劉春艷

（中科院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

近年來突現(xiàn)的不同于傳統(tǒng)厚膜絲網(wǎng)印刷（screen-printing of thick-film）的新型印制，可印刷電子（printed electronics/printable electronics），或電子印刷 （electronic printing）， 或軟性電子（flexible electronics）或有機電子（organic electronics）技術(shù)及潛在的產(chǎn)品市場在世界范圍內(nèi)引起了人們極大的關(guān)注和興趣。從國際市場調(diào)查公司、到研究人員、生產(chǎn)企業(yè)，人們已經(jīng)普遍認識到，在軟基材上低成本直接印刷一次性電子元件和裝置是電子信息材料技術(shù)和器件的發(fā)展方向。新興的可印刷電子突現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)的優(yōu)異特性，產(chǎn)品具有柔韌性高、小型化、輕量化、低成本（一次性、可拋棄）、高速度直接印刷、多基材低溫加工和使用特點，并將以其獨有的特性與優(yōu)勢，改變整個電子行業(yè)的生產(chǎn)模式，催生出全新一代的電子、微電子信息和導(dǎo)電產(chǎn)品，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的革命性發(fā)展。其商品化應(yīng)用將逐步改變?nèi)藗兊纳詈凸ぷ鞣绞?，為人們提供更多便利快捷的服?wù)。

印制電子可應(yīng)用于高速發(fā)展的無線智能識別（RFID）電子標簽、印刷電路板（PCB）、軟性顯示器、環(huán)繞照明、可佩帶電子和傳感器、柔軟的可變形電子產(chǎn)品，利用滾轉(zhuǎn)打印系統(tǒng)生產(chǎn)出尺寸和形狀靈活的柔性光伏電池、軟性發(fā)光材料、軟性顯示屏、折疊式電腦和具有卷軸大屏幕的袖珍手機和掌上（膝上）電腦等產(chǎn)品，將促進和帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的革命性發(fā)展，如化工、物流和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等。印制電子應(yīng)用可無限的多樣化，因為它可以使簡單的產(chǎn)品實現(xiàn)智能和交互式使用。這里所謂智能物體是傳感器、電池、光電池、存儲器、顯示器、發(fā)聲器等等的結(jié)合。將來可能發(fā)展更多、更復(fù)雜的功能性，從簡單的輸入器件、智能卡到全顯示智能入場卷、傳感器、游戲卡、智能包裝等等，關(guān)鍵問題之一是電子和機械的兼容性以及不同功能的連接。

預(yù)期，在未來10年里，印刷電子產(chǎn)品將形成價值約3000億美元/年的市場，是目前硅基產(chǎn)業(yè)的2倍。很自然，面對這些有著巨大潛力的市場，發(fā)達國家的政府、研究單位和公司正在涉足這一新的領(lǐng)域，包括加大資金投入、設(shè)計新的研發(fā)方向和課題、建立新產(chǎn)品公司。這里不僅指原有的傳統(tǒng)電子和導(dǎo)電材料公司，如Ferro公司、韓國的ABC和三星公司、英國的Novalia、日本的Dainippo和Toppan公司等等，也包括新的聯(lián)盟和公司。

2004年國際上率先成立了有機電子聯(lián)盟（Organic Associations,oe-a），頻頻發(fā)布路線圖計劃，進行可印刷電子的研發(fā)、生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)、市場預(yù)測和教育。參加單元包括歐洲、北美、亞洲、澳洲等多個科研單位、大學(xué)等130多個研發(fā)團體和生產(chǎn)企業(yè)，范圍之大，涉及之廣是近年來所未見的。

以我們熟悉的世界著名的影像材料研發(fā)和生產(chǎn)公司為例，Kodak公司現(xiàn)在研發(fā)與印制電子相關(guān)的有機和無機材料，在相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)方面走在前列；Fujifilm公司購買了從事印制電子設(shè)備、產(chǎn)品和材料的美國的Dematix公司并開展相關(guān)工作和生產(chǎn)；Agfa公司更是秉承鹵化銀照相應(yīng)用的有機和高分子材料研發(fā)和生產(chǎn)優(yōu)勢進入印制電子領(lǐng)域，生產(chǎn)印制電子相關(guān)的有機和導(dǎo)電高分子等材料。

國際影像學(xué)會 （Society for Imaging Science and Technology,IS&T）最近兩年召開的數(shù)字印刷國際會議 （InternationalConference on DigitalPrinting Technology），亦將可印刷電子的內(nèi)容列入會議日程。2011年10月在美國明尼蘇達州召開的NIP27數(shù)字制作會議的節(jié)目單上印制電子占有重要位置。

由上可見人們對新興可印刷電子的興趣及預(yù)期。

刷制電子技術(shù)可以采取傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，或以噴墨印刷方式，在軟基材（如高分子或紙質(zhì)的柔性基材）上低成本直接印刷制作一次性電子線路、元件和裝置，結(jié)合了印刷、電子和有機發(fā)光器件等技術(shù)。根據(jù)需要，其導(dǎo)電介質(zhì)可以是有機材料，也可以是無機材料（圖1）［1］。

就無機導(dǎo)電介質(zhì)而言，導(dǎo)電墨水中通常含有導(dǎo)電金屬（金、銀、銅）的納米顆粒。由這些納米顆粒組成的墨水印刷形成圖案或線條后，經(jīng)過后處理，使印刷圖案軌跡中的有機物分解，金屬納米顆粒以頸連接方式形成網(wǎng)狀導(dǎo)電圖案和結(jié)構(gòu)。更低的加工溫度、更細、更精準的線條印刷功能、更高的導(dǎo)電性是發(fā)展的必然。

圖1 導(dǎo)電材料導(dǎo)電性與價格關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，金屬納米顆粒的熔點與其尺寸是密切相關(guān)的（圖2）［2］。納米尺度范圍內(nèi)的金屬顆粒隨尺寸的減小，熔點降低，因此可以在室溫下印刷、低溫反應(yīng)組裝成低電阻導(dǎo)電材料。使直徑從幾個納米到幾十納米的金屬顆粒在熱敏感的軟基材上實現(xiàn)直接印刷電子/柔性電子的應(yīng)用成為可能。

圖2 金顆粒的熔點溫度與尺寸的關(guān)系

當(dāng)然，可印刷電子的發(fā)展也推動了傳統(tǒng)的電子信息材料的發(fā)展，同時提高了對導(dǎo)電介質(zhì)，如銅和銀的制備和使用要求，特別是對銀顆粒的尺寸、形貌和表面性質(zhì)的要求。目前研究和使用中的可印刷電子的導(dǎo)電介質(zhì)主要是導(dǎo)電高分子、半導(dǎo)體、金屬材料，如銀；前者價廉，后者導(dǎo)電性好、性價比高（圖1）。研究中最新、性能最好的導(dǎo)電介質(zhì)應(yīng)該是碳材料，碳納米管和石墨烯（Graphene），但是價格也貴。

在與聚合物薄膜、紙張類似的對溫度敏感的基材上制作直接噴墨印刷電子材料，需要可噴印的或可印刷的（穩(wěn)定性好、不堵塞噴嘴、可精確印刷、良好的流動性、與基底良好的潤濕性等）導(dǎo)電墨水。由于銀的高導(dǎo)電性（其氧化物的導(dǎo)電性），與銅相比的穩(wěn)定性，與金相比的低價；銀納米顆粒的低溫?zé)Y(jié)性、與高分子、塑料基材的良好兼容性，研究和使用中的導(dǎo)電墨水中的導(dǎo)電介質(zhì)80%以上由銀納米顆粒組成。銅的價格優(yōu)勢使以銅為導(dǎo)電介質(zhì)的墨水也多有研究。目前多種以銀或銅為導(dǎo)電介質(zhì)的可噴墨印刷的墨水已經(jīng)開發(fā)出來或研發(fā)中，包括均相和非均相墨水，目前已進行小批量試生產(chǎn)和小范圍試用。

中科院理化技術(shù)研究所分散體系化學(xué)與材料研究組多年開展超微細金屬的尺寸及形貌控制合成及化學(xué)鍍技術(shù)，建立了過程控制合成方法，所研制的不同形貌和尺寸的微納米尺寸的銀顆粒就有60余種之多。研制的納米銀導(dǎo)電墨水可以在硫酸紙上200℃條件下加工形成導(dǎo)電線路，電阻率為10-5Ω·cm。

印制電子目前的研究熱點是：墨水配方設(shè)計與制作、可用基材的開發(fā)、材料燒結(jié)性及導(dǎo)電性研究，以及先進的、印制電子專用的噴墨設(shè)備研發(fā)等。目前，關(guān)注最多的是印制電子技術(shù)在傳統(tǒng)印刷電路板上的革命性應(yīng)用，以及建立新的、廉價的RFID（radio frequency identification）標簽制作技術(shù)。

事實上，目前印制電子在世界范圍內(nèi)仍處于前期到中期的研發(fā)階段。之前的研究和試用發(fā)現(xiàn)，印制電子技術(shù)和材料的實際應(yīng)用和大規(guī)模生產(chǎn)還存在諸多問題，比如，（1）缺少高性能導(dǎo)電墨水；（2）墨水較差的印刷線條精準性（尺寸、厚度、位置）和膜的多孔性導(dǎo)致導(dǎo)電線條和圖案的高電阻率；（3）導(dǎo)電介質(zhì)與基底的低黏附性，較差的機械強度和柔韌性影響實際使用；（4）納米顆粒銀在導(dǎo)電墨水制作和使用過程中的低穩(wěn)定性、易團聚堵塞噴嘴；（5）選擇何種印刷方法，絲網(wǎng)印刷還是噴墨打印，哪種方式更適合工業(yè)大批量生產(chǎn)和提高產(chǎn)品性能，等等。所有這些問題限制了可印刷電子的實際應(yīng)用和發(fā)展。未來存在諸多挑戰(zhàn)，但同時也有無限機會，無限可能。本文只對新興的可印刷電子技術(shù)做了簡單介紹，拋磚引玉。

［1］W.Mildner,A.Hannah,Organic and Printed Electronics,［1］3rd Edition,June 2009.

［2］Ph.Buffat,J-P Borel,Phys.Rev.,A13,2287,1976.