陳晨 褚夫強(qiáng) 孫加振

數(shù)字印刷技術(shù)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，將數(shù)字化的結(jié)構(gòu)圖文信息直接記錄到基底上，它既是一種按需印刷，也是一種無(wú)版印刷技術(shù)。目前典型的數(shù)字印刷技術(shù)包括噴墨印刷、直寫(xiě)印刷兩種印刷工藝。作為光電器件及三維結(jié)構(gòu)的微納制作方法之一，印刷技術(shù)能夠通過(guò)可控的壓力和速度，將含有功能材料的化學(xué)或納米顆粒的膠體溶液定位沉積到基底表面，從而達(dá)到快速和直接構(gòu)建高分辨率及可控電子形狀結(jié)構(gòu)的目的。多年來(lái)，許多印刷技術(shù)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于在不同的柔性基底上制作各種各樣的電子器件，如薄膜晶體管、有機(jī)發(fā)光二極管、傳感器、太陽(yáng)能電池、RIFD標(biāo)簽、超級(jí)電容器等。本文將對(duì)噴墨印刷、直寫(xiě)擠出印刷兩種數(shù)字印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行淺析。

噴墨印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

1.噴墨印刷技術(shù)的原理及特性

噴墨印刷技術(shù)是一項(xiàng)非接觸、全加法、無(wú)印版的數(shù)字化控制的材料直接圖形化技術(shù)，通過(guò)電信號(hào)控制含有功能材料的墨水通過(guò)微米級(jí)別的噴頭直接沉積在基底表面形成高質(zhì)量圖案。如圖1所示，噴墨打印有3種典型的過(guò)程：熱噴墨打印、壓電噴墨打印和連續(xù)噴墨打印。其中熱噴墨與壓電噴墨都屬于按需噴墨范疇。目前，按需噴墨印刷工藝已成為噴墨印刷主流，按需噴墨是在承印材料需要覆蓋油墨時(shí)設(shè)備噴頭才噴出墨滴，由于一般通過(guò)電脈沖信號(hào)來(lái)控制墨滴的產(chǎn)生和噴射，因此也叫脈沖噴墨，與連續(xù)噴墨技術(shù)相比，采用按需噴墨工作原理的噴頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，擺脫了連續(xù)噴墨原理噴頭結(jié)構(gòu)的不可靠性，油墨的利用率也顯著提高。

噴墨打印功能材料的沉積形貌可以通過(guò)襯底的潤(rùn)濕性、油墨的流變性、印刷設(shè)備和外部場(chǎng)來(lái)控制。噴墨印刷作為目前最主要的無(wú)版數(shù)字化印刷技術(shù)，具有使用方便、成本低、靈活性強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)制造技術(shù)手段相比，功能材料的噴墨印刷在簡(jiǎn)單性、成本效益和無(wú)掩模模式方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，噴墨印刷允許在給定位置精確地沉積墨水，以高速創(chuàng)建均勻的、高分辨率圖案。更重要的是，噴墨印刷允許實(shí)現(xiàn)由不同組件組成的精心設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)，使得其理論上可以適用于幾乎所有的可印刷電子元器件和功能電路。

2.噴墨印刷柔性電子技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

目前關(guān)于噴墨印刷柔性高性能電子器件的報(bào)道基本涵蓋了所有領(lǐng)域。Mahmoud等人在紋身膜上噴墨打印納米銀（AgNP）導(dǎo)電圖案，然后在墨層上涂上一層薄的共晶鎵銦（EGaIn）進(jìn)行“燒結(jié)”，得到的導(dǎo)電線路導(dǎo)電性與抗拉應(yīng)變能力極為可觀，并且這些機(jī)械性能強(qiáng)勁薄膜電路非常適合轉(zhuǎn)移到高度彎曲和可延展的3D表面以及皮膚和其他軟變形基質(zhì)上。Alaaldeen等人通過(guò)噴墨打印將納米銀顆粒沉積在可拉伸的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基底上，構(gòu)建了用于檢測(cè)呼吸速率的柔性傳感器，該柔性可穿戴傳感器與標(biāo)準(zhǔn)電子健康傳感器相比性能方面并無(wú)顯著差異。Makoto等人研制了一種分辨率為50ppi的3.2英寸柔性彩色顯示器，該顯示器由底發(fā)射多光子有機(jī)發(fā)光二極管（Oganic Light Emitting Diodes，OLEDs）和具有底柵/底觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)的噴墨打印有機(jī)薄膜晶體管（Organic Thin Film Transistor，OTFTs）組成，該設(shè)備可以成功地在彎曲狀態(tài)下顯示彩色視頻，并在白光發(fā)射條件下達(dá)到最大亮度125cd/m2。

Islam等制作了一種用于超高頻傳感器應(yīng)用的噴墨印刷柔性射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽天線，該標(biāo)簽天線由一個(gè)改進(jìn)的具有半圓形饋電網(wǎng)絡(luò)的彎曲線輻射器組成。該結(jié)構(gòu)是使用納米銀導(dǎo)電油墨打印在照片紙上。Meng等人將噴墨打印的聚合物基質(zhì)集成在PDA修飾的柔性PET襯底上，形成連續(xù)的模板，然后進(jìn)行Ag網(wǎng)格的化學(xué)沉積，制備出超薄、超柔性的Ag網(wǎng)格@聚多巴胺（Polydopamine，PDA）/聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）柔性透明電極，如圖3，最后得到的聚合物太陽(yáng)能電池顯示出了優(yōu)越的功率轉(zhuǎn)換效率，并具有優(yōu)異的彎曲耐力和運(yùn)行可靠性。

雖然噴墨印刷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)柔性電子器件的制備，但目前它依然存在一些不足，開(kāi)發(fā)具有適宜黏度、濃度、溶劑體系的可噴墨印刷墨水是有一定挑戰(zhàn)性的。另外，如何控制墨滴噴射過(guò)程中的飛墨現(xiàn)象以及在不同基底表面潤(rùn)濕鋪展后薄膜形貌和墨層厚度等都需要進(jìn)行考慮，直接影響電子器件的分辨率與高性能要求。

直寫(xiě)擠出印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

1.直寫(xiě)擠出印刷技術(shù)的原理及特點(diǎn)

直寫(xiě)擠出技術(shù)是數(shù)字印刷技術(shù)的典型代表之一。直寫(xiě)印刷技術(shù)借助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖案，通過(guò)可控壓力將功能材料從噴頭擠出，精確沉積，制備各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。直寫(xiě)成型按油墨輸出結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為液滴直寫(xiě)成型和線形直寫(xiě)成型兩大類(lèi)（如圖4）。與其他快速成型技術(shù)相比，直寫(xiě)印刷技術(shù)有著顯著優(yōu)勢(shì)，如生產(chǎn)周期短、成本低、生產(chǎn)靈活、控制精度較高。

其中最典型的直寫(xiě)擠出印刷工藝為3D打印，它由計(jì)算機(jī)控制，將流體材料從噴嘴擠出，可根據(jù)需求進(jìn)行控制平面結(jié)構(gòu)成型，也可逐層沉積，制備復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型和直接墨水書(shū)寫(xiě)是基于擠壓的3D打印工藝的兩種主要方式。熔融模型通常使用加熱噴嘴熔融聚合物絲，形成3D對(duì)象。直接墨水書(shū)寫(xiě)使用氣動(dòng)噴嘴或注射器噴嘴擠壓具有適當(dāng)流變性的可打印油墨，形成3D對(duì)象該技術(shù)首先要設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)，將三維結(jié)構(gòu)切片，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理，再通控制安裝在Z軸上的功能材料輸送裝置，輸出形成流體，同時(shí)X、Y軸依照設(shè)定距離移動(dòng)，將熔融性功能材料沉積在平臺(tái)，得到底層結(jié)構(gòu)。隨后，Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送裝置上升至設(shè)定高度，在底層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型。最后，通過(guò)逐層疊加得到了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

2.直寫(xiě)印刷柔性電子技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

關(guān)于擠出印刷制備柔性電子的研究也相對(duì)全面。Anagnostou等以紙基為襯底，將天線作為射頻電子設(shè)備直接寫(xiě)入打印，器件性能測(cè)試顯示良好。Ma等成功制作了一種3D打印的三維可打印無(wú)芯片射頻識(shí)別標(biāo)簽，該標(biāo)簽具有高密度、高靈敏度等性能。Gao等利用同軸擠出3D打印技術(shù)制作了一個(gè)集成可穿戴的傳感器陣列（如圖5）經(jīng)測(cè)試，該傳感器具有出色的靈敏度和耐久性。

Leigh等人制備了第一種熔融沉積模型打印的觸覺(jué)傳感器（圖6）。他們利用臺(tái)式熔融沉積模型3D打印機(jī)，用聚己內(nèi)酯/導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料制作了柔性壓阻和電容傳感器。聚己內(nèi)酯/導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料被加工成直徑為1.5mm的長(zhǎng)絲，并通過(guò)加熱噴嘴擠壓得到打印對(duì)象。由于在聚己內(nèi)酯基體中加入導(dǎo)電炭黑粒子，復(fù)合絲具有壓阻性。在有機(jī)玻璃基板上制備了U型壓阻傳感器。隨著襯底的彎曲，可以觀察到印刷傳感器的電阻變化。此外，他們利用FDM制作了基于電容式壓力傳感器的人機(jī)接口裝置（HID）。HID裝置可以通過(guò)檢測(cè)壓力來(lái)捕獲觸摸序列。

雖然直寫(xiě)印刷技術(shù)作為一種新型的微納米三維周期結(jié)構(gòu)制作方法，可以成型各種復(fù)雜精細(xì)的結(jié)構(gòu)材料。但它仍有很多問(wèn)題值得探索與研究，如合適的功能材料的選擇設(shè)計(jì)，如何保證電子器件成型成型后的高導(dǎo)電性、更加精密的機(jī)械控制、微型結(jié)構(gòu)的精確度、使用方法的靈活性等。

目前，數(shù)字印刷技術(shù)在電子器件的制備方面被認(rèn)為是一種非常有前途的技術(shù)，由于它耗費(fèi)材料少、使用簡(jiǎn)單、不需要昂貴的掩模，使得其成為學(xué)術(shù)界研究印刷電子最熱門(mén)的技術(shù)，也引起了企業(yè)界的廣泛關(guān)注。對(duì)企業(yè)而言，數(shù)字印刷技術(shù)可以用于大規(guī)模制備無(wú)法利用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，如RFID標(biāo)簽、柔性顯示屏或者智能包裝。此外，這種技術(shù)還可以用于快速大面積制備各種導(dǎo)體、半導(dǎo)體、晶體管、集成電路及光伏電池和傳感器等?，F(xiàn)代印刷電子技術(shù)的發(fā)展，與計(jì)算機(jī)數(shù)字化的不斷結(jié)合，將會(huì)對(duì)各類(lèi)電子相關(guān)企業(yè)，如智能包裝企業(yè)、電子器件制造企業(yè)等帶來(lái)革命性的飛躍。

作者單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）輕工科學(xué)與工程學(xué)院、山東省高等學(xué)校綠色印刷包裝材料與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（齊魯工業(yè)大學(xué)）、數(shù)字打印先進(jìn)材料協(xié)同創(chuàng)新中心（濟(jì)南市）

責(zé)任編輯：薛金萍