印刷技術(shù)論文的簡(jiǎn)單介紹

導讀

最近，英國劍橋大學(xué)、中國、意大利的研究人員展開(kāi)合作，利用傳統的噴墨打印技術(shù)，以及廉價(jià)、安全、環(huán)境友好的石墨烯油墨，將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上，為未來(lái)智能織物和可穿戴電子設備的制造又帶來(lái)了一種新的方案。

關(guān)鍵字

印刷電子、材料、柔性、可穿戴

背景

傳統的硅基集成電路制造技術(shù)非常復雜且需要巨額投資，所以其制造工藝完全壟斷在少數大公司手中，例如臺積電、三星、英特爾、格羅方德、中芯國際。然而，隨著(zhù)半導體新材料技術(shù)發(fā)展，特別是溶液化的有機和無(wú)機半導體材料的研發(fā)，使得利用傳統印刷技術(shù)制造各種電子元器件變得可能。溶液化有機與無(wú)機半導體材料的最大特點(diǎn)就是：不依賴(lài)于基底材料的導體或半導體性質(zhì)，可以以薄膜形態(tài)，通過(guò)蒸發(fā)、旋涂或印刷的方式沉積到任何材料上。

印刷電子產(chǎn)品的最大優(yōu)勢就是：柔性化、低成本、大面積、綠色環(huán)保，這些都與硅基微電子產(chǎn)品形成強烈對比。印刷電子可以印刷任何可以油墨化的材料，制作在任何襯底材料上，因此印刷電子與其他如有機電子、塑料電子、紙電子、柔性電子、透明電子以及可穿戴電子都有相通性。雖然，目前印刷制作的電子器件性能比不上硅基微電子器件，但是其成本、大面積、柔性化等優(yōu)勢，使得這項技術(shù)仍然可以應用于傳統硅基微電子器件無(wú)法應用的廣闊領(lǐng)域。這一技術(shù)有望形成一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，引導電子技術(shù)的變革。

對于印刷電子技術(shù)這個(gè)前沿科技領(lǐng)域，筆者之前一直就非常關(guān)注，也介紹過(guò)一些相關(guān)的創(chuàng )新成果，例如：

案例一：美國密歇根州立大學(xué)的科研人員研制出世界上首個(gè)完全由噴墨打印機制造的可伸縮的集成電路，例如研發(fā)團隊成功制成了柔性材料、電路、有機發(fā)光二極管（OLED）。這項技術(shù)將有利于未來(lái)智能織物的廉價(jià)量產(chǎn)。

（圖片來(lái)源： Kurt Stepnitz / 密歇根州立大學(xué)）

案例二：美國杜克大學(xué)首次完全通過(guò)噴墨打印的方式，通過(guò)納米油墨制造出柔性的憶阻器存儲設備，未來(lái)這項技術(shù)有望應用于柔性電子設備包括RFID、環(huán)境傳感器等領(lǐng)域。

（圖片來(lái)源：杜克大學(xué)）

我們要介紹的創(chuàng )新技術(shù)與印刷電子所需要的導電油墨相關(guān)。導電油墨應用前景廣闊，例如印刷柔性電子器件：射頻識別（RFID）天線(xiàn)、晶體管、太陽(yáng)能電池。為了滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)和柔性電子設備的發(fā)展，我們需要使用穩定、導電、無(wú)毒的器件，低成本且高效地生產(chǎn)電子設備。

石墨烯，是一種非常典型的二維材料。從結構上來(lái)講，石墨烯是由一層碳原子組成，具有蜂巢結構的單層薄片。由于其結構特殊，石墨烯在導電、導熱、強度、穩定性等方面的都具有優(yōu)秀的特性，也十分適合作為導電油墨使用。

（圖片來(lái)源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

我們先來(lái)回顧一下之前介紹過(guò)的與石墨烯導電油墨相關(guān)的創(chuàng )新進(jìn)展。

案例三：英國曼徹斯特大學(xué)研發(fā)出一種固態(tài)的柔性超級電容設備，它通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)，采用石墨烯氧化物導電油墨，直接將該設備打印在紡織品上。因為油墨和紡織品襯底之間具有強大的交互作用，這種印刷的電極具有卓越的機械穩定性。這項研究巧妙地將石墨烯技術(shù)應用于印刷電子設備，有效地促進(jìn)了可穿戴技術(shù)的發(fā)展。

（圖片來(lái)源于：曼徹斯特大學(xué)）

案例四：歐盟石墨烯旗艦項目和英國劍橋大學(xué)石墨烯中心的科研人員一起開(kāi)發(fā)了一種新工藝，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高濃度、水基的石墨烯導電油墨。該工藝利用微流化法的超高剪切力，從石墨中剝離出石墨烯薄片，將原始的石墨材料100%轉化為有用的導電油墨片，并且無(wú)需離心分離處理，節約了生產(chǎn)油墨的時(shí)間。

（圖片來(lái)源：James Macleod/劍橋大學(xué)工程系）

然而，除了石墨烯，其他二維材料也可用于制造導電油墨，我們再來(lái)看以下的案例。

案例五：愛(ài)爾蘭都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院的科研人員最近利用二維納米材料，例如：石墨烯、氮化硼、二硒化鎢納米片制成的油墨，首次制造出了印刷而成的晶體管。這種低成本、可量產(chǎn)的技術(shù)，可打印例如太陽(yáng)能電池、LED等電子設備，應用于智能食品、藥物標簽、下一代紙幣、電子護照等產(chǎn)品。

（圖片來(lái)源：都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院）

案例六：由芬蘭阿爾托大學(xué)、英國劍橋大學(xué)、英國倫敦帝國理工學(xué)院和中國北京航空航天大學(xué)的研究人員組成的國際跨學(xué)科科研小組，開(kāi)發(fā)出一種由黑磷材料組成的油墨，可用于噴墨印刷光學(xué)電子器件。

（圖片來(lái)源：劍橋大學(xué)）

創(chuàng )新

今天，我們再來(lái)了解一項最新的相關(guān)創(chuàng )新成果。最近，英國劍橋大學(xué)以及來(lái)自中國以及意大利的研究人員展開(kāi)合作，利用傳統的噴墨打印技術(shù)和廉價(jià)、安全、環(huán)境友好的石墨烯和其他二維材料制成的油墨，將可洗、可拉伸、透氣的電子電路直接印刷到織物上。這種集成電路穿戴舒適，并經(jīng)得起普通洗衣機達20次的洗滌。這種低成本、可持續、可擴展的油墨通過(guò)標準化的處理技術(shù)進(jìn)行制造。

（圖片來(lái)源：Felice Torrisi）

這項研究為未來(lái)智能織物和可穿戴電子設備的制造又帶來(lái)了一種新的方案。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然通信》（Nature Communications）雜志。

這項研究受到了石墨烯旗艦項目、歐盟研究委員會(huì )的協(xié)同撥款、工程和物理科學(xué)研究委員會(huì )、The Newton Trust、中國國家自然科學(xué)基金委員會(huì )國際研究獎學(xué)金、中國科技部的贊助。這項技術(shù)已經(jīng)由劍橋企業(yè)（該大學(xué)的商業(yè)化機構）進(jìn)行商業(yè)化。

技術(shù)

在對于印刷電子技術(shù)采用的石墨烯油墨的早期構想工作基礎上，團隊設計出低沸點(diǎn)油墨，可以直接印刷到聚酯織物上。此外，他們發(fā)現改變粗糙的織物，將改善印刷電子設備的性能。這項工藝用途廣泛，使得研究人員不僅可以設計出單個(gè)晶體管，還可以設計出全印刷的集成電子電路，它將結合主動(dòng)和被動(dòng)組件。

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

（圖片來(lái)源：參考資料【2】）

目前，大多數的可穿戴電子設備依賴(lài)于安裝在塑料、橡膠或者織物上的剛性電子元件。在許多情況，這些元件與皮膚的兼容性有限，在清洗時(shí)容易損壞，而且因為它們不透氣，所以穿戴起來(lái)不舒適。

劍橋大學(xué)石墨烯中心的博士、論文的高級作者 Felice Torris 表示：

“用于印刷電子的其他油墨通常需要有毒的溶劑，且不適合穿戴，而我們的油墨廉價(jià)、安全、環(huán)境友好，可以通過(guò)在織物上簡(jiǎn)單地印刷不同的二維材料，合成制造出電子電路?！?

論文的合著(zhù)者米蘭理工大學(xué)的教授 Roman Sordan 表示：

“數字化的織物印刷已有幾十年歷史，它可以將著(zhù)色劑簡(jiǎn)單地印刷到織物上，但是我們成果顯示了該技術(shù)首次用于在織物上印刷整個(gè)電子集成電路。盡管我們展示的集成電路非常簡(jiǎn)單，但是我們的工藝是可擴展的，并且利用我們的技術(shù)開(kāi)發(fā)可穿戴電子設備，在復雜度和性能方面并沒(méi)有根本性障礙?！?/p>

論文的第一作者、博士生 Tian Carey 表示：

“這種印刷的組件具有柔性、可洗、功耗低等特性，可以滿(mǎn)足可穿戴電子器件應用的基本需求?！?/p>

價(jià)值

這項研究為二維材料油墨帶來(lái)了一系列商機，例如：個(gè)人健康技術(shù)、可穿戴的能量采集和存儲、軍服、可穿戴計算、時(shí)裝。

Torrisi 表示：

“將紡織纖維轉化為功能性的電子元器件，將帶來(lái)一系列的全新應用，從醫療保健到物聯(lián)網(wǎng)。有了納米技術(shù)，我們的服裝未來(lái)將集成這些基于織物的電子器件，例如顯示器或者傳感器，變得具有互動(dòng)性?！?/p>

使用石墨烯和其他二維材料（GRM）的油墨制造出可以集成到面料和創(chuàng )新織物中的電子元器件和設備，將成為智能織物行業(yè)新技術(shù)進(jìn)展的中心 。

參考資料

【1】http://www.cam.ac.uk/research/news/fully-integrated-circuits-printed-directly-onto-fabric

【2】Tian Carey, Stefania Cacovich, Giorgio Divitini, Jiesheng Ren, Aida Mansouri, Jong M. Kim, Chaoxia Wang, Caterina Ducati, Roman Sordan, Felice Torrisi. Fully inkjet-printed two-dimensional material field-effect heterojunctions for wearable and textile electronics. Nature Communications, 2017; * (1) DOI: 10.10* * /s* 1* * 7-017-01210-2

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