數字印刷技術在柔性電子制造領域的應用及進展

陳晨 褚夫強 孫加振

數字印刷技術就是通過計算機控制，將數字化的結構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。目前典型的數字印刷技術包括噴墨印刷、直寫印刷兩種印刷工藝。作為光電器件及三維結構的微納制作方法之一，印刷技術能夠通過可控的壓力和速度，將含有功能材料的化學或納米顆粒的膠體溶液定位沉積到基底表面，從而達到快速和直接構建高分辨率及可控電子形狀結構的目的。多年來，許多印刷技術被開發出來，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、有機發光二極管、傳感器、太陽能電池、RIFD標簽、超級電容器等。本文將對噴墨印刷、直寫擠出印刷兩種數字印刷技術在柔性電子制造領域的應用及進展進行淺析。

噴墨印刷技術在柔性電子制造領域的應用及進展

1.噴墨印刷技術的原理及特性

噴墨印刷技術是一項非接觸、全加法、無印版的數字化控制的材料直接圖形化技術，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生和噴射，因此也叫脈沖噴墨，與連續噴墨技術相比，采用按需噴墨工作原理的噴頭結構大為簡化，擺脫了連續噴墨原理噴頭結構的不可靠性，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、印刷設備和外部場來控制。噴墨印刷作為目前最主要的無版數字化印刷技術，具有使用方便、成本低、靈活性強、速度快等優點，與傳統制造技術手段相比，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，以高速創建均勻的、高分辨率圖案。更重要的是，噴墨印刷允許實現由不同組件組成的精心設計的體系結構，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的應用及進展

目前關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域。Mahmoud等人在紋身膜上噴墨打印納米銀（AgNP）導電圖案，然后在墨層上涂上一層薄的共晶鎵銦（EGaIn）進行“燒結”，得到的導電線路導電性與抗拉應變能力極為可觀，并且這些機械性能強勁薄膜電路非常適合轉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準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，該顯示器由底發射多光子有機發光二極管（Oganic Light Emitting Diodes，OLEDs）和具有底柵/底觸點結構的噴墨打印有機薄膜晶體管（Organic Thin Film Transistor，OTFTs）組成，該設備可以成功地在彎曲狀態下顯示彩色視頻，并在白光發射條件下達到最大亮度125cd/m2。

Islam等制作了一種用于超高頻傳感器應用的噴墨印刷柔性射頻識別（RFID）標簽天線，該標簽天線由一個改進的具有半圓形饋電網絡的彎曲線輻射器組成。該結構是使用納米銀導電油墨打印在照片紙上。Meng等人將噴墨打印的聚合物基質集成在PDA修飾的柔性PET襯底上，形成連續的模板，然后進行Ag網格的化學沉積，制備出超薄、超柔性的Ag網格@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越的功率轉換效率，并具有優異的彎曲耐力和運行可靠性。

雖然噴墨印刷已經被廣泛應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性的。另外，如何控制墨滴噴射過程中的飛墨現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。

直寫擠出印刷技術在柔性電子制造領域的應用及進展

1.直寫擠出印刷技術的原理及特點

直寫擠出技術是數字印刷技術的典型代表之一。直寫印刷技術借助計算機設計結構圖案，通過可控壓力將功能材料從噴頭擠出，精確沉積，制備各種復雜的結構。直寫成型按油墨輸出結構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相比，直寫印刷技術有著顯著優勢，如生產周期短、成本低、生產靈活、控制精度較高。

其中最典型的直寫擠出印刷工藝為3D打印，它由計算機控制，將流體材料從噴嘴擠出，可根據需求進行控制平面結構成型，也可逐層沉積，制備復雜三維結構。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流變性的可打印油墨，形成3D對象該技術首先要設計三維結構，將三維結構切片，經過計算機處理，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軸依照設定距離移動，將熔融性功能材料沉積在平臺，得到底層結構。隨后，Z軸電機驅動輸送裝置上升至設定高度，在底層結構上進行結構成型。最后，通過逐層疊加得到了復雜三維結構。

2.直寫印刷柔性電子技術的應用及進展

關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簽，該標簽具有高密度、高靈敏度等性能。Gao等利用同軸擠出3D打印技術制作了一個集成可穿戴的傳感器陣列（如圖5）經測試，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，用聚己內酯/導電炭黑復合材料制作了柔性壓阻和電容傳感器。聚己內酯/導電炭黑復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。由于在聚己內酯基體中加入導電炭黑粒子，復合絲具有壓阻性。在有機玻璃基板上制備了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。

雖然直寫印刷技術作為一種新型的微納米三維周期結構制作方法，可以成型各種復雜精細的結構材料。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計，如何保證電子器件成型成型后的高導電性、更加精密的機械控制、微型結構的精確度、使用方法的靈活性等。

目前，數字印刷技術在電子器件的制備方面被認為是一種非常有前途的技術，由于它耗費材料少、使用簡單、不需要昂貴的掩模，使得其成為學術界研究印刷電子最熱門的技術，也引起了企業界的廣泛關注。對企業而言，數字印刷技術可以用于大規模制備無法利用CMOS技術生產的產品，如RFID標簽、柔性顯示屏或者智能包裝。此外，這種技術還可以用于快速大面積制備各種導體、半導體、晶體管、集成電路及光伏電池和傳感器等。現代印刷電子技術的發展，與計算機數字化的不斷結合，將會對各類電子相關企業，如智能包裝企業、電子器件制造企業等帶來革命性的飛躍。

作者單位：齊魯工業大學（山東省科學院）輕工科學與工程學院、山東省高等學校綠色印刷包裝材料與技術重點實驗室（齊魯工業大學）、數字打印先進材料協同創新中心（濟南市）

責任編輯：薛金萍