柔性印刷电子技术解析及发展趋势

  发布时间: 2019年06月21日 20:26:59   作者: 广丰能源网

1.1 印刷电子定义

首先,印刷电子本身是一个专有名词。印刷电子的定义,简而言之即“印刷+电子”,是利用传统印刷技术来制作电子器件或电路。传统印刷技术就是我们所熟知的印刷报纸与杂志的技术。传统印刷报纸的技术为什么可以用来印刷电子?我们印刷报纸或杂志用的是黑白或彩色油墨。如果把这些仅是表达颜色的油墨换成具有电子功能的油墨,印刷出来的图形就具有了电子功能。

我们大量使用的各种电子设备中的集成电路芯片IC包括印刷电路板PCB(PrintedCircuit Board)都是通过复杂的光刻、显影、刻蚀等一系列加工步骤实现的,例如图表1(a)所示的工艺流程。图表1(b)展示的是印刷加工的工艺流程。同样是将一种功能材料在平面基底上制作成图形结构,传统集成电路芯片的加工方法要经过从镀膜(a)到去胶(h)等8个步骤,而印刷加工则只需要两步。印刷方法可以直接将功能材料以图形化方式沉积到基底表面,只需要额外的烧结工艺,将墨水材料烧结成固体材料,就形成了与传统工艺需要8步才能实现的同样的图形结构。

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柔性印刷电子技术解析及发展趋势

(a)传统平面微纳米加工

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柔性印刷电子技术解析及发展趋势

(b)印刷加工

图表1:传统集成电路芯片加工与印刷加工的比较

印刷加工与我们现在已经熟知的3D打印一样,本质上是一种增材制造技术。而图表1(a) 中所示的传统集成电路芯片加工或各种电子设备中常见的电路板制造技术,都是减材制造技术,即通过等离子刻蚀或酸液腐蚀将不需要的材料去除,形成功能材料的图形结构。印刷增材制造有5个优点:

(1)不依赖基底材料的性质。集成电路芯片只能在硅基半导体晶圆上制备,平板显示中的液晶显示屏只能在玻璃基板上制备。而印刷可以在任何材料表面沉积功能材料。这就使得在塑料、纸张、布料等大量低成本柔性材料表面制造电子器件与电路成为可能。所以,印刷电子与柔性电子密切相关。事实上,印刷是制备柔性电子的最佳技术。

(2)印刷可以大面积与批量化制造。传统印刷技术已经可以在数米宽的材料表面通过高速连续卷对卷方式印刷报纸或印染布匹。同样方法也适用于印刷电子功能材料;集成电路芯片加工目前可以实现的最大晶圆尺寸只有300毫米直径,而印刷电子器件可以在1米以上的面积上实现。

(3)印刷电子制造是低成本的。这种低成本来自于印刷设备的低成本,通常一台设备就可以完成全部印刷制造环节;来自于印刷材料的低成本,尤其是各种低成本塑料或纸张基底材料;来自于高速连续卷对卷批量化印刷导致的单个器件的低成本。

(4)印刷增材制造是绿色环保的。一方面增材制造本身减少了原材料浪费,减少了因腐蚀而形成的污染排放;另一方面,印刷本身大多没有高温工艺环节,节省了能源,减少了碳排放。

(5)印刷制造中的喷墨打印方法具有数字化与个性化制造的特征。与3D打印的个性化制造特征一样,喷墨印刷电子不需要模板,可以快速制造小批量个性化电子产品。

所以,大面积、柔性化、个性化、低成本、绿色环保是印刷电子制造区别于传统电子制造的主要特征,也是印刷电子技术近年来蓬勃兴起的重要原因。

1.2 印刷电子的起源与发展历程

印刷本身是一个渊源悠久的技术,中国祖先在1000多年就发明了活字印刷术。上世纪70年代有机导体材料的发现开创了有机电子学这一新学科领域。科学界对有机电子学感兴趣,不仅仅是出于科学好奇心,更重要的是有机聚合物材料有可能制备成溶液态,最终有可能以印刷方式大批量、低成本地制造有机电子器件。所以,有机电子学发展早期即已经有人开始将有机电子材料进行溶液化处理并用于制作晶体管的尝试,到2000年时已经出现了全部用喷墨打印方法制备的有机场效应晶体管。

有机电子学在一开始发展时就以能够低成本印刷制造为最终目的。但有机电子学发展到今天,印刷仍没有成为有机电子器件的主流制造技术。这主要是因为溶液态有机电子材料(无论是小分子材料还是聚合物材料)的电荷迁移率(Charge Carrier Mobility,单位:cm2v-1s-1)总是不如真空蒸发的有机小分子材料,它们之间至少有一个数量级的差异。以代表第三代新型显示的有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,简称OLED)为例,目前主流OLED显示面板的制造技术仍以真空蒸发有机小分子发光材料为主,印刷制造OLED显示屏的技术开发刚刚开始。

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