数字印刷技术在柔性电子制造领域的应用及进展

陈晨 褚夫强 孙加振

数字印刷技术就是通过计算机控制，将数字化的结构图文信息直接记录到基底上，它既是一种按需印刷，也是一种无版印刷技术。目前典型的数字印刷技术包括喷墨印刷、直写印刷两种印刷工艺。作为光电器件及三维结构的微纳制作方法之一，印刷技术能够通过可控的压力和速度，将含有功能材料的化学或纳米颗粒的胶体溶液定位沉积到基底表面，从而达到快速和直接构建高分辨率及可控电子形状结构的目的。多年来，許多印刷技术被开发出来，用于在不同的柔性基底上制作各种各样的电子器件，如薄膜晶体管、有机发光二极管、传感器、太阳能电池、RIFD标签、超级电容器等。本文将对喷墨印刷、直写挤出印刷两种数字印刷技术在柔性电子制造领域的应用及进展进行浅析。

喷墨印刷技术在柔性电子制造领域的应用及进展

1.喷墨印刷技术的原理及特性

喷墨印刷技术是一项非接触、全加法、无印版的数字化控制的材料直接图形化技术，通过电信号控制含有功能材料的墨水通过微米级别的喷头直接沉积在基底表面形成高质量图案。如图1所示，喷墨打印有3种典型的过程：热喷墨打印、压电喷墨打印和连续喷墨打印。其中热喷墨与压电喷墨都属于按需喷墨范畴。目前，按需喷墨印刷工艺已成为喷墨印刷主流，按需喷墨是在承印材料需要覆盖油墨时设备喷头才喷出墨滴，由于一般通过电脉冲信号来控制墨滴的产生和喷射，因此也叫脉冲喷墨，与连续喷墨技术相比，采用按需喷墨工作原理的喷头结构大为简化，摆脱了连续喷墨原理喷头结构的不可靠性，油墨的利用率也显著提高。

喷墨打印功能材料的沉积形貌可以通过衬底的润湿性、油墨的流变性、印刷设备和外部场来控制。喷墨印刷作为目前最主要的无版数字化印刷技术，具有使用方便、成本低、灵活性强、速度快等优点，与传统制造技术手段相比，功能材料的喷墨印刷在简单性、成本效益和无掩模模式方面具有竞争优势。此外，喷墨印刷允许在给定位置精确地沉积墨水，以高速创建均匀的、高分辨率图案。更重要的是，喷墨印刷允许实现由不同组件组成的精心设计的体系结构，使得其理论上可以适用于几乎所有的可印刷电子元器件和功能电路。

2.喷墨印刷柔性电子技术的应用及进展

目前关于喷墨印刷柔性高性能电子器件的报道基本涵盖了所有领域。Mahmoud等人在纹身膜上喷墨打印纳米银（AgNP）导电图案，然后在墨层上涂上一层薄的共晶镓铟（EGaIn）进行“烧结”，得到的导电线路导电性与抗拉应变能力极为可观，并且这些机械性能强劲薄膜电路非常适合转移到高度弯曲和可延展的3D表面以及皮肤和其他软变形基质上。Alaaldeen等人通过喷墨打印将纳米银颗粒沉积在可拉伸的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基底上，构建了用于检测呼吸速率的柔性传感器，该柔性可穿戴传感器与标准电子健康传感器相比性能方面并无显著差异。Makoto等人研制了一种分辨率为50ppi的3.2英寸柔性彩色显示器，该显示器由底发射多光子有机发光二极管（Oganic Light Emitting Diodes，OLEDs）和具有底栅/底触点结构的喷墨打印有机薄膜晶体管（Organic Thin Film Transistor，OTFTs）组成，该设备可以成功地在弯曲状态下显示彩色视频，并在白光发射条件下达到最大亮度125cd/m2。

Islam等制作了一种用于超高频传感器应用的喷墨印刷柔性射频识别（RFID）标签天线，该标签天线由一个改进的具有半圆形馈电网络的弯曲线辐射器组成。该结构是使用纳米银导电油墨打印在照片纸上。Meng等人将喷墨打印的聚合物基质集成在PDA修饰的柔性PET衬底上，形成连续的模板，然后进行Ag网格的化学沉积，制备出超薄、超柔性的Ag网格@聚多巴胺（Polydopamine，PDA）/聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）柔性透明电极，如图3，最后得到的聚合物太阳能电池显示出了优越的功率转换效率，并具有优异的弯曲耐力和运行可靠性。

虽然喷墨印刷已经被广泛应用于各类柔性电子器件的制备，但目前它依然存在一些不足，开发具有适宜黏度、浓度、溶剂体系的可喷墨印刷墨水是有一定挑战性的。另外，如何控制墨滴喷射过程中的飞墨现象以及在不同基底表面润湿铺展后薄膜形貌和墨层厚度等都需要进行考虑，直接影响电子器件的分辨率与高性能要求。

直写挤出印刷技术在柔性电子制造领域的应用及进展

1.直写挤出印刷技术的原理及特点

直写挤出技术是数字印刷技术的典型代表之一。直写印刷技术借助计算机设计结构图案，通过可控压力将功能材料从喷头挤出，精确沉积，制备各种复杂的结构。直写成型按油墨输出结构类型分为液滴直写成型和线形直写成型两大类（如图4）。与其他快速成型技术相比，直写印刷技术有着显著优势，如生产周期短、成本低、生产灵活、控制精度较高。

其中最典型的直写挤出印刷工艺为3D打印，它由计算机控制，将流体材料从喷嘴挤出，可根据需求进行控制平面结构成型，也可逐层沉积，制备复杂三维结构。熔融沉积成型和直接墨水书写是基于挤压的3D打印工艺的两种主要方式。熔融模型通常使用加热喷嘴熔融聚合物丝，形成3D对象。直接墨水书写使用气动喷嘴或注射器喷嘴挤压具有适当流变性的可打印油墨，形成3D对象该技术首先要设计三维结构，将三维结构切片，经过计算机处理，再通控制安装在Z轴上的功能材料输送装置，输出形成流体，同时X、Y轴依照设定距离移动，将熔融性功能材料沉积在平台，得到底层结构。随后，Z轴电机驱动输送装置上升至设定高度，在底层结构上进行结构成型。最后，通过逐层叠加得到了复杂三维结构。

2.直写印刷柔性电子技术的应用及进展

关于挤出印刷制备柔性电子的研究也相对全面。Anagnostou等以纸基为衬底，将天线作为射频电子设备直接写入打印，器件性能测试显示良好。Ma等成功制作了一种3D打印的三维可打印无芯片射频识别标签，该标签具有高密度、高灵敏度等性能。Gao等利用同轴挤出3D打印技术制作了一个集成可穿戴的传感器阵列（如图5）经测试，该传感器具有出色的灵敏度和耐久性。

Leigh等人制备了第一种熔融沉积模型打印的触觉传感器（图6）。他们利用台式熔融沉积模型3D打印机，用聚己内酯/导电炭黑复合材料制作了柔性压阻和电容传感器。聚己内酯/导电炭黑复合材料被加工成直径为1.5mm的长丝，并通过加热喷嘴挤压得到打印对象。由于在聚己内酯基体中加入导电炭黑粒子，复合丝具有压阻性。在有机玻璃基板上制备了U型压阻传感器。随着衬底的弯曲，可以观察到印刷传感器的电阻变化。此外，他们利用FDM制作了基于电容式压力传感器的人机接口装置（HID）。HID装置可以通过检测压力来捕获触摸序列。

虽然直写印刷技术作为一种新型的微纳米三维周期结构制作方法，可以成型各种复杂精细的结构材料。但它仍有很多问题值得探索与研究，如合适的功能材料的选择设计，如何保证电子器件成型成型后的高导电性、更加精密的机械控制、微型结构的精确度、使用方法的灵活性等。

目前，数字印刷技术在电子器件的制备方面被认为是一种非常有前途的技术，由于它耗费材料少、使用简单、不需要昂贵的掩模，使得其成为学术界研究印刷电子最热门的技术，也引起了企业界的广泛关注。对企业而言，数字印刷技术可以用于大规模制备无法利用CMOS技术生产的产品，如RFID标签、柔性显示屏或者智能包装。此外，这种技术还可以用于快速大面积制备各种导体、半导体、晶体管、集成电路及光伏电池和传感器等。现代印刷电子技术的发展，与计算机数字化的不断结合，将会对各类电子相关企业，如智能包装企业、电子器件制造企业等带来革命性的飞跃。

作者单位：齐鲁工业大学（山东省科学院）轻工科学与工程学院、山东省高等学校绿色印刷包装材料与技术重点实验室（齐鲁工业大学）、数字打印先进材料协同创新中心（济南市）

责任编辑：薛金萍