電子油墨：印刷電子技術(shù)的關(guān)鍵核心

活字印刷術(shù)作為中國四大發(fā)明之一可以說是聲名遠(yuǎn)播。那么，將傳統(tǒng)印刷與現(xiàn)代電子相結(jié)合又會出現(xiàn)怎樣的效果？

20世紀(jì)70年代，隨著以低成本制造為最終目的的有機(jī)電子學(xué)的發(fā)展，以及2000年之后全球性納米技術(shù)研究熱潮的掀起，印刷電子逐漸形成了獨(dú)立的學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域。

相對于主流電子元器件和產(chǎn)品在制造過程中存在工藝復(fù)雜、原材料損耗嚴(yán)重、設(shè)備投資過大和存在重污染等問題，印刷電子工藝技術(shù)除了具有生產(chǎn)工藝簡單、原材料損耗較低等特點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)大面積、輕質(zhì)、柔軟化、低成本生產(chǎn)。

不僅如此，作為常溫印刷工藝，印刷電子能夠顯著降低熱能耗，有利于選擇耐熱性差、低成本的塑料薄膜、紙張與纖維布料等柔性材料作為基底。作為綠色制造技術(shù)，它又能夠消除多數(shù)基于化學(xué)蝕刻工藝帶來的廢液排放等問題，通過采用具有良好降解性的有機(jī)功能材料與基材，從根源上徹底解決電子產(chǎn)品帶來的環(huán)境污染問題。因此，印刷電子技術(shù)已經(jīng)被各個國家和地區(qū)視為“未來電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的革命性解決方案”。

印刷油墨是印刷電子技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)要點(diǎn)。印刷油墨一般是具有導(dǎo)電性的功能性油墨。導(dǎo)電油墨分為采用導(dǎo)電高分子聚合物的本征導(dǎo)電油墨和采用導(dǎo)電粒子的摻雜型導(dǎo)電油墨。摻雜型導(dǎo)電油墨的組成成分包括具有導(dǎo)電功能的導(dǎo)電填料、連接成膜作用的粘接劑和改變性狀的溶劑及助劑。其中的導(dǎo)電填料可以根據(jù)最終產(chǎn)品需求采用多種具有不同導(dǎo)電能力和特性的微粒，例如金屬導(dǎo)電微粒、碳系材料微粒、金屬氧化物微粒等等。這些微粒的加工成型往往涉及到納米技術(shù)研發(fā)，例如我們主要采用的金屬導(dǎo)電漿料，采用納米銀包銅微粒作為導(dǎo)電填料，是采用多種納米材料制備手段加工而成。

此外，印刷電子墨料是柔性可穿戴電子器件的核心技術(shù)領(lǐng)域。作為一種新興電子技術(shù)，柔性可穿戴電子技術(shù)突破了傳統(tǒng)硅基電子制造的技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)了在柔性的基板材料上制備功能器件。它創(chuàng)新性地采用傳統(tǒng)印刷技術(shù)制造各種器件，憑借獨(dú)特的柔性、可延展性，以及高效、低成本的制造技術(shù)工藝，在信息、能源、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域擁有了廣泛的應(yīng)用前景。

近幾年，柔性電子器件的市場規(guī)模和拓展領(lǐng)域快速發(fā)展，據(jù)施樂帕克研究中心的市場分析報告顯示，2016年年底，柔性電子的市場規(guī)模已達(dá)到450億美元，其中作為關(guān)鍵材料，具有光學(xué)、電學(xué)等特殊功能的電子墨料自然功不可沒。為了柔性可穿戴電子器件的進(jìn)一步優(yōu)化，開發(fā)新型復(fù)合柔性印刷電子墨料被視作重中之重。

目前，現(xiàn)有印刷電子導(dǎo)電墨料主要以銀、銅、鎳以及石墨粉末主導(dǎo)市場。所有金屬中，銀具有最佳的導(dǎo)電性和耐氧化性，在市場上也占有主導(dǎo)地位，達(dá)到了上億元的市場份額。但是，銀的價格昂貴，而且存在電遷移等安全隱患，在一定程度上限制了這種導(dǎo)電墨料的使用。為了降低成本并提高使用安全性，日本、歐盟等部分國家較早地開展了低價導(dǎo)電墨料的研究，希望通過降低成本從而盡快推廣印刷電子的商業(yè)化應(yīng)用。

我國科研人員正在積極投入到新型復(fù)合納米墨料的研發(fā)工作中，目的是消除可穿戴設(shè)備的安全隱患，發(fā)現(xiàn)耐高溫、安全性能高的印刷導(dǎo)電材料替代品。他們瞄準(zhǔn)離子液體電解質(zhì)墨料和銀包覆賤金屬納米顆粒導(dǎo)電墨料，依托哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)，憑借制備柔性檢測芯片、柔性儲能器件技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開展有源檢測芯片（包括安全可穿戴柔性儲能器件和安全柔性檢測芯片）的制備，并進(jìn)一步將新材料應(yīng)用到器件中進(jìn)行安全性與可行性的原理驗(yàn)證。

當(dāng)前電子行業(yè)領(lǐng)域，除了微電子芯片類產(chǎn)品等要求精度過高，印刷方法尚不能滿足產(chǎn)品線寬要求之外，很多方向都可以開拓為柔性印刷的用武之地。例如柔性顯示屏中的觸摸導(dǎo)電薄膜、射頻識別標(biāo)簽中的天線產(chǎn)品、柔性電路板中的電路產(chǎn)品、電磁干擾屏蔽膜產(chǎn)品等等。即原先采用金屬薄膜或其他導(dǎo)電類材料制備的二維結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，均可采用印刷電子技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品升級和替代。

我國已成功開發(fā)研制了基于柔性印刷電子技術(shù)的低成本、抗氧化、高安全性納米導(dǎo)電墨料，該導(dǎo)電墨料相比目前工業(yè)領(lǐng)域常用的銀系導(dǎo)電漿料，采用價格較低的銅材料部分代替銀材料，可以在基本保持導(dǎo)電性能的基礎(chǔ)上極大地降低原料成本；相比簡單使用銅納米顆粒制備導(dǎo)電墨料，采用覆銀層進(jìn)行抗氧化處理，有效提高漿料的耐候性和使用壽命；采用銀銅包覆結(jié)構(gòu)，可以有效降低銀墨料在電極處出現(xiàn)的電遷移現(xiàn)象，增強(qiáng)器件的使用安全性。墨料制備過程綠色環(huán)保，不使用對環(huán)境和人體有毒副作用的化學(xué)物質(zhì)。

（作者系哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）材料科學(xué)與工程學(xué)院教授）