印刷電子：現代“印刷術”

我們對觸摸屏毫不陌生，只須在手機觸摸屏上輕輕一點、一按或是一劃，就可以獲得所需的信息。但很多人不知道的是，觸摸屏也可以像報紙一樣印刷出來，所利用的便是印刷電子技術。這種新型“印刷術”與傳統意義上的印刷技術原理大體相同，但使用的“油墨”是具有導電、介電或半導體性質的材料，印刷對象則是電子產品。

中國印刷電子領域的先行者、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所(以下簡稱蘇州納米所)研究員崔錚博士介紹說，從技術應用領域來看，凡是能夠用印刷方法取代傳統電子學制造方法的領域都可以歸入印刷電子的范疇。印刷電子以及與之相關的有機電子、塑料電子、柔性電子、紙電子、透明電子、紡織電子等形成了一類完全不同于硅基微電子的新型電子技術與產品。“印刷電子并不能取代硅基微電子，而是形成互補。” 崔錚博士說。與硅基微電子不同的是，一方面，印刷電子器件與基底材料無關，能夠在各種基材上制備，包括各種柔性基底材料，因此具有柔性化的特征;另一方面，印刷電子器件又保留了傳統印刷的優勢，可以實現大面積批量化制造，尤其是卷對卷連續生產制造，能夠大大降低制造成本。由于印刷電子能耗低、材料消耗少，無腐蝕工藝，因此其制造方法本身還具有綠色環保特征。

事實上，當有機導體與半導體材料被發現時，人們的確看到了未來信息電子器件有可能通過印刷制造的希望，因為有機材料一般可以制備成溶液形態，使其具有印刷油墨的特征，因此可以通過印刷導體與半導體材料制備晶體管。但有機電子材料中只有一部分有機小分子材料具有較好的電子學性能，而這些有機小分子材料必須通過真空蒸發來制備電子器件，這在一定程度上限制了印刷電子的迅速發展。在過去5年中，一方面，有機電子材料在不斷進步，高穩定性高電荷遷移率的有機半導體材料與可溶液化加工的有機發光材料開始出現;另一方面，無機納米材料開始進入印刷電子領域，印刷電子才迎來了真正的春天。

碳納米管、石墨烯、納米形態的銀與銅等無機納米材料都具有比有機電子材料更好的電子學性能，對無機納米材料進行墨水化處理也要比尋找新型高性能有機電子材料容易得多。最重要的是，無機納米材料具有良好的環境穩定性，不受空氣中水分子和氧氣的影響，電子器件可以在自然環境下通過印刷制備。因此只要將無機納米材料制成墨水或油墨，就可以用傳統印刷方式制成各種結構。通過印刷方式將這些納米材料集成到各種傳統電子與光電器件中，所形成的電子器件既保留了納米材料的納米尺度特性，又體現了印刷制備技術的大面積、柔性化與低成本特征。納米材料本身的性質賦予了這些結構以電荷傳輸、光電轉換，傳感、發光與顯示等特性，從而形成各種新型半導體器件、光電與光伏器件、顯示器件與傳感器件，大大增強了印刷制備電子器件的實用性，拉近了印刷電子與市場的距離。如今，印刷電子已經在觸摸屏、柔性顯示與照明、薄膜太陽能電池、電子“皮膚”、紙電池以及智能標簽等多個應用領域發揮著作用。

憑借在國外微納加工領域整整20年的工作經歷，崔錚博士看到了印刷電子的優勢和發展潛力。2009年10月，崔錚博士入選中組部第2批“千人計劃”并全職加盟蘇州納米所。回國后，崔錚博士立即在蘇州納米所著手籌建當時國內第一個印刷電子技術研究中心。現在，印刷電子中心已經發展成為擁有60余名研究人員的強大團隊，形成了從電子墨水材料、印刷電子工藝與裝備到印刷電子器件封裝與工程化開發的全產業鏈技術研發布局。在應用方面，印刷電子中心聚焦于印刷薄膜晶體管、印刷光伏與發光以及印刷電子電路等領域，特別強調研發與市場應用需求的緊密結合。在印刷電子中心的諸多研發成果中，最值得驕傲的一項成果就是全新的柔性透明導電膜制備技術。

作為觸摸屏中最核心的材料，透明導電薄膜一直主要采用氧化銦錫(ITO)制作。然而隨著近年來觸摸屏的大規模普及應用，該材料中的稀土材料銦出現了巨大的供應缺口。除ITO材料外，碳納米管、石墨烯和導電高分子等也可以制作透明導電薄膜，但透明導電薄膜的導電性與透光性“此消彼長”的弊端一直得不到消除。目前已開發的透明導電膜都存在電阻過大、在大尺寸顯示屏中觸控靈敏度下降的問題。此外，傳統觸摸屏制作離不開導電層沉積、光刻腐蝕制作觸控圖形電極與邊緣引線印制這3個基本步驟，非常依賴光刻與腐蝕工藝。已有的金屬網柵型透明導電膜其金屬導電圖案附著于基底材料的表面。由于制備在表面的金屬層厚度有限，要增加金屬網柵的導電性，就必須增加金屬網線的寬度。這不僅會降低導電膜的透光性，而且會影響觸摸屏的外觀。

而崔錚博士及其研究團隊研發的嵌入式納米材料印刷金屬網柵柔性透明導電膜則不存在這些問題。嵌入式印刷技術可以在不增加網線寬度的情況下，通過控制納米銀的埋入量控制導電性，其導電性比傳統ITO柔性透明導電膜高百倍以上，而且透光性與可撓性均更為優秀。從制備工藝上來看，嵌入式金屬網柵制備技術也是別具一格。崔錚博士及其研究團隊開發的金屬網柵制備技術可以將傳統觸摸屏制作的3個步驟合并為一步完成，而且可以實現卷對卷連續印刷制備。在機器的一端輸入基底膜材料，就能像印刷報紙一樣從另一端印刷出專為各種觸摸屏定制的透明導電膜。該項技術一問世就被觸摸屏業界公認為一項革命性技術，徹底顛覆了傳統觸摸屏的生產方式。

　　為了讓這項國際領先的技術迅速產業化并進入市場，崔錚博士及其團隊沒有走融資與自建產線的常規路徑，而是直接與中國觸摸屏龍頭企業歐菲光集團合作，利用歐菲光雄厚的資本、豐富的量產經驗與成熟的市場渠道，在一年時間內即實現了新型金屬網柵觸摸屏的批量化生產，并已大批量應用于國內外知名電腦產品中。在全球取代ITO制造觸摸屏的“賽跑”中，中國跑在了最前面，歐菲光成為全球首個實現非ITO 觸摸屏技術量產并進入市場的企業。目前這項新技術已經實現了數億元的銷售額。

　　國內外對這項技術的先進性給予了充分肯定。由崔錚博士作為第一發明人的的核心專利( 專利號：ZL201110058431.X) 獲得了2014 年中國專利金獎。在2014 年歐洲印刷電子年會上，崔錚博士領導的印刷電子中心獲得了年度國際印刷電子進步獎，這也是中國科研人員首次在國際印刷電子技術領域獲獎。2014 年11 月，第10 屆英國工程技術學會(IET)年度創新獎頒獎儀式在英國倫敦舉行，由崔錚科研團隊與歐菲光共同申報的“應用于觸摸屏的混合印刷金屬網柵技術”在全球30 個國家近400 項創新技術的競爭中脫穎而出，獲得了制造類的年度創新提名獎。

　　如今， 中國印刷電子技術已展現出蓬勃發展的趨勢，越來越多的科技界與產業界人士開始了解印刷電子技術并參與研發與產業化活動。2010年以來，蘇州納米所印刷電子中心每年都在國內組織印刷電子技術研討會，參會人數逐年增多。2014年10月， 印刷電子中心與北京印刷學院在中國首次主辦了“第5屆國際柔性與印刷電子大會”，會議收到了國內近140份論文摘要，有超過200名國內代表出席了會議。崔錚博士及其科研團隊除了成功實現新型金屬網柵柔性透明導電膜的產業化外，還在印刷薄膜晶體管、印刷太陽能電池、有機電子封裝、自主研發噴墨打印頭和3D 打印等領域取得了進展。中國進入印刷電子科研領域的科研團隊越來越多;一些企業也開始推出印刷電子相關產品;科技部還將印刷電子列為國家“十三五”科技發展規劃的重要領域之一。在摩爾定律面臨失效、晶體管性能提升及成本降低越來越難的今天，成本低、環保性高的印刷電子成為電子產業發展的一個新契機。“在今后消費類電子產品越來越強調個性化、強調創造用戶新體驗的趨勢下，印刷電子產品的大面積、透明化和柔性化等新特性極有可能培育出新的消費需求。” 崔錚這樣說。未來，印刷電子這項現代“印刷術”必將展現它的真正實力。