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印刷电子技术的前世今生
2012-07-02| 文章来源:科技日报 崔铮| 【
早在上世纪80年代,当有机导体与半导体材料被发现时,人们看到了未来信息电子器件有可能通过印刷制造的希望,因为有机材料一般可以制备成溶液形态,使其具有印刷油墨的特征,因而可以通过印刷导体与半导体材料制备信息电子技术的最基本的单元器件——晶体管,通过晶体管再构筑复杂的电子系统。但有机电子材料中只有一大类有机小分子材料具有较好的电子学性能,而这些有机小分子材料必须通过真空蒸发来制备电子器件。适合印刷的高分子有机电子材料,其电荷输运性能(电荷迁移率)总是比有机小分子材料差一个数量级。

印刷电子真正迅速发展起来是在近几年,其主要原因是无机纳米材料开始应用于印刷电子领域。无机纳米材料具有远远高于有机电子材料的电荷迁移率。而且无机纳米材料(纳米粒子、纳米线、纳米管等)可以较容易地制成墨水或油墨,然后用传统印刷方式制成图案。纳米材料本身的性质赋予了这些图案以电荷传输性能、介电性能或光电性能,从而形成各种半导体器件、光电与光伏器件。

印刷电子近年来蓬勃发展的另一个原因是印刷制备的电子器件具有不同于硅基微电子器件的基本特征,即大面积、柔性化与低成本。尽管印刷制备的晶体管的尺寸与性能远不如硅基晶体管,但其大面积、柔性化与低成本的优势是硅基集成电路所无法取代的。未来的大尺寸柔性显示与照明、大面积薄膜光伏与各类低成本RFID、传感器等特性化电子产品都离不开印刷电子技术,而这类产品的市场是巨大的。事实上,大面积有机发光与显示时代已露端倪,基于印刷的薄膜太阳能电池已经开始与传统晶硅太阳能电池竞争,全印刷制备(包括晶体管)的RFID已经出现。印刷电子技术以及与之相关联的有机电子技术、柔性电子技术、透明电子技术在未来10年将进入全面发展时期。

印刷电子技术在中国

中国印刷电子的起步始于2010年。中科院苏州纳米所于2010年创建了国内首个完全致力于印刷电子技术研究的中心。这个研究中心在印刷电子研发方面有两个特点:一是强调基础研究与工程化技术研发并重。在研究方向的设置上包括了从印刷电子材料合成、印刷电子工艺、印刷电子器件及其应用与印刷电子封装的全产业链技术的研发。该中心于2011年初成立了自己的产业化基地——苏州纳格光电科技有限公司,力求实现研发成果与产业化之间的无缝对接。二是侧重基于无机纳米材料的印刷电子技术研发,包括碳纳米管、金属氧化物纳米材料、无机纳米介电材料及其印刷电子器件的制备。该研究中心部署了有机电子材料的合成制备研究,但强调有机电子材料在满足高性能的前提下,同时满足可印刷性与环境稳定性。在中科院苏州纳米所印刷电子中心的带动下,国内对印刷电子这一新兴领域的关注度逐渐增加。一些单位也相继成立了印刷电子研究中心。

为了让国内科技界与工业界更好了解印刷电子技术,中科院苏州纳米所印刷电子中心科研团队集体编写了中国第一本印刷电子技术方面的专著《印刷电子学:材料、技术及其应用》。在印刷电子这个新兴领域,国内与国外的差距并不太大。在无机纳米材料应用于印刷电子的研究方面,国内的研究与国外基本是同步的。中国首届印刷电子学术会议始于2010年,仅比国外同类学术会议晚了1年。2012年5月,中国作为主要成员国之一出席了在韩国首尔召开的印刷电子国际标准工作委员会第一次会议。中国在印刷电子领域的发展已得到国际社会的关注。

印刷电子技术产业化前景分析

印刷电子是一项非常贴近应用的新兴技术。研究开发印刷电子技术的最终目的是要实现印刷制造大面积、柔性化且低成本的各种电子或光电产品。国外近年来对印刷电子的高度重视,主要源于看到了这一技术向实用化与市场化发展的前景。因此,工业界对印刷电子的兴趣胜于科技界。印刷电子能否实现产业化?这个问题如果几年前提出来,有可能怀疑多于肯定。因为有机电子技术历经20余年的研究,在向印刷电子转化方面并不成功,印刷制备的有机电子器件不如用真空蒸发制备的有机电子器件。

为印刷电子产业化带来希望的是无机纳米材料。无机纳米材料的合成技术已经相当成熟,而且材料供应来源充足。许多无机纳米材料,如碳纳米管、石墨烯、纳米银等,都具有比现有的有机电子材料好得多的电子学性能。将无机纳米材料做墨水化处理的技术要比探索合成新型高性能有机电子材料相对容易得多。而且这些无机纳米材料具有良好的环境稳定性。当然,上述无机纳米材料的优秀电学性能仅体现在单体材料中,即单根碳纳米管或单片石墨烯。一旦制备成可印刷的墨水,印刷后的纳米材料的电学性能将大大下降。如何在印刷后仍能保持纳米材料原有的电学性能或电学性能下降不多,成为印刷电子学研究的聚焦点之一。

印刷电子产业化的前景在哪里?要回答这个问题,首先要明确印刷电子可以产业化的领域有哪些。凡是能够用印刷方法取代传统电子学制造方法的领域都可以归入印刷电子的范畴。所谓传统电子学制造方法即目前硅基微电子集成电路的制造方法,包括光刻与刻蚀等一系列微纳加工技术。印刷方法带来的不仅仅是终端产品的大面积、柔性化与低成本特征,而且包括制造方法本身的绿色环保特征。由此可见,印刷电子可以产业化的领域是相当广泛的。最直接的应用实例是用印刷取代印刷电路板(PCB)的制造工艺。目前制作印刷电路板的工艺实际上并不是印刷,而是在镀铜树脂版上通过光刻和腐蚀形成电路图案。大量有毒腐蚀废液的处理成为环保的难题。用印刷直接形成电路图案,既可避免使用腐蚀工艺,实现绿色环保,又可节约大量铜材。纳米银和纳米铜使直接印刷导电图案成为可能。最近,苏州纳格光电科技有限公司根据市场对触摸屏的大量需求,成功开发出印刷纳米银的柔性透明导电膜技术。该技术可取代目前高成本、高能耗、高污染的ITO透明导电膜制备技术,是印刷电子产业化的又一个实例。北京中科纳新印刷技术有限公司也开发出卷对卷柔印纳米银制作RFID天线的新技术,其成本可与目前用高污染腐蚀技术制作的RFID天线相竞争。美国俄勒冈大学科研人员成功采用喷墨打印制备出铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池,与原有制备方法相比可节省材料90%。以上这些例子说明,印刷电子的产业化前景是非常光明的,关键是找到合适的切入点,既能体现出印刷制备方法的优越性,又有实实在在的市场需求。从长远来看,印刷电子还可以创造出新的市场,因为印刷电子产品的大面积、柔性化包括透明化等新颖特性有可能培育出新的消费需求。苹果公司iPhone 的成功就是最好的例证。中国是全球最大的消费类电子产品的生产国,也是消费类电子产品最大的市场,中国同时又是世界印刷大国。中国没有理由不大力发展印刷电子产业。

作为一个新兴领域,印刷电子在中国的发展还有很长的路要走。首先,需要政府层面的支持。欧洲的框架计划、美国的国防科研项目(DARPA)、新加坡的政府项目,以及韩国知识经济部最近宣布的印刷电子6年发展计划均对促进该国印刷电子的发展起了关键作用。其次,中国印刷电子技术的发展需要科技界与工业界的共同参与,需要科学研究与产业化并行。目前的情况是,国内产业界对印刷电子的热情与关注度大于科技界。尽管国家尚未部署任何印刷电子领域的科技支持计划,中国印刷电子产业技术创新联盟已经于2011年10月成立。这是一个好现象,说明产业界在推动科技界开发能够实现印刷电子产业化的技术。

中国印刷电子技术的开发与产业刚刚起步,任重道远,需要各方面的参与和努力,使中国的印刷电子产业不输于其他先进工业国家。

 
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