印刷電子技術(shù)是將印刷工藝與電子制造相結(jié)合的一門新興技術(shù)，具有大面積、柔性化、可大量制備、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在電子器件制造領(lǐng)域越來越受到關(guān)注，今天我們就來聊聊它。

       在納米技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，印刷電子技術(shù)隨之而來。顧名思義，印刷電子技術(shù)是將印刷工藝與電子制造相結(jié)合的一門新興技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的電子制造技術(shù)，印刷電子技術(shù)具有大面積、柔性化、可大量制備、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。與大家所熟知的 3D 打印一樣，印刷電子技術(shù)實(shí)際上是一種“增材制造”技術(shù)，僅需要印刷和干燥燒結(jié)兩步工藝，而傳統(tǒng)的電路制造工藝屬于“減材制造”技術(shù)，需要通過光刻、顯影等復(fù)雜工藝過程實(shí)現(xiàn)。印刷電子技術(shù)是采取適當(dāng)?shù)挠∷⒎绞綄⑻囟ǖ墓δ苄杂湍∷⒃诓煌N類的基底材料上，常見的印刷工藝包括絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、凸版印刷、噴墨打印等，在印刷電子技術(shù)中使用的油墨一般為功能性油墨，如導(dǎo)電性油墨、可發(fā)光油墨等。

1. 印刷工藝

       印刷術(shù)是我國(guó)古代四大發(fā)明之一，隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，印刷技術(shù)得到了極大的發(fā)展與改善，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。由于絲網(wǎng)印刷的制版工藝簡(jiǎn)單、制備成本低且可用于大面積批量制備等特點(diǎn)，因此，絲網(wǎng)印刷成為目前最流行、最成熟且最實(shí)用的電子產(chǎn)品印刷技術(shù)。

       絲網(wǎng)印刷的原理是使圖文部分的油墨通過網(wǎng)孔轉(zhuǎn)移到承印物上形成印跡，其原理如下圖所示。絲網(wǎng)印刷包括平版絲網(wǎng)印刷和滾筒絲網(wǎng)印刷。平版絲網(wǎng)印刷的主要流程是將油墨置于絲網(wǎng)印版上，通過刮墨刀對(duì)其施加壓力，使油墨通過網(wǎng)孔轉(zhuǎn)移到承印物上;滾筒絲網(wǎng)印刷則是在滾筒上安裝印版，通過滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)基底材料和印版并進(jìn)行印刷。絲網(wǎng)印刷的操作成本低、工藝過程簡(jiǎn)單、印刷圖案多樣化、承印物可選擇性等優(yōu)點(diǎn)使其在電子產(chǎn)品的制備中發(fā)揮了巨大作用，也受到了越來越多研究人員的關(guān)注。但是，絲網(wǎng)印刷得到的電子產(chǎn)品的質(zhì)量受多種因素的影響，如油墨、印刷速度、刮墨刀位置、承印物材料等。其中，油墨是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

       噴墨印刷是一種典型的無(wú)版印刷方式，也是最徹底的直接印刷技術(shù)。在噴墨印刷的過程中，沒有中間媒介，油墨是通過噴墨打印頭直接噴射到承印物上進(jìn)而在承印物表面形成圖像。根據(jù)出墨方式不同，噴墨印刷可分為連續(xù)型噴墨打印(CIJ)和按需型噴墨打印(DOD)。由于按需型噴墨打印技術(shù)具有精度高、可控度高等特點(diǎn)，因此受到了更多的關(guān)注，且應(yīng)用較為廣泛。噴墨印刷主要的優(yōu)勢(shì)是不需要制版，可以通過計(jì)算機(jī)改變需要印刷的圖案。但是噴墨印刷技術(shù)需要的打印時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)油墨的性能要求高，這些缺點(diǎn)在一定程度上限制了噴墨印刷在印刷電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。噴墨印刷系統(tǒng)的應(yīng)用如圖所示。

       凹版印刷是一種直接印刷方式，也是一種常見的卷對(duì)卷印刷方式。凹版印刷是將印版滾筒或墨斗輥(給印版滾筒傳墨)的一部分浸入墨槽并連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使印版滿版涂墨，然后用刮刀刮去印版滾筒空白部分的油墨，再經(jīng)壓印將印版滾筒圖文部分的油墨轉(zhuǎn)移到承印物上。在使用凹版印刷方法時(shí)，一般要求油墨黏度較低，且該印刷方法適用于高速印刷。

2. 印刷油墨

       在印刷電子領(lǐng)域，制備低成本性能好的功能性油墨是研究發(fā)展印刷電子技術(shù)和生產(chǎn)高性能電子產(chǎn)品的關(guān)鍵，其中，功能性油墨最主要的是導(dǎo)電油墨。導(dǎo)電油墨是將導(dǎo)電材料、連結(jié)料、溶劑和助劑等多種成分按照一定的比例混合得到的懸浮液或溶液。

       根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)電油墨也有多種分類方式。根據(jù)不同的印刷方式，可將其分為膠印導(dǎo)電油墨、網(wǎng)印導(dǎo)電油墨、噴墨導(dǎo)電油墨等;根據(jù)導(dǎo)電材料性質(zhì)不同，導(dǎo)電油墨可分為三大類，即無(wú)機(jī)系導(dǎo)電油墨、有機(jī)系導(dǎo)電油墨以及碳材料。

3. 印刷基底材料

       印刷電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能與印刷的基底材料有著密切的關(guān)系。印刷電子中用到的基底材料主要分為剛性基材與柔性基材。剛性基材包括金屬類基材、陶瓷類基材等;柔性基材則有紙張、塑料薄膜等。

印刷電子器件

       印刷電子的柔性化是傳統(tǒng)電子器件制備技術(shù)無(wú)法替代的，目前，印刷電子技術(shù)受到研究人員的廣泛關(guān)注，并用于許多電子器件的制備，我們將其稱之為印刷電子器件，如超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、壓力傳感器、智能傳感標(biāo)簽、LED 顯示器等。

1. 超級(jí)電容器

       超級(jí)電容器(又稱為電化學(xué)電容器)，是一種介于傳統(tǒng)電容器與鋰離子電池之間的新型能量存儲(chǔ)裝置，依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行工作。超級(jí)電容器具有比傳統(tǒng)電容器高的能量密度和比鋰離子電池高的功率密度。超級(jí)電容器具有能量密度較高、可快速充 / 放電、使用安全、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)一次性零部件等諸多優(yōu)點(diǎn)，這也使其發(fā)展成為一種用于能量存儲(chǔ)的新興器件，在消費(fèi)電子產(chǎn)品和替代電源等領(lǐng)域中有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

       由于分類標(biāo)準(zhǔn)的差異，超級(jí)電容器有多種分類方法。首先，根據(jù)其工作原理的不同，如圖所示，超級(jí)電容器主要可分為雙電層電容器(EDLC)和贗電容電容器(PC);其次，根據(jù)電極結(jié)構(gòu)，分為對(duì)稱型超級(jí)電容器和非對(duì)稱型超級(jí)電容器;最后，依據(jù)電解質(zhì)溶液類別，可分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)。

       超級(jí)電容器可以通過不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的雙層電荷存儲(chǔ)，保持多達(dá)數(shù)百萬(wàn)次的充放電循環(huán)。與此相反，電池使用期間，由于充放電循環(huán)中會(huì)發(fā)生過度的氧化還原反應(yīng)，所以電極中的活性物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象。就安全問題而言，超級(jí)電容器要比電池可靠得多。因此，超級(jí)電容器可以應(yīng)用于各種需要高電源的場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車和可穿戴電子產(chǎn)品等。

2. 壓力傳感器

       作為下一代電子產(chǎn)品，可穿戴電子設(shè)備可以與我們的身體相結(jié)合，以擴(kuò)展我們的感知能力，或提供實(shí)時(shí)的個(gè)人健康信息等。壓力感知能力是人類皮膚最基本而又最強(qiáng)大的特征之一。柔性有機(jī)聚合物和可拉伸壓力傳感器為模擬人類皮膚的傳感和柔軟的機(jī)械特性提供了一個(gè)潛在機(jī)會(huì)。同時(shí)，具有高傳感性能的壓力傳感器在軟機(jī)器人、可穿戴電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和智能包裝中有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，各種不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器已經(jīng)發(fā)展起來，如電容式、壓阻式和壓電式。

       壓阻式傳感器的原理是將施加的壓力轉(zhuǎn)化為器件的電阻信號(hào)變化。壓電式壓力傳感器的壓電特性產(chǎn)生機(jī)理主要是壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生了定向的非中心對(duì)稱形變進(jìn)而產(chǎn)生一定的電偶極矩。與電容式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器相比，壓阻式壓力傳感器具有傳感機(jī)理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛的研究。如圖所示為壓阻式、電容式壓力傳感器常見結(jié)構(gòu)。

3. 智能傳感標(biāo)簽

       印刷智能傳感標(biāo)簽是一種將先進(jìn)傳感材料與標(biāo)簽印刷技術(shù)相結(jié)合制備，具有自動(dòng)識(shí)別功能的智能標(biāo)簽的先進(jìn)技術(shù)。目前，比較常見的印刷智能傳感標(biāo)簽有 RFID、NFC 電子標(biāo)簽。

       RFID 電子標(biāo)簽主要包含閱讀器、感應(yīng)器、芯片、天線、應(yīng)用系統(tǒng)等，如圖所示。RFID 的工作原理是通過 RF 信號(hào)和空間耦合傳輸特性對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別，在它的組成結(jié)構(gòu)中，起到接受和發(fā)射信號(hào)作用的是天線，因此，天線的研究發(fā)展對(duì) RFID標(biāo)簽的發(fā)展有著重大影響。

       RFID 標(biāo)簽的傳統(tǒng)制作方法主要有線圈繞制法、蝕刻法以及電鍍法三種。由于 RFID標(biāo)簽天線的傳統(tǒng)制作方法具有生產(chǎn)成本高、識(shí)別精度低、生產(chǎn)效率低等缺點(diǎn)，所以使用這三種方法來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高精度的批量化生產(chǎn)具有很大困難。通過一定的印刷方法將導(dǎo)電油墨沉積到承印物上是制備 RFID 標(biāo)簽天線的新興技術(shù)，該方法的基本原理是導(dǎo)電油墨在干燥固化后具有良好的導(dǎo)電性能，可以構(gòu)成導(dǎo)電線路和天線。直接印刷法制備 RFID 標(biāo)簽天線具有生產(chǎn)效率高、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此，該方法具有很大的發(fā)展前景。

       NFC 電子標(biāo)簽技術(shù)是在 RFID 電子標(biāo)簽的基礎(chǔ)上結(jié)合了互聯(lián)互通技術(shù)的一種短距離的高頻無(wú)線通訊技術(shù)。與 RFID 一樣，NFC 信息也是通過頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳輸，NFC 是在設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它與藍(lán)牙的功能十分相似，都屬于短距離通信技術(shù)，且都集成到移動(dòng)電話中，但 NFC 沒有復(fù)雜的程序設(shè)置，是藍(lán)牙的簡(jiǎn)化版。相對(duì)于 RFID，NFC 具有距離近、能耗低等特點(diǎn)，是一種安全、迅速的無(wú)線連接方式，其應(yīng)用如圖所示。

       由于能夠避開成本高且不靈活的傳統(tǒng)硅基電子器件，利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)在柔性基片上制造各種器件，印刷電子(PE)在電子器件制造領(lǐng)域越來越受到關(guān)注并且未來市場(chǎng)前景廣闊。使用印刷電子技術(shù)制備電子器件的制作過程簡(jiǎn)潔，不需要使用大量化學(xué)試劑，廢水和有毒氣體的排放大大減少，很好地實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保、節(jié)能生產(chǎn)的目的。

        智能化、自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化是未來制造業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)，雙翌光電致力于制造業(yè)工廠智能改造，數(shù)字化升級(jí)。我們堅(jiān)信通過不斷努力與創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)與客戶的合作共贏。如果您有相關(guān)視覺檢測(cè)方面的需求，請(qǐng)聯(lián)系我們。