文 崔錚

什么是印刷電子？印刷電子是將傳統(tǒng)印刷方法用于制造電子元器件與電路，是印刷與電子的跨界融合。目前電子元器件與電路的制造方法是依賴光刻與腐蝕工藝，本質(zhì)上是一種減材制造技術。印刷則是一種增材制造技術，即將功能材料添加到基材表面。傳統(tǒng)印刷中，這些功能材料是黑色或彩色油墨。對于印刷電子，則是將功能電子油墨印刷到各種基材上。這些功能電子油墨可以是導電的、發(fā)光的、發(fā)電的、半導體的、傳感的（溫度、壓力、濕度、氣體等）。增材制造不再依賴基材本身的性質(zhì)，可以在硬質(zhì)材料如硅晶體、玻璃、陶瓷上印刷，也可以在柔性材料如塑料、紙張、布料上印刷，甚至可以在彈性材料上印刷，生成可以拉伸的電子元器件或電路。與傳統(tǒng)減材制造方式比較，印刷電子具有大面積、柔性化、低成本的優(yōu)點，而增材制造本身也是綠色環(huán)保的。

印刷電子發(fā)展進程

印刷電子是一個新興技術領域，國際上印刷電子技術的興起也不過十余年時間。中國開始印刷電子技術的研發(fā)起始于2010年，以國內(nèi)在蘇州舉辦的首屆印刷電子研討會為標志。中科院蘇州納米所于2010年率先在國內(nèi)成立了印刷電子技術研究中心。過去9年來，這個研究中心在印刷電子技術的多個領域進行開拓，包括電子墨水合成、印刷電子工藝、噴墨打印裝備、印刷薄膜太陽能電池、印刷薄膜晶體管、印刷有機與量子點發(fā)光、印刷柔性可拉伸可穿戴電路等。除了技術研發(fā)外，也在產(chǎn)業(yè)化方面做了一些嘗試。技術研究中心開發(fā)的印刷納米銀觸摸屏透明導電膜已在國內(nèi)觸摸屏龍頭企業(yè)南昌歐菲光實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。

圖1 帶背膠的超高頻電子標簽

印刷電子與傳統(tǒng)印刷有著天然聯(lián)系。北京印刷學院作為國內(nèi)印刷界的高等院校在2011年就成立了印刷電子研究中心。筆者曾應邀擔任北京印刷學院的特聘教授。2015年，中國印工協(xié)組織編寫了《中國印刷產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展路線圖》，筆者應邀擔任編委，參與編寫了印刷電子技術有關章節(jié)。中科院蘇州納米所印刷電子中心成立早期，也接待了一些印刷企業(yè)的來訪，他們表示了對印刷電子技術的極大興趣。但縱觀9年來的發(fā)展，印刷電子并沒有在中國印刷行業(yè)真正落地。根據(jù)筆者的觀察分析，在印刷與電子的跨界融合方面，傳統(tǒng)電子行業(yè)要比傳統(tǒng)印刷行業(yè)更容易進入，因為印刷電子的核心是電子。傳統(tǒng)電子行業(yè)使用印刷技術相比傳統(tǒng)印刷行業(yè)掌握電子技術要更容易。那么傳統(tǒng)印刷行業(yè)在印刷電子領域中是不是就沒有機會了？機會是有的，而且機會正在到來。

RFID智能標簽，傳統(tǒng)印刷行業(yè)轉(zhuǎn)型之機

隨著物聯(lián)網(wǎng)與5G時代的到來，萬物互聯(lián)入網(wǎng)是一個不可阻擋的趨勢。萬物互聯(lián)缺不了每件物品上的傳感與識別標志。而標簽就成為萬物信息的載體。但傳統(tǒng)標簽所承載的信息量已無法滿足物聯(lián)網(wǎng)時代的需求，而且普通條形碼與二維碼都需要人工讀取。以快遞行業(yè)為例，中國在2018年的快遞包裹量已達到505億件，并在不遠的將來將進入日快遞10億件時代。目前每件快遞都需要快遞小哥手工掃碼記錄物流信息，這已經(jīng)成為物流行業(yè)提高效率的痛點。射頻識別（RFID）標簽將成為物聯(lián)網(wǎng)時代的傳統(tǒng)標簽。事實上，RFID標簽已經(jīng)開始進入商品流通環(huán)節(jié)。許多大型連鎖商家都開始引入RFID標簽技術。比如運動服裝品牌迪卡儂T恤衫上的標簽，除了普通條形碼外，兩層紙之間還夾有一個RFID。將這個RFID撕下來會發(fā)現(xiàn)，目前的RFID仍然是做在一層塑料膜上。這是因為RFID的天線還是用腐蝕鋁箔的方式制作的，也就是前面提到的傳統(tǒng)減材制造方法。

圖2 卷對卷在普通紙上印刷的RFID天線

圖3 在酒標與藥品包裝盒上直接印刷的RFID標簽

印刷納米銀天線的標簽的成本要比鋁刻蝕天線的標簽低20%～30%左右。這是因為傳統(tǒng)鋁標簽必須做在PET塑料上，PET塑料的成本要遠高于紙基材料。另外，傳統(tǒng)鋁標簽必須復合在兩層紙之間才能使外觀看起來如同紙標簽，而印刷電子制造的RFID標簽就是紙標簽。針對納米銀材料的成本問題，我們也在開發(fā)基于納米銅的導電墨水，而且取得了突破性進展。用印刷納米銅天線制備的RFID標簽也已經(jīng)達到了10米左右的讀距。未來用銅取代銀可以進一步降低印刷RFID標簽的成本。

RFID標簽能夠承載的信息量至少是目前二維碼的4倍，而且RFID標簽不但可以讀出信息，還可以寫入信息，靈活性與智能化程度遠遠高于目前的二維碼。國際市場調(diào)查公司IDTechex曾預測，到2019年全球RFID標簽的市場將達到7000億個。其中增長最快、增幅最大的是日常消費品領域，也就是超市與零售業(yè)對RFID標簽的需求量最大，而且越來越大。2017年，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省決定使用RFID技術提升零售行業(yè)的自動化。經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省與日本5家規(guī)模最大的便利店簽訂了協(xié)議，在日本7-11、全家、羅森、迷你島和New Days全面推廣RFID技術。到2025年，這些便利店的所有商品都將使用電子標簽，需求量將達到每年1000億個。最近央視財經(jīng)頻道報道，日本零售鏈羅森超市已經(jīng)開始采用RFID標簽監(jiān)控店內(nèi)食品保質(zhì)期，免除了人工挨個檢查。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省希望將RFID技術的自動化系統(tǒng)最終擴展至藥店和所有超市。

在紙上直接印刷RFID電子標簽意味著電子標簽可以直接印在傳統(tǒng)商標上。圖3是我們團隊在酒標與藥品包裝盒上直接印刷的RFID標簽，這為傳統(tǒng)印刷行業(yè)帶來了新的機遇。傳統(tǒng)印刷行業(yè)的技術優(yōu)勢是有成熟的卷對卷印刷工藝與設備，在目前印刷文字與圖像基礎上，增加印刷導電油墨的工藝步驟就可以把RFID天線直接印到現(xiàn)有的標簽上，如果再增加貼裝芯片的工藝設備，就可以直接生產(chǎn)帶RFID的智能標簽。事實上，國內(nèi)已經(jīng)有傳統(tǒng)標簽印刷企業(yè)開始布局印刷RFID智能標簽。

隨著國家對生態(tài)保護的力度不斷加大，腐蝕鋁制作RFID天線這種有污染排放的行業(yè)的生存空間將被不斷壓縮。如果把治理污染排放的投資考慮進來，勢必增加目前傳統(tǒng)RFID天線的制造成本。隨著公民環(huán)保意識的增強，一些國外零售業(yè)巨頭開始大量采購通過綠色環(huán)保技術制作的RFID智能標簽，并將綠色環(huán)保RFID標簽作為商家一個賣點。這為傳統(tǒng)印刷行業(yè)發(fā)展綠色印刷制造的RFID標簽帶來機遇，這也是傳統(tǒng)印刷行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的新機遇，希望這個行業(yè)能夠抓住這一機遇，跨進印刷電子制造的新天地。