,这5项手艺缺一不成。此中基底质料与印刷装备根本是现有手艺。因为印刷自己是增材制作,对基底质料没有特别请求。基底质料的挑选次要取决于特定的产物形状。比方,柔性化、低本钱请求等。印刷装备方面曾经有传统印刷产业作为根底。固然,印刷电子与印刷报纸差别。印刷电子对装备有更高的请求,包罗对各类电子墨水质料的兼容性、多层电子质料印刷的套印精度等。今朝,外洋很多传统印刷与涂布装备制作厂商曾经开端存眷印刷电子手艺的开展,开辟出一些印刷电子公用装备,包罗喷墨打印、丝网印刷、凹版印刷、柔版转印等装备。分辩率在1微米阁下的静电喷墨打印和5微米阁下的凹版印刷都已有商品扮装备。一些装备已开端进入中国市场。以喷墨打印机为例,外洋各品种型的喷墨打印体系都能够在海内大学与科研单元见到。一些大型的代价上万万群众币的印刷体系也曾经有中国买家。中国外乡印刷电子装备企业也开端生长起来。包罗深圳善营公司、昆山海斯公司、江苏汉印公司、姑苏锐发公司等海内企业的印刷电子装备曾经进入或开端进入海内市场,并向国际市场扩大。

  可印刷电子质料是印刷电子的重点研讨范畴。完成印刷电子制作的条件是要有针对使用需求的电子墨水质料。电子墨水份为有机与无机两大类。有电机子质料的最大特性是份子可设想性。经由过程有机分解手艺能够缔造出差别的新型有电机子质料,不竭发明机能更好的质料。已往40年有电机子手艺开展史也是不竭缔造新质料,不竭进步有电机子质料机能的汗青。有电机子质料自己又分为聚合物质料与小份子质料。有机聚合物电子质料的特性是易于溶液化,可印刷性好,但电学机能不如小份子质料。而小份子质料刚好相反,电学机能赛过聚合物质料,但不容易溶液化,更适于真空蒸发堆积。近来几年,有电机子质料开展有了大幅度前进,电荷迁徙率与情况不变性都有较着进步,这方面的研讨已有大批论文揭晓,但距实践使用请求仍有差异。

  无机纳米质料的可挑选品种则十分有限。将无机纳米质料使用于印刷电子的次要手艺停滞是怎样将它们墨水化。无机纳米质料的凡是形状是纳米粒子、纳米线、纳米片或纳米管等。制备无机纳米质料墨水的次要路子包罗将纳米粉体包覆外表活性剂并分离在溶液中,大概将其先驱体溶液印刷后再复原本钱体纳米质料。因为无机纳米质料具有自然的优良电学机能与情况不变性,基于无机纳米质料的电子墨水更具有适用性,因此更先一步市场化。以纳米银导电墨水为例,国表里已有浩瀚的公司推出品种繁多的基于纳米银粒子与纳米银线的商品导电墨水或浆料。印刷纳米银的电子电路同样成为最多见的印刷电子使用实例。

  印刷的电子墨水必需转化固体形状才气表示出应有的电学机能。完成电子墨水向固体转化的次要办法是烧结,次要手艺手腕是高温烘烤烧结或光子辐照烧结。有电机子墨水普通不需求高温烧结,大多也不准可高温处置。无电机子墨水则凡是需求高温烧结。开展纳米标准的无机印刷电子质料的一个主要缘故原由是把烧结温度降下来。当无机纳米质料单体的标准减小至100纳米以下后,所制备的墨水质料的烧结温度普通能够降到150°C以下,到达普通塑料基材可允许的温度。另外一种办法是光子烧结,能够在不提拔基底质料温度的前提下完成纳米墨水质料的高温烧结。由于某些波长的光子能量能够挑选性地被金属纳米质料吸取发生高温,但对基底质料无吸取或吸取很少,制止了基底质料被高温毁伤。除烧结工艺外,印刷工艺还包罗基底外表处置工艺,包罗外表亲水或疏水处置,以增长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。胜利的印刷电子制作是印刷装备、印刷电子质料与印刷工艺互相婚配互相顺应的综合感化成果。

  印刷制作的电子体系在形状上和机能上都差别于传统电子手艺。最典范的例子是,印刷的晶体管差别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差别传统的PCB。因而,传统电子体系的设想办法不再合用,传统的体系集成手艺也需求改动。

  印刷电子能够在太多的范畴阐扬它的感化。图表4归纳综合了印刷电子手艺潜伏的使用范畴,该信息滥觞于国际有电机子协会(OE-A)在2015年公布的有机与印刷电子手艺陈述。因为印刷电子自己的大面积、柔性化与低本钱特性,所缔造的电子产物具有了传统电子体系所没有的新形状、新特性。

  比方,经由过程印刷能够间接将电子智能体系集成到包装质料上,而不是今朝这类零丁制作电子体系,然后经由过程贴片等方法增加到包装质料上。这些电子智能体系包罗物流信息、防伪信息,与利用者互动的功用,大概增长可欣赏性、完成与其他同类产物差同化等。印刷智能包装自己正在成为一个新财产。

  再如汽车电子,传统分立的汽车电子体系完整能够经由过程3D印刷电子手艺(在3D构造外表机关电子体系)与汽车构造件构成一体。相似的另有其他各类潜伏使用,由此发生了多个新的电子手艺门类,比方构造电子手艺(Structural electronics)和 模内电子手艺(In-Mould Electronics)。

  传统智能织物手艺是将功用纤维编织到布猜中。而新型电子浆料的开辟能够间接在布料外表印刷构成电路,完成纺织电子功用,包罗多种实勤奋能和时髦功用。

  至于经由过程印刷完成的柔性OLED照明与柔性太阳能电池,这些手艺早已开辟多年,只是在等候市场机会。一旦发作,将势不成挡。

  印刷电子另外一个可预感的使用发作范畴是物联网(IoT)。物联网不单单是“网”,更主要的是“物”。将“物”联到“网”,需求海量的与“物”相连的传感器。外洋在2013年就曾经猜测到在将来10年中要完成物联网,环球需求万亿个传感器,进入所谓“万亿传感器社会”。这些万亿传感器不克不及够完整依靠于硅基集成电路制作工艺完成。海量的处于代价链低真个“物”需求有与自己代价相婚配的传感器,外洋在2013年就曾经猜测,印刷制作将成为完成万亿传感器的主要路子之一。基于印刷电子手艺的传感用具有自然的低本钱属性,能够将网毗连到海量的低代价物端,完成诸如物流追踪与溯源、防伪的智能包装、冷链运输监测、电子票证、电子标识符显现、修建与机器构造件疲倦与生效监测、安康医疗监测与检测、机械人智能皮肤等浩瀚新使用。

  印刷自己是一种制作手艺,可使用在很多财产范畴,正如3D打印能够用来造屋子、建造飞机零件、打印器官,以至做食物。印刷电子涵盖的财产范畴起首体如今产物端。上一节中曾经形貌了浩瀚印刷电子的使用范畴。任何这些使用只需有适宜的产物与充足大的市场,都能够构成一个财产。以下经由过程一些实践例子来阐明印刷电子能够催生的财产范畴。

  太阳能电池范畴不断是印刷电子的一个主要财产范畴。尽人皆知,传统晶硅太阳能电池的外表栅电极是经由过程丝网印刷导电银浆制备的,这自己就是印刷电子的一个主要使用范畴。比年来跟着太阳能电池本钱空间的紧缩,晶片厚度减薄,晶硅太阳能电池财产界开端存眷非打仗的喷墨打印栅电极手艺。至于有机太阳能电池与近来几年兴旺开展的钙钛矿太阳能电池,更是以印刷制作手艺作为低落本钱的次要手腕。

  生物传感器特别是血糖试纸传统上不断依靠印刷制作手艺。唯印刷能够多量量低本钱制作这些传感器。环球血糖试纸的市场宏大,由此培养了印刷电子的一个主要财产范畴。除血糖试纸外,其他多种基于塑料与纸基的生物传感器也闪现了低本钱印刷制作的劣势。按照英国IDTechEx公司的市场数据,2016年环球印刷传感器的市场已到达65亿美圆。

  跟着可溶液化的OLED质料的开辟,印刷显现正在构成一个新的财产。日本JOLED公司颠末多年开辟,于2018年推出的第一款印刷OLED显现屏产物。中国在科技部印刷显现重点研发方案撑持下,多个显现面板龙头企业也在投资建立印刷OLED显现屏消费线,此中京东方已在合肥建成8.5代印刷显现实验线,并胜利喷墨打印制作出55英寸OLED电视面板。

  印制电路版(PCB)财产能够经由过程接纳真实的印刷增材制作手艺缔造传统光刻腐化手艺没法完成的新型产物,比方大面积柔性电路产物。因为印刷自己的分辩率限定与多层套印精度限定,印刷制备的导电电路还没法完整代替今朝黄光制程制备的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,印刷电子手艺曾经在阐扬主要感化。比方,触摸屏的引线电路次要依靠丝网印刷导电银浆完成。而关于超小批量的PCB,经由过程喷墨打印及时制作比传统黄光制程制作更有本钱劣势,并且周期短,能够随时变动设想。传统腐化办法制备PCB和RFID天线都存在腐化液排放的净化成绩。虽然PCB与RFID天线制作企业在勤奋掌握净化排放,但一个不争的究竟是,净化源仍旧存在,中国东南内地各级处所当局早已明令制止新建这类企业,并请求现有这类企业完成“零”排放。印刷增材制作则能够完成绿色制作,为这个财产带来新的活力。今朝基于印刷纳米银的RFID天线曾经与刻蚀铝天线在本钱上具有必然合作力。跟着纳米铜浆手艺的成熟,印刷纳米铜的RFID天线在低落本钱方面赛过刻蚀铝天线。关于纸基电子标签使用,传统刻蚀铝天线必需先做在塑料基底上,然后复合到纸基标签。印刷RFID天线能够间接印在纸基质料上,jz体育棋牌不需求经由过程复合环节,本钱能够进一步低落。

  与印刷OLED、印刷太阳能电池,和印刷晶体管等印刷电子手艺比拟,更靠近财产化与市场的是间接印刷导电或导热质料,缔造大面积柔性化新产物。印刷(包罗涂布)纳米银质料(银纳米粒子或银纳米线)曾经成为代替氧化铟锡(ITO)通明导电质料建造大尺寸通明导电膜的首选手艺。这类新型通明导电膜比ITO通明导电膜有更高的导电性与更好的柔性,曾经使用于大尺寸触摸屏产物。石墨烯质料的胜利贸易化使用也是经由过程印刷石墨烯浆料完成的,包罗印刷石墨烯的各类加热与散热产物。

  印刷电子缔造的每种产物都能够培养一个财产,而帮助这些财产的是印刷电子财产链的上游端,即质料与装备。究竟上,导电银浆自己曾经是一个宏大的财产。按照英国IDTechEx公司的市场数据,2016年环球导电墨水(Conductive ink)的市场已到达13亿美圆。印刷电子公用装备也已构成一个财产,这些装备包罗喷墨打印装备,卷对卷持续印刷装备,用于导电浆料烧结的光子烧结装备等。国表里都已呈现特地供给这些装备的供给商。跟着各类印刷电子产物市场的扩大,这个财产链将愈来愈成熟完美。

  聪慧都会的中心目的之一是完成都会的聪慧交通,而完成聪慧交通就需求将车辆停止数字化晋级。几年前,物联网行业里有了一个新名词——汽车电子标识(俗称电子车牌),它是完成车辆数据信息化的一种新型手艺手腕。作为聪慧交通建立的根底,汽车电子标识的推行和提高曾经火烧眉毛。克日,深圳市航天华拓科技有限公司(下文简称“航天华拓”)副总司理曾列丹承受了RFID天下网记者的专访,谈及对汽车电子标识促进事情的一些设法。

  计较机手艺、通讯手艺和传感手艺是物联网行业的三大支持手艺,这三项手艺并非在物联网时期才降生的,而是从互联网时期相沿至今的既有手艺。