數(shù)字印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

陳晨 褚夫強 孫加振

數(shù)字印刷技術(shù)就是通過計算機(jī)控制，將數(shù)字化的結(jié)構(gòu)圖文信息直接記錄到基底上，它既是一種按需印刷，也是一種無版印刷技術(shù)。目前典型的數(shù)字印刷技術(shù)包括噴墨印刷、直寫印刷兩種印刷工藝。作為光電器件及三維結(jié)構(gòu)的微納制作方法之一，印刷技術(shù)能夠通過可控的壓力和速度，將含有功能材料的化學(xué)或納米顆粒的膠體溶液定位沉積到基底表面，從而達(dá)到快速和直接構(gòu)建高分辨率及可控電子形狀結(jié)構(gòu)的目的。多年來，許多印刷技術(shù)被開發(fā)出來，用于在不同的柔性基底上制作各種各樣的電子器件，如薄膜晶體管、有機(jī)發(fā)光二極管、傳感器、太陽能電池、RIFD標(biāo)簽、超級電容器等。本文將對噴墨印刷、直寫擠出印刷兩種數(shù)字印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展進(jìn)行淺析。

噴墨印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

1.噴墨印刷技術(shù)的原理及特性

噴墨印刷技術(shù)是一項非接觸、全加法、無印版的數(shù)字化控制的材料直接圖形化技術(shù)，通過電信號控制含有功能材料的墨水通過微米級別的噴頭直接沉積在基底表面形成高質(zhì)量圖案。如圖1所示，噴墨打印有3種典型的過程：熱噴墨打印、壓電噴墨打印和連續(xù)噴墨打印。其中熱噴墨與壓電噴墨都屬于按需噴墨范疇。目前，按需噴墨印刷工藝已成為噴墨印刷主流，按需噴墨是在承印材料需要覆蓋油墨時設(shè)備噴頭才噴出墨滴，由于一般通過電脈沖信號來控制墨滴的產(chǎn)生和噴射，因此也叫脈沖噴墨，與連續(xù)噴墨技術(shù)相比，采用按需噴墨工作原理的噴頭結(jié)構(gòu)大為簡化，擺脫了連續(xù)噴墨原理噴頭結(jié)構(gòu)的不可靠性，油墨的利用率也顯著提高。

噴墨打印功能材料的沉積形貌可以通過襯底的潤濕性、油墨的流變性、印刷設(shè)備和外部場來控制。噴墨印刷作為目前最主要的無版數(shù)字化印刷技術(shù)，具有使用方便、成本低、靈活性強、速度快等優(yōu)點，與傳統(tǒng)制造技術(shù)手段相比，功能材料的噴墨印刷在簡單性、成本效益和無掩模模式方面具有競爭優(yōu)勢。此外，噴墨印刷允許在給定位置精確地沉積墨水，以高速創(chuàng)建均勻的、高分辨率圖案。更重要的是，噴墨印刷允許實現(xiàn)由不同組件組成的精心設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)，使得其理論上可以適用于幾乎所有的可印刷電子元器件和功能電路。

2.噴墨印刷柔性電子技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

目前關(guān)于噴墨印刷柔性高性能電子器件的報道基本涵蓋了所有領(lǐng)域。Mahmoud等人在紋身膜上噴墨打印納米銀（AgNP）導(dǎo)電圖案，然后在墨層上涂上一層薄的共晶鎵銦（EGaIn）進(jìn)行“燒結(jié)”，得到的導(dǎo)電線路導(dǎo)電性與抗拉應(yīng)變能力極為可觀，并且這些機(jī)械性能強勁薄膜電路非常適合轉(zhuǎn)移到高度彎曲和可延展的3D表面以及皮膚和其他軟變形基質(zhì)上。Alaaldeen等人通過噴墨打印將納米銀顆粒沉積在可拉伸的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基底上，構(gòu)建了用于檢測呼吸速率的柔性傳感器，該柔性可穿戴傳感器與標(biāo)準(zhǔn)電子健康傳感器相比性能方面并無顯著差異。Makoto等人研制了一種分辨率為50ppi的3.2英寸柔性彩色顯示器，該顯示器由底發(fā)射多光子有機(jī)發(fā)光二極管（Oganic Light Emitting Diodes，OLEDs）和具有底柵/底觸點結(jié)構(gòu)的噴墨打印有機(jī)薄膜晶體管（Organic Thin Film Transistor，OTFTs）組成，該設(shè)備可以成功地在彎曲狀態(tài)下顯示彩色視頻，并在白光發(fā)射條件下達(dá)到最大亮度125cd/m2。

Islam等制作了一種用于超高頻傳感器應(yīng)用的噴墨印刷柔性射頻識別（RFID）標(biāo)簽天線，該標(biāo)簽天線由一個改進(jìn)的具有半圓形饋電網(wǎng)絡(luò)的彎曲線輻射器組成。該結(jié)構(gòu)是使用納米銀導(dǎo)電油墨打印在照片紙上。Meng等人將噴墨打印的聚合物基質(zhì)集成在PDA修飾的柔性PET襯底上，形成連續(xù)的模板，然后進(jìn)行Ag網(wǎng)格的化學(xué)沉積，制備出超薄、超柔性的Ag網(wǎng)格@聚多巴胺（Polydopamine，PDA）/聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）柔性透明電極，如圖3，最后得到的聚合物太陽能電池顯示出了優(yōu)越的功率轉(zhuǎn)換效率，并具有優(yōu)異的彎曲耐力和運行可靠性。

雖然噴墨印刷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各類柔性電子器件的制備，但目前它依然存在一些不足，開發(fā)具有適宜黏度、濃度、溶劑體系的可噴墨印刷墨水是有一定挑戰(zhàn)性的。另外，如何控制墨滴噴射過程中的飛墨現(xiàn)象以及在不同基底表面潤濕鋪展后薄膜形貌和墨層厚度等都需要進(jìn)行考慮，直接影響電子器件的分辨率與高性能要求。

直寫擠出印刷技術(shù)在柔性電子制造領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展

1.直寫擠出印刷技術(shù)的原理及特點

直寫擠出技術(shù)是數(shù)字印刷技術(shù)的典型代表之一。直寫印刷技術(shù)借助計算機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖案，通過可控壓力將功能材料從噴頭擠出，精確沉積，制備各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。直寫成型按油墨輸出結(jié)構(gòu)類型分為液滴直寫成型和線形直寫成型兩大類（如圖4）。與其他快速成型技術(shù)相比，直寫印刷技術(shù)有著顯著優(yōu)勢，如生產(chǎn)周期短、成本低、生產(chǎn)靈活、控制精度較高。

其中最典型的直寫擠出印刷工藝為3D打印，它由計算機(jī)控制，將流體材料從噴嘴擠出，可根據(jù)需求進(jìn)行控制平面結(jié)構(gòu)成型，也可逐層沉積，制備復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。熔融沉積成型和直接墨水書寫是基于擠壓的3D打印工藝的兩種主要方式。熔融模型通常使用加熱噴嘴熔融聚合物絲，形成3D對象。直接墨水書寫使用氣動噴嘴或注射器噴嘴擠壓具有適當(dāng)流變性的可打印油墨，形成3D對象該技術(shù)首先要設(shè)計三維結(jié)構(gòu)，將三維結(jié)構(gòu)切片，經(jīng)過計算機(jī)處理，再通控制安裝在Z軸上的功能材料輸送裝置，輸出形成流體，同時X、Y軸依照設(shè)定距離移動，將熔融性功能材料沉積在平臺，得到底層結(jié)構(gòu)。隨后，Z軸電機(jī)驅(qū)動輸送裝置上升至設(shè)定高度，在底層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型。最后，通過逐層疊加得到了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

2.直寫印刷柔性電子技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

關(guān)于擠出印刷制備柔性電子的研究也相對全面。Anagnostou等以紙基為襯底，將天線作為射頻電子設(shè)備直接寫入打印，器件性能測試顯示良好。Ma等成功制作了一種3D打印的三維可打印無芯片射頻識別標(biāo)簽，該標(biāo)簽具有高密度、高靈敏度等性能。Gao等利用同軸擠出3D打印技術(shù)制作了一個集成可穿戴的傳感器陣列（如圖5）經(jīng)測試，該傳感器具有出色的靈敏度和耐久性。

Leigh等人制備了第一種熔融沉積模型打印的觸覺傳感器（圖6）。他們利用臺式熔融沉積模型3D打印機(jī)，用聚己內(nèi)酯/導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料制作了柔性壓阻和電容傳感器。聚己內(nèi)酯/導(dǎo)電炭黑復(fù)合材料被加工成直徑為1.5mm的長絲，并通過加熱噴嘴擠壓得到打印對象。由于在聚己內(nèi)酯基體中加入導(dǎo)電炭黑粒子，復(fù)合絲具有壓阻性。在有機(jī)玻璃基板上制備了U型壓阻傳感器。隨著襯底的彎曲，可以觀察到印刷傳感器的電阻變化。此外，他們利用FDM制作了基于電容式壓力傳感器的人機(jī)接口裝置（HID）。HID裝置可以通過檢測壓力來捕獲觸摸序列。

雖然直寫印刷技術(shù)作為一種新型的微納米三維周期結(jié)構(gòu)制作方法，可以成型各種復(fù)雜精細(xì)的結(jié)構(gòu)材料。但它仍有很多問題值得探索與研究，如合適的功能材料的選擇設(shè)計，如何保證電子器件成型成型后的高導(dǎo)電性、更加精密的機(jī)械控制、微型結(jié)構(gòu)的精確度、使用方法的靈活性等。

目前，數(shù)字印刷技術(shù)在電子器件的制備方面被認(rèn)為是一種非常有前途的技術(shù)，由于它耗費材料少、使用簡單、不需要昂貴的掩模，使得其成為學(xué)術(shù)界研究印刷電子最熱門的技術(shù)，也引起了企業(yè)界的廣泛關(guān)注。對企業(yè)而言，數(shù)字印刷技術(shù)可以用于大規(guī)模制備無法利用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，如RFID標(biāo)簽、柔性顯示屏或者智能包裝。此外，這種技術(shù)還可以用于快速大面積制備各種導(dǎo)體、半導(dǎo)體、晶體管、集成電路及光伏電池和傳感器等?，F(xiàn)代印刷電子技術(shù)的發(fā)展，與計算機(jī)數(shù)字化的不斷結(jié)合，將會對各類電子相關(guān)企業(yè)，如智能包裝企業(yè)、電子器件制造企業(yè)等帶來革命性的飛躍。

作者單位：齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）輕工科學(xué)與工程學(xué)院、山東省高等學(xué)校綠色印刷包裝材料與技術(shù)重點實驗室（齊魯工業(yè)大學(xué)）、數(shù)字打印先進(jìn)材料協(xié)同創(chuàng)新中心（濟(jì)南市）

責(zé)任編輯：薛金萍