首先，印刷電子本身是一個專有名詞。印刷電子的定義，簡而言之即“印刷 電子”，是利用傳統印刷技術來制作電子器件或電路。傳統印刷技術就是我們所熟知的印刷報紙與雜志的技術。傳統印刷報紙的技術為什麼可以用來印刷電子？我們印刷報紙或雜志用的是黑白或彩色油墨。如果把這些僅是表達顔色的油墨換成具有電子功能的油墨，印刷出來的圖形就具有了電子功能。

我們大量使用的各種電子設備中的集成電路芯片IC包括印刷電路闆PCB（PrintedCircuit Board）都是通過複雜的光刻、顯影、刻蝕等一系列加工步驟實現的，例如圖表1（a）所示的工藝流程。圖表1（b）展示的是印刷加工的工藝流程。同樣是将一種功能材料在平面基底上制作成圖形結構，傳統集成電路芯片的加工方法要經過從鍍膜（a）到去膠（h）等8個步驟，而印刷加工則隻需要兩步。印刷方法可以直接将功能材料以圖形化方式沉積到基底表面，隻需要額外的燒結工藝，将墨水材料燒結成固體材料，就形成了與傳統工藝需要8步才能實現的同樣的圖形結構。

圖1 傳統集成電路芯片加工與印刷加工的比較（a）傳統平面微納米加工（b）印刷加工

印刷加工與我們現在已經熟知的3D打印一樣，本質上是一種增材制造技術。而圖表1(a) 中所示的傳統集成電路芯片加工或各種電子設備中常見的電路闆制造技術，都是減材制造技術，即通過等離子刻蝕或酸液腐蝕将不需要的材料去除，形成功能材料的圖形結構。印刷增材制造有5個優點：

（1）不依賴基底材料的性質。集成電路芯片隻能在矽基半導體晶圓上制備，平闆顯示中的液晶顯示屏隻能在玻璃基闆上制備。而印刷可以在任何材料表面沉積功能材料。這就使得在塑料、紙張、布料等大量低成本柔性材料表面制造電子器件與電路成為可能。所以，印刷電子與柔性電子密切相關。事實上，印刷是制備柔性電子的最佳技術。

（2）印刷可以大面積與批量化制造。傳統印刷技術已經可以在數米寬的材料表面通過高速連續卷對卷方式印刷報紙或印染布匹。同樣方法也适用于印刷電子功能材料；集成電路芯片加工目前可以實現的最大晶圓尺寸隻有300毫米直徑，而印刷電子器件可以在1米以上的面積上實現。

（3）印刷電子制造是低成本的。這種低成本來自于印刷設備的低成本，通常一台設備就可以完成全部印刷制造環節；來自于印刷材料的低成本，尤其是各種低成本塑料或紙張基底材料；來自于高速連續卷對卷批量化印刷導緻的單個器件的低成本。

（4）印刷增材制造是綠色環保的。一方面增材制造本身減少了原材料浪費，減少了因腐蝕而形成的污染排放；另一方面，印刷本身大多沒有高溫工藝環節，節省了能源，減少了碳排放。

（5）印刷制造中的噴墨打印方法具有數字化與個性化制造的特征。與3D打印的個性化制造特征一樣，噴墨印刷電子不需要模闆，可以快速制造小批量個性化電子産品。

所以，大面積、柔性化、個性化、低成本、綠色環保是印刷電子制造區别于傳統電子制造的主要特征，也是印刷電子技術近年來蓬勃興起的重要原因。

印刷本身是一個淵源悠久的技術，中國祖先在1000多年就發明了活字印刷術。上世紀70年代有機導體材料的發現開創了有機電子學這一新學科領域。科學界對有機電子學感興趣，不僅僅是出于科學好奇心，更重要的是有機聚合物材料有可能制備成溶液态，最終有可能以印刷方式大批量、低成本地制造有機電子器件。所以，有機電子學發展早期即已經有人開始将有機電子材料進行溶液化處理并用于制作晶體管的嘗試，到2000年時已經出現了全部用噴墨打印方法制備的有機場效應晶體管。

有機電子學在一開始發展時就以能夠低成本印刷制造為最終目的。但有機電子學發展到今天，印刷仍沒有成為有機電子器件的主流制造技術。這主要是因為溶液态有機電子材料（無論是小分子材料還是聚合物材料）的電荷遷移率（Charge Carrier Mobility，單位：cm²v^-1s^-1）總是不如真空蒸發的有機小分子材料，它們之間至少有一個數量級的差異。以代表第三代新型顯示的有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode,簡稱OLED）為例，目前主流OLED顯示面闆的制造技術仍以真空蒸發有機小分子發光材料為主，印刷制造OLED顯示屏的技術開發剛剛開始。

印刷電子技術的蓬勃發展得益于無機納米材料技術的發展與成熟，其曆史淵源隻有10年左右時間。通過考察Web of Science數據庫中與印刷電子相關的論文發表年代可以發現（圖2），以“印刷電子”（Printed Electronics）為關鍵詞的研究論文在2005年以後才逐年增加，2008年以後才有明顯增長，并不是與有機電子（Organic Electronics）的發展同步。究其原因，印刷電子技術是伴随着無機納米材料的應用才開始大規模發展起來。

圖2 印刷電子研究論文發表年代分布（國際Web of Sciences統計數據）

2000年之後，全球性的納米技術研究形成熱潮，各種納米材料被發現、被創造出來。納米尺度的無機固體材料（納米粒子、納米線、納米管等）本身具有多種優異的電子與光電性質，遠遠優于有機電子材料。而且它們可以通過分散方式制成墨水或油墨，然後用傳統印刷方式制成圖案。納米材料本身的性質賦予了這些印刷圖案結構以電荷傳輸性能、介電性能或光電性能，從而形成各種半導體器件、光電與光伏器件。

利用印刷納米材料電子制備電子器件的标志性事件是2008年美國Kovio公司宣布開發成功噴墨打印納米矽墨水制備的柔性射頻标簽（RFID），以及2009年韓國順天大學發表了通過卷對卷印刷制備基于碳納米管等無機納米材料墨水的RFID論文。盡管這些技術後來并沒有成功走向産業化，但它讓科技界與工業界看到，無機納米材料的确可以通過印刷集成為具有晶體管功能的電子器件。

以導電銀漿料為例，目前廣泛應用于晶矽太陽能電池面電極的微米尺度銀漿需要400度以上高溫燒結才能形成導電電極，而納米尺度的銀漿可以使燒結溫度降低到普通塑料甚至紙張能容忍的溫度，真正打開了印刷電子通向大面積、柔性化、低成本制備電子系統的大門。納米銀漿已大量用于印刷導電線路與電極，成為迄今為止應用最廣泛并最成功的印刷電子材料。

印刷電子自2009年以來在國際上開始成為一個獨立的學科與技術領域，其标志性事件是自2009年以後，國際上開始出現了以印刷電子為專題的國際學術會議。例如，以歐洲地區參加人員為主的大面積有機印刷電子國際會議（Large-area Organic and Printed Electronics Conference, 縮寫LOPEC）于2009年首次在德國舉辦。此前歐洲隻有與有機電子技術相關的學術會議。同是在2009年，以亞洲地區參加人員為主的首屆柔性印刷電子國際會議（InternationalConference on Flexible and Printed Electronics, 縮寫ICFPE）在韓國舉辦。這兩個代表性國際會議都首次将印刷電子列為會議核心議題。

2011年，塑料電子雜志 （ Plastic Electronics）專文介紹了納米材料在印刷電子技術中的應用前景，文章的标題就是《納米材料正成為印刷電子的代名詞（Nanomaterials are becoming synonymous with printed electronics）》。

2012年，由韓國倡導成立了國際印刷電子标準委員會，成為國際電工委員會IEC下屬的一個新的标準化制定組織（IEC-TC119）。

自2009年以來，多個工業發達國家包括歐盟委員會都開始了與印刷電子技術研發相關的政府研究計劃。例如，2009年英國成立了國家印刷電子中心；2010年韓國也建立了國家印刷電子中心。2011年日本成立了日本先進印刷電子技術研究協會（JAPERA）;2012年韓國啟動國家印刷電子發展計劃，計劃在6年時間中投資1725億韓元（約合10億人民币），發展印刷電子全産業鍊技術（Total solution）。同年，韓國也成立了國家印刷電子協會（KoPEA）。除了政府機構的研究計劃外，科技界與工業界都開始将注意力轉向這一新興技術領域。

中國的印刷電子發展起步于2010年，其标志性事件是，國内第一個印刷電子技術研究中心于2010年在中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所宣告成立。同年7月，在蘇州舉辦了國内首屆印刷電子技術研讨會。2011年，由北京印刷學院牽頭，成立了中國印刷電子産業創新聯盟；2012年，中國應邀出席了在韓國首爾召開的國際印刷電子标準委員會成立大會。中國印刷電子技術的研發與産業化活動從此進入國際視野。

2012年，由中科院蘇州納米所印刷電子中心團隊撰寫的《印刷電子學：材料、技術及其應用》專著由高教出版社出版,為在中國普及推廣印刷電子技術發揮了重要作用。

在國家層面，2013年由天津大學工程院士鄒竟教授領銜撰寫并向中國工程院提交了“中國印刷電子産業政策研究”的調研報告。2013年底，科技部高新技術中心組織了“西苑論壇”，召集國内專家研讨中國發展印刷電子的方案。2014年，由TCL研究院牽頭組織了三次研讨會，研究中國發展印刷顯示技術的規劃。在此基礎上形成了科技部重點研發計劃“印刷顯示”專項指南，并于2015年發布。在2016年與2017年兩年中，共有10個印刷顯示項目得到科技部專項資金的支持。印刷顯示成為印刷電子技術産業化方面的突破口，得到國家的優先支持。2018年4月廣州聚華印刷顯示公共技術平台展示了噴墨打印的31英寸高清OLED顯示屏；2018年10月京東方建成8.5代印刷顯示試驗線，并噴墨打印成功55英寸OLED顯示屏；2018年11月國家公布的37項變革性關鍵技術開發指南中，印刷電子技術赫然在列。

自2010年開始的國内印刷電子研讨會至今已舉辦了七屆，參會人數由首屆隻有20餘人到2017年200餘人參會。2014年，中國還首次主辦了第5屆國際柔性與印刷電子大會（ICFPE）。2018年，ICFPE國際會議再次回到中國，于9月25-28日在常州舉辦，參會人數超過800人。除了學術研讨外，自2012年以來每年在上海還舉辦與産業相關的印刷電子産業論壇，以及其他多個相關會議。印刷電子技術與産業已在中國獲得廣泛關注。

實現印刷電子産品主要涉及到5方面的技術：基底材料、可印刷電子材料、印刷設備、印刷工藝、系統設計與集成，這5項技術缺一不可。其中基底材料與印刷設備基本是現有技術。由于印刷本身是增材制造，對基底材料沒有特殊要求。基底材料的選擇主要取決于特定的産品形态。例如，柔性化、低成本要求等。印刷設備方面已經有傳統印刷工業作為基礎。當然，印刷電子與印刷報紙不同。印刷電子對設備有更高的要求，包括對各種電子墨水材料的兼容性、多層電子材料印刷的套印精度等。目前，國外許多傳統印刷與塗布設備制造廠商已經開始關注印刷電子技術的發展，開發出一些印刷電子專用設備，包括噴墨打印、絲網印刷、凹版印刷、柔版轉印等設備。分辨率在1微米左右的靜電噴墨打印和5微米左右的凹版印刷都已有商品化設備。一些設備已開始進入中國市場。以噴墨打印機為例，國外各種類型的噴墨打印系統都可以在國内大學與科研單位見到。一些大型的價值上千萬人民币的印刷系統也已經有中國買家。中國本土印刷電子設備企業也開始成長起來。包括深圳善營公司、昆山海斯公司、江蘇漢印公司、蘇州銳發公司等國内企業的印刷電子設備已經進入或開始進入國内市場，并向國際市場擴張。

圖3 印刷電子涵蓋的技術領域

可印刷電子材料是印刷電子的重點研究領域。實現印刷電子制造的前提是要有針對應用需求的電子墨水材料。電子墨水分為有機與無機兩大類。有機電子材料的最大特點是分子可設計性。通過有機合成技術可以創造出不同的新型有機電子材料，不斷發現性能更好的材料。過去40年有機電子技術發展史也是不斷創造新材料，不斷提高有機電子材料性能的曆史。有機電子材料本身又分為聚合物材料與小分子材料。有機聚合物電子材料的特點是易于溶液化，可印刷性好，但電學性能不如小分子材料。而小分子材料恰好相反，電學性能勝過聚合物材料，但不易溶液化，更适于真空蒸發沉積。最近幾年，有機電子材料發展有了大幅度進步，電荷遷移率與環境穩定性都有明顯提高，這方面的研究已有大量論文發表，但距實際應用要求仍有差距。

無機納米材料的可選擇種類則非常有限。将無機納米材料應用于印刷電子的主要技術障礙是如何将它們墨水化。無機納米材料的通常形态是納米粒子、納米線、納米片或納米管等。制備無機納米材料墨水的主要途徑包括将納米粉體包覆表面活性劑并分散在溶液中，或者将其前驅體溶液印刷後再還原成本體納米材料。由于無機納米材料具有天然的優異電學性能與環境穩定性，基于無機納米材料的電子墨水更具有實用性，因而更先一步市場化。以納米銀導電墨水為例，國内外已有衆多的公司推出種類繁多的基于納米銀粒子與納米銀線的商品導電墨水或漿料。印刷納米銀的電子電路也成為最常見的印刷電子應用實例。

印刷的電子墨水必須轉化固體形态才能表現出應有的電學性能。實現電子墨水向固體轉化的主要方法是燒結，主要技術手段是高溫烘烤燒結或光子輻照燒結。有機電子墨水一般不需要高溫燒結，大多也不允許高溫處理。無機電子墨水則通常需要高溫燒結。發展納米尺度的無機印刷電子材料的一個重要原因是把燒結溫度降下來。當無機納米材料單體的尺度減小至100納米以下後，所制備的墨水材料的燒結溫度一般可以降到150°C以下，達到一般塑料基材可容許的溫度。另一種方法是光子燒結，可以在不提升基底材料溫度的條件下實現納米墨水材料的高溫燒結。因為某些波長的光子能量可以選擇性地被金屬納米材料吸收産生高溫，但對基底材料無吸收或吸收很少，避免了基底材料被高溫損傷。除了燒結工藝外，印刷工藝還包括基底表面處理工藝，包括表面親水或疏水處理，以增加墨水在基底表面的黏附力或減少墨水在基底表面的橫向擴散。成功的印刷電子制造是印刷設備、印刷電子材料與印刷工藝相互匹配相互适應的綜合作用結果。

印刷制造的電子系統在形态上和性能上都不同于傳統電子技術。最典型的例子是，印刷的晶體管不同于傳統集成電路芯片中的矽基晶體管，印刷制備的柔性電路不同傳統的PCB。因此，傳統電子系統的設計方法不再适用，傳統的系統集成技術也需要改變。

印刷電子可以在太多的領域發揮它的作用。圖表4概括了印刷電子技術潛在的應用領域，該信息來源于國際有機電子協會（OE-A）在2015年發布的有機與印刷電子技術報告。由于印刷電子本身的大面積、柔性化與低成本特點，所創造的電子産品具備了傳統電子系統所沒有的新形态、新特征。

例如，通過印刷可以直接将電子智能系統集成到包裝材料上，而不是目前這種單獨制造電子系統，然後通過貼片等方式添加到包裝材料上。這些電子智能系統包括物流信息、防僞信息，與使用者互動的功能，或者增加可觀賞性、實現與其他同類産品差異化等。印刷智能包裝本身正在成為一個新産業。

再如汽車電子，傳統分立的汽車電子系統完全可以通過3D印刷電子技術（在3D結構表面構造電子系統）與汽車結構件形成一體。類似的還有其他各種潛在應用，由此産生了多個新的電子技術門類，例如結構電子技術（Structural electronics）和 模内電子技術（In-Mould Electronics）。

傳統智能織物技術是将功能纖維編織到布料中。而新型電子漿料的開發可以直接在布料表面印刷形成電路，實現紡織電子功能，包括多種實用功能和時尚功能。

至于通過印刷實現的柔性OLED照明與柔性太陽能電池，這些技術早已開發多年，隻是在等待市場時機。一旦爆發，将勢不可擋。

圖4 印刷電子應用領域

印刷電子另一個可預見的應用爆發領域是物聯網（IoT）。物聯網不僅僅是“網”，更重要的是“物”。将“物”聯到“網”，需要海量的與“物”相連的傳感器。國外在2013年就已經預測到在未來10年中要實現物聯網，全球需要萬億個傳感器，進入所謂“萬億傳感器社會”。這些萬億傳感器不可能完全依賴于矽基集成電路制造工藝實現。海量的處于價值鍊低端的“物”需要有與本身價值相匹配的傳感器，國外在2013年就已經預測，印刷制造将成為實現萬億傳感器的重要途徑之一。基于印刷電子技術的傳感器具有天然的低成本屬性，可以将網連接到海量的低價值物端，實現諸如物流追蹤與溯源、防僞的智能包裝、冷鍊運輸監測、電子票證、電子标識符顯示、建築與機械結構件疲勞與失效監測、健康醫療監測與檢測、機器人智能皮膚等衆多新應用。

印刷本身是一種制造技術，可以運用在許多産業領域，正如3D打印可以用來造房子、制作飛機零件、打印人體器官，甚至做食品。印刷電子涵蓋的産業領域首先體現在産品端。上一節中已經描述了衆多印刷電子的應用領域。任何這些應用隻要有合适的産品與足夠大的市場，都可以形成一個産業。以下通過一些實際例子來說明印刷電子可以催生的産業領域。

太陽能電池領域一直是印刷電子的一個重要産業領域。衆所周知，傳統晶矽太陽能電池的表面栅電極是通過絲網印刷導電銀漿制備的，這本身就是印刷電子的一個重要應用領域。近年來随着太陽能電池成本空間的壓縮，晶片厚度減薄，晶矽太陽能電池産業界開始關注非接觸的噴墨打印栅電極技術。至于有機太陽能電池與最近幾年蓬勃發展的鈣钛礦太陽能電池，更是以印刷制造技術作為降低成本的主要手段。

生物傳感器尤其是血糖試紙傳統上一直依賴印刷制造技術。唯印刷可以大批量低成本制造這些傳感器。全球血糖試紙的市場巨大，由此造就了印刷電子的一個重要産業領域。除了血糖試紙外，其他多種基于塑料與紙基的生物傳感器也顯現了低成本印刷制造的優勢。根據英國IDTechEx公司的市場數據，2016年全球印刷傳感器的市場已達到65億美元。

随着可溶液化的OLED材料的開發，印刷顯示正在形成一個新的産業。日本JOLED公司經過多年開發，于2018年推出的第一款印刷OLED顯示屏産品。中國在科技部印刷顯示重點研發計劃支持下，多個顯示面闆龍頭企業也在投資建設印刷OLED顯示屏生産線，其中京東方已在合肥建成8.5代印刷顯示試驗線，并成功噴墨打印制造出55英寸OLED電視面闆。

印制電路版（PCB）産業可以通過采用真正的印刷增材制造技術創造傳統光刻腐蝕技術無法實現的新型産品，例如大面積柔性電路産品。由于印刷本身的分辨率限制與多層套印精度限制，印刷制備的導電電路還無法完全取代目前黃光制程制備的PCB，但在不需要多層電路，不需要超細電路，不需要大電流的應用領域，印刷電子技術已經在發揮重要作用。例如，觸摸屏的引線電路主要依賴絲網印刷導電銀漿實現。而對于超小批量的PCB，通過噴墨打印實時制造比傳統黃光制程制造更有成本優勢，而且周期短，可以随時更改設計。傳統腐蝕方法制備PCB以及RFID天線都存在腐蝕液排放的污染問題。盡管PCB與RFID天線制造企業在努力控制污染排放，但一個不争的事實是，污染源仍然存在，中國東南沿海各級地方政府早已明令禁止新建這類企業，并要求現有這類企業實現“零”排放。印刷增材制造則可以實現綠色制造，為這個産業帶來新的生機。目前基于印刷納米銀的RFID天線已經與刻蝕鋁天線在成本上具有一定競争力。随着納米銅漿技術的成熟，印刷納米銅的RFID天線在降低成本方面勝過刻蝕鋁天線。對于紙基電子标簽應用，傳統刻蝕鋁天線必須先做在塑料基底上，然後複合到紙基标簽。印刷RFID天線可以直接印在紙基材料上，不需要通過複合環節，成本可以進一步降低。

與印刷OLED、印刷太陽能電池，以及印刷晶體管等印刷電子技術相比，更接近産業化與市場的是直接印刷導電或導熱材料，創造大面積柔性化新産品。印刷（包括塗布）納米銀材料（銀納米粒子或銀納米線）已經成為取代氧化铟錫（ITO）透明導電材料制作大尺寸透明導電膜的首選技術。這種新型透明導電膜比ITO透明導電膜有更高的導電性與更好的柔性，已經應用于大尺寸觸摸屏産品。石墨烯材料的成功商業化應用也是通過印刷石墨烯漿料實現的，包括印刷石墨烯的各種加熱與散熱産品。

印刷電子創造的每一種産品都可以造就一個産業，而輔助這些産業的是印刷電子産業鍊的上遊端，即材料與設備。事實上，導電銀漿本身已經是一個巨大的産業。根據英國IDTechEx公司的市場數據，2016年全球導電墨水（Conductive ink）的市場已達到13億美元。印刷電子專用設備也已形成一個産業，這些設備包括噴墨打印設備，卷對卷連續印刷設備，用于導電漿料燒結的光子燒結設備等。國内外都已出現專門提供這些設備的供應商。随着各種印刷電子産品市場的擴張，這個産業鍊将越來越成熟完善。

本文節選自《柔性印刷電子産業發展白皮書（2018版）》

科钛與飛整理

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