印刷电子发展回顾与展望-印刷电子技术研究中心

科技导报2017，35（17）收稿日期：2017-06-07；修回日期：2017-06-28基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（XDA09020201）；国家自然科学基金项目（91623104）作者简介：崔铮，研究员，研究方向为印刷电子材料与技术、纳米材料的规模化产业化应用、印刷电子标签与传感器及其在物联网中的应用，电子信箱：[e-mail]引用格式：崔铮.印刷电子发展回顾与展望[J].科技导报,2017,35(17):14-20;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.17.001印刷电子发展回顾与展望印刷电子发展回顾与展望崔铮中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所印刷电子技术中心，苏州215123摘要摘要印刷电子技术作为一个新兴电子技术正在受到越来越广泛的关注。通过印刷方法制造的信息电子与光电子器件和系统具有大面积、柔性化、个性化、低成本、绿色环保等一系列优点。尽管印刷加工本身没有传统微纳米加工的高分辨率与高集成度，但上述优点足以使印刷电子在许多新应用领域发挥作用。本文对印刷电子定义、起源、发展历程及产业与技术现状进行了全面介绍，分析了印刷电子面临的挑战，并对印刷电子未来发展前景做了展望。关键词关键词印刷电子；柔性电子；无机纳米材料；物联网；绿色增材制造1印刷电子及特点印刷电子，也就是“印刷+电子”，即利用传统印刷技术来制作电子器件或电路。传统印刷技术即所熟知的印刷报纸与杂志的技术。传统印刷报纸的技术何以可以用来印刷电子？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。类似于印刷彩色图画的多色套印技术，多种电子功能油墨也可以通过套印方式叠加印刷，形成复杂的电子功能结构。目前普遍使用的各种电子设备中的集成电路芯片IC与印刷电路板PCB（printedcircuitboard）是通过复杂的光刻、显影、刻蚀等一系列加工步骤实现的，而印刷制造则简单得多。图1比较了传统平面微纳米加工与印刷加工的区别[1]。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到去胶8个步骤，而印刷加工则只需要2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，就形成了传统工艺需要8步才能实现的同样的图形结构。印刷制造与现已熟知的3D打印一样，本质上是一种增材制造技术。而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[2]。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，而印刷可以在任何材料表面沉积功能材（b）印刷加工图1传统集成电路芯片加工与印刷加工的比较Fig.1Comparisonbetweenconventionalmicrofabricationforintegratedcircuitsandprintingfabrication（a）传统平面微纳米加工14科技导报2017，35（17）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。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直径为300mm，而印刷电子器件可以在直径1m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搞定全部印刷制造环节；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）印刷增材制造绿色环保。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。因此，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。印刷电子本身作为一个学科领域和技术领域，所涵盖的内容非常广泛。任何电子或光电子制造采用印刷加工方法后都可以称之为印刷电子。目前电子领域有许多新名词，除了有机电子外还有柔性电子、塑料电子、纸电子、透明电子、纺织电子、可穿戴电子等。这些新兴电子领域都区别于传统的微电子，但都与印刷电子有关联，因为这些电子系统除了可以用传统微加工方式制造外，也可以用印刷方式制造。2印刷电子起源与发展历程尽管印刷制造具有一系列显而易见的优点，印刷本身也是一个源远流长的技术，但印刷电子的快速发展却并不久远。这主要归因于可印刷电子材料的发展在早期比较缓慢。20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。因此，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[3]。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。但在相当长时期，印刷并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（chargecar⁃riermobility，单位：cm2·V-1·s-1）总是不如真空蒸发的有机小分子材料[4]。电荷迁移率是指半导体材料中电子（n-型半导体）或空穴（p-型半导体）在外加电场下运动的速度。电荷迁移率的高低决定了晶体管在外电场作用下的开关速度，是衡量半导体材料性能最重要的参数。有机半导体之所以远远不如单晶硅、多晶硅及砷化镓等无机半导体材料，主要表现在电荷迁移率的巨大差异。有机电子材料的另一个缺点是其电学性能受环境影响较大，尤其是空气中水与氧的影响[5]。有机电子器件接触到水、氧后会导致器件失效，而印刷制造大多是在空气环境下进行的。提高电荷迁移率与环境稳定性至今仍然是有机电子学研究的关键领域。如果考察印刷电子相关论文发表的年代分布，可以发现，以“印刷电子”（printedelectronics）为关键词的研究论文在2005年以后才逐年增加，2008年以后明显增长（图2）。其主要原因是无机纳米材料开始被应用于印刷电子技术。2000年之后，全球性的纳米技术研究形成热潮，各种纳米材料被发现、被创造出来。纳米尺度的无机固体材料（纳米粒子、纳米线、纳米管等）本身具有多种优异的电子与光电性质，远远优于有机电子材料。它们可以通过分散方式制成墨水或油墨，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印刷图案结构以电荷传输性能、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，真正体现出印刷技术做为一种低成本电子制造技术的优越性，印刷电子学开始成为一个独立的学科与技术领域[6]。2009年后，国际上开始出现了以印刷电子为专题的国际学术会议。2011年，国外塑料电子杂志（《+PlasticElectronics》）专文介绍了纳米材料在印刷电子技术中的应用前景，文章标题为《Nanomaterialsarebecomingsynonymouswithprintedelec⁃tronics》（《纳米材料正成为印刷电子的代名词》）[7]。印刷电子引起全球范围广泛关注的标志性事件是2008年美国Kovio公司宣布开发成功喷墨打印纳米硅墨水制备的柔性射频标签（RFID），以及2009年韩国顺天大学发表了通过卷对卷印刷制备基于碳纳米管等无机纳米材料墨水的图2印刷电子研究论文发表年代分布（WebofSciences统计数据）Fig.2Publishedpapersonprintedelectronicsbyyears(StatisticsfromWebofSciences)15科技导报2017，35（17）RFID论文[8]。尽管这些技术后来并没有成功走向产业化，但让科技界与工业界看到，无机纳米材料的确可以通过印刷集成为具有晶体管功能的电子器件。无机材料的纳米化使相应的墨水烧结温度降低到普通塑料甚至纸张能容忍的温度，真正打开了印刷电子向大面积、柔性化、低成本制备电子系统的大门。例如，银纳米粒子与银纳米线等纳米尺度的银材料被制成可印刷的且可以低温烧结的墨水或浆料，已大量用于印刷导电线路与电极，成为迄今为止应用最广泛并最成功的印刷电子材料[9]。2009年，以欧洲地区参加人员为主的大面积有机印刷电子国际会议（Large-areaOrganicandPrintedElectronicsCon⁃ference，LOPEC）首次在德国举办。此前欧洲只有与有机电子技术相关的学术会议。同是在2009年，以亚洲地区参加人员为主的首届柔性印刷电子国际会议（InternationalConfer⁃enceonFlexibleandPrintedElectronics，ICFPE）在韩国举办。这两个代表性国际会议都将印刷电子列为会议核心议题。在此之前，国际上只有英国市场调查公司IDTechEx每年举办的小规模印刷电子相关会议。2012年，由韩国倡导成立了国际印刷电子标准委员会，成为国际电工委员会IEC下属的一个新的标准化制定组织。自2009年以来，多个工业发达国家包括欧盟委员会都开始了与印刷电子技术研发相关的政府研究计划。例如，2009年英国成立了国家印刷电子中心；2010年韩国也建立了国家印刷电子中心。2011年日本成立了日本先进印刷电子技术研究协会（JAPERA）；2012年韩国启动国家印刷电子发展计划，计划在6年时间内投资1725亿韩元（约合10亿人民币），发展印刷电子全产业链技术（to⁃talsolution）。同年，韩国也成立了国家印刷电子协会（Ko⁃PEA）。除了政府机构的研究计划外，科技界与工业界都开始将注意力转向这一新兴技术领域，这从图2的论文发表情况可见一斑。中国的印刷电子发展起步稍晚。笔者2011年初到韩国国家印刷电子中心参观时曾见到该中心的大厅悬挂一幅“印刷电子世界地图”（图3）。全球研发印刷电子技术的国家（地区）都标注在该地图中，但中国的位置上是空白。说明中国在印刷电子领域的工作至少在2010年之前不为国外所知。2009年10月笔者入选中组部“千人计划”特聘专家并全职回国加入中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，决心在中国开展印刷电子研究，并于2010年在苏州纳米所创建了“印刷电子技术研究中心”。这在当时应该是中国第一个挂牌“印刷电子”的研究机构。2010年7月，笔者在苏州主办了中国首届印刷电子技术研讨会；2011年联合北京印刷学院等单位，发起成立了中国印刷电子产业创新联盟；2012年应邀出席了在韩国首尔召开的国际印刷电子标准委员会成立大会。中国印刷电子技术的研发与产业化活动从此进入国际视野。自2010年起中国印刷电子研讨会至今已举办了6届，参会人数由首届只有20余人到2016年200余人。2014年，中国还首次主办了第5届国际柔性与印刷电子大会（ICFPE）。除了学术研讨外，自2012年以来每年在上海还举办与产业相关的印刷电子产业论坛。2013年，由天津大学邹竟院士领衔撰写并向中国工程院提交了“中国印刷电子产业政策研究”的调研报告。2013年底，科技部高新技术中心组织了“西苑论坛”，召集国内专家研讨中国发展印刷电子的方案[10]。2014年，由TCL研究院牵头组织了3次研讨会，研究中国发展印刷显示技术的规划。在此基础上形成了科技部重点研发计划“印刷显示”专项指南，并于2015年发布。2016年，有7个印刷显示项目得到科技部专项资金的支持