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印刷的应用领域超乎想象

分类:
行业动态
作者:
金田故事
来源:
互联网
2018/07/08 13:31
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    随着对印刷的了解越来越多,才发现它的应用领域超乎想象。在对北京印刷学院教授、北京市印刷电子工程技术研究中心主任、全国印刷电子产业技术创新联盟副秘书长李路海老师进行采访后了解到,原来一些高科技产品也是需要印刷技术来完成的。这项使高科技产品实现炫酷技能的技术就是——印刷电子。
    顾名思义,印刷电子(Printed Electronic Technology,又称“印制电子”) 是将印刷工艺应用于电子元器件制造的新兴工艺技术,是电子学学科的一个新分支,具有多学科的交叉性、边缘性和综合性。其产品具有柔性化、轻便化、加法制造、绿色环保、低成本、可大面积生产的特点,作为硅基电子的补充与扩展,发展前景广阔。具体来说,印刷电子就是将特定功能性材料配制成液态浆料(墨水、油墨和浆料的统称),根据电子器件的设计要求,全部或部分通过印刷或涂布,实现电子/光电子元器件、芯片及系统产品,特别是柔性、薄膜化、轻质器件及产品制造的技术。需要注意的是,经过多年的科学研究与应用实践,传统的印刷油墨已有相对固定的构成模式,比如:胶印油墨的水墨平衡与触变性能、凹印油墨的黏弹性与转移性能,均与印刷装备、版材以及印刷工艺形成了一定协同关系,印刷电子属于功能印刷,印制产品具有特定的功能性要求,无法原版套用传统印刷工艺技术实现。
    印刷电子溯源
    据李老师介绍,早在上个世纪四五十年代,印刷电子的雏形就已出现。最早的印刷电子产品是厚膜印刷电路,更多人认为,鉴于有机无机材料的性能差异,印刷电子则起源于有机电子材料,发展于无机电子材料。印刷电子材料的发展历程,在很大程度上反映了印刷电子的发展历程。
    1977年,Heeger、Macdiarmid和Shirakawa发现聚乙炔薄膜经电子受体掺杂后电导率增加了9个数量级,这一发现打破了有机聚合物材料仅是绝缘体的传统观念。1983年,Ebisawa等人探索了用有机聚合物材料作为半导体层制作场效应晶体管的可能性。1986年,真正具有明显晶体管特征的有机场效应晶体管首次被报道。同一时期,美国柯达公司的华商科学家邓青云研究了异质结有机光伏器件,并发明了有机发光二极管,从此开始了有机电子学时代。
    2000年,Heeger、Macdiarmid和Shirakawa三人获得了诺贝尔化学奖,大家开始意识到很多原来不导电的材料可以做成导电的,也出现了塑料可以导电,可以做成显示屏的说法,并引起业内人士的广泛关注。塑料是有机物,可以以溶液或者浆料的形式存在,这一点引发人们新的思考,导电材料可能以油墨/浆料的形式,通过印刷或涂布的方式,卷对卷地大规模制作一些电子产品,印刷电子概念从此发展起来。
    探索印刷电子之路
    李老师自2001年开始研究电泳显示电子纸,便与印刷电子结下了不解之缘,并带领研究中心在探索印刷电子的道路上前行。虽然一路走来并不平坦,但也在一次次突破中不断进步。
    最初进行电子纸研究时,重点研究了电泳显示电子墨水,经大量的实验后发现电子墨水应用到电子纸中并非易事,需要控制、驱动、涂布及材料开发联动;后来只能转变思路,试图找寻其中最核心的内容。所有柔性显示器件,包括电子纸,都需要显示驱动电路,特别是柔性驱动电路,使用印刷或涂布的方式制备柔性电路,有利于低成本、批量化制造。导电油墨则是驱动电路印刷制备的关键性基础材料。
    后来遇到一个需要把导电油墨做的很轻薄项目,根据欧姆定律可知,电流的大小和面积成正比,截面积越大,电流越大,如果做到很轻薄,必然会减少横截面积,导电性会随之变差,所以从这个角度讲,很难实现。后来经过团队齐心协力、不断钻研,发现使用纳米材料不仅可以做到很轻薄,而且又能保证导电性好。这次的成功让团队更有信心,也更加确定要开展印刷电子材料与技术研究。
    导电浆料是印刷电子技术中应用最广泛的基础材料,也是关键材料,所以研究中心是从导电浆料开始研究的。导电浆料与此前研究的油墨有一个差别,要把导电材料做到纳米层级。归根结底,印刷电子的产生,一方面与有机物(导电高分子)导电有关,另一方面与无机物(纳米材料)有关。有一个说法是“印刷电子源于有机物,但是是在无机物的基础上发展起来的”。有机物能够导电是因为分子中存在共轭体系,电子可以在共轭体系里移动导电,但是有机物不耐光照,共轭体系受紫外光照射易破坏,而且有机物电荷迁移率低,因此在实际应用中无机材料更好,所以,印刷电子材料与技术更多的是从纳米材料的角度,研究无机材料及其应用。
    研究印刷电子最终的目的是希望寻找到落地的方向。很多人的初衷是将印刷电子应用到印刷电路中制作RFID做天线。此外,我国是印制电路板的第一生产大国,全世界有90%以上的印制电路板在中国生产,由于其使用减法生产,要使用蚀刻的方式,能耗高,环境污染大,因此考虑印刷的方式进行加法生产。但是在选择使用材料方面存在一些问题,纳米铝粉容易爆炸燃烧,很难做成纳米铝浆印刷,纳米银成本偏高。李老师表示,我们国家的银浆技术水平与国外相比并不差,只是由于成本问题,这一技术并未得到广泛应用。
    目前,用印刷的方式生产电子元器件应用最多的是传感器,可以把碳材料做成浆料再使用丝印的方式生产电子线路,不仅可以大批量生产,而且碳材料成本相对低,因此在传感器领域非常受欢迎。
    另一个研究热点,是印刷显示与照明。其中OLED使用有机电致发光材料做成分散液,用喷墨的方式加工而成,但因有机电致发光材料使用寿命短,需要探索改进措施。另一印刷显示重点是把量子材料印到显示器上,作为背光源材料,发出的光更纯,显示效果更好,因此应用广泛。印刷显示正逐步成为国内印刷电子应用的重要领域之一。
    智能包装也是印刷电子在寻求落地的一个方向。智能包装通过创新思维,在包装中加入了更多机械、电气、电子和化学性能等新技术,使其既具有通用的包装功能,又具有一些特殊的性能,以满足商品的特殊要求和特殊的环境条件。智能包装几乎可以应用在所有的产品领域,包括电子产品、食品、饮料、医药、生活用品等,但是智能包装现在正处于努力寻求落地的阶段,待其真正实现落地之后,将成为印刷电子的另一重要应用领域。
   李老师表示,在不远的将来,印刷电子产品将出现在人们生活的方方面面,包括天上和地下,室内和室外。大阪大学通过漫画描述了印刷电子在未来的应用状况,引发人们的无限遐想。
    北京印刷学院是国内最早进入印刷电子领域的高校。研究中心最初研究印刷电子的时候,从事这方面研究的人并不多,前景也不明朗。对此,李老师这样解释的,选择科研方向要选择有差异化的内容,虽然这可能是一个比较孤独前行的事情,但是可以享受发现新领域的乐趣。在最初阶段,每天都有新发现,但是达到一个程度的时候就会遇到坎儿,需要不断琢磨去突破。办法总是有的,只要肯去想,终有一天会与办法产生共振。做科研就是一瞬间的乐趣,发现问题,然后去解决问题,在解决问题的过程中不断进步。
    近年来,印刷电子受到了国内许多高校、科研院所和部分企业的关注,北京印刷学院的印刷电子研究人员越来越多,印刷电子材料与技术团队取得了一系列的研究成果。对于团队的管理,李老师表示要让大家感到愉快,他会尽其所能满足队员的需求,并且会经常与队员进行交流,指导每个骨干形成各自的研究方向,同时也会组织队员一起交流,形成相互支撑,培养队员表达能力,团队里的每个成员,都具备了较强的单兵作战能力。
  
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