带你全面了解印刷电子 用印刷技术低成本地制造产品(图)

　　

　　

　　【慧聪印刷网】

　　印刷电子(一)：首先从电子书和照明产品启动

　　印刷电子(Printed Electronics)”是指利用印刷技术低成本地制造产品的技术。其产品化将从电子书终端和有机EL照明产品这两个领域开始。印刷电子将成为创造出独有产品的强有力工具。

　　“厚度薄，重量轻，抗断裂”。厂商利用印刷技术低成本制造拥有这些特点的电子产品的动向接连不断(图1)。

　　

　　图1：从可印刷到成功印刷

　　此前处于概念阶段的可印刷电子，已经开始扩展到显示器和照片产品等实际产品中。可印刷电子正在逐步转变为印刷电子。

　　美国Plastic Logic在2010年初上市的电子书终端“QUE”就是一个典型的案例。QUE中配备的美国E Ink公司生产的电子纸，虽然尺寸达13.9英寸左右(8.5×11英寸)，不过终端厚度还不到1/3英寸(约为8.5mm)。乍一看上去，就像是一张信纸大小(Letter Size)的厚纸。QUE的重量比一本杂志还轻，而且不容易断裂，因此非常适合于繁忙的商务人士将其放入皮包中随身携带 注1)。

　　注1)QUE可通过Wi-Fi或AT&T的3G无线通信功能下载内容。

　　实现这些特点的关键是在塑料底板上通过印刷技术进行制造的有机晶体管(TFT)技术。由于无需采用玻璃底板便可制成电子纸的驱动电路，因此可以实现厚度薄、重量轻、抗断裂的电子书终端。将来，有可能将TFT制造工序的大部分改由印刷技术实现，从而大幅降低制造成本。此前也曾有过有机TFT驱动电子纸的试制例子，不过应用于实际产品的先例还几乎没有。

　　美国通用电气(General Electric, GE)将在2010～2011年推出采用卷对卷工艺制造的柔性有机EL照明产品。该公司GE全球研究中心电子材料系统尖端技术主管Anil R. Duggal充满信心地表示，“实现有机EL照明普及的最关键因素是低成本化。除了采用卷对卷工艺进行制造外，其他的方法都不可能降低成本”。该公司已经成功地制造出了试制品，正在着手解决寿命延长等课题。

　　索尼开始致力于利用印刷技术生产柔性有机EL面板的业务。该公司通过2009年6月改变组织结构，将此前分散在公司内部的有机TFT研究人员汇集到了一起，确立了尽快开展柔性有机EL面板业务的体制。如果能够实现薄、轻、柔的显示器，“将可以根本性地改变此前已经定型的产品外观设计”(索尼核心部件开发总部 显示器元件开发部门 柔性显示器开发部 统括部长、主任研究员野本和正)。

　　这种利用印刷技术在塑料底板上形成TFT、布线、受光元件以及发光元件的技术，被称为印刷电子。此前，印刷电子技术尚未走出“有望”的阶段，因此多被称作可印刷电子(Printable Electronics)。近来已经开始应用于实际产品中，因此“就像将印刷底板称作印刷电路(Printed Circuit)一样，越来越多的技术人员将其称作印刷电子(Printed Electronics)”。

　　

　　

　　印刷电子(二)：生产竞争对手制造不了的产品

　　印刷电子正快速走向实用化的原因在于成品厂商的愿望迫切，即“希望生产出其他竞争对手无法实现的产品”。

　　现在已经进入了谁都能轻松制造出液晶电视等数字家电的时代。最好的例子就是销售低价位液晶电视的美国VIZIO。该公司采用将设备生产委托给大型EMS厂商的水平分工业务模式，实现了价格破坏。在这种情况下，许多成品厂商被迫卷入低价格竞争中，无法发挥自己的独特优势。

　　这种局面有可能被印刷电子所改变。印刷工艺所使用的材料和处理方法中含有大量的技术诀窍，并不是任何厂商都可以轻松制造的。因此，有望构筑垂直整合型的业务体制，即由厂商自己生产核心元件，以创造出具有差异性的产品。可以说，索尼之所以致力于开发通过有机TFT进行驱动的柔性有机EL显示器，也是为了实现产品的差异化。

　　新颖创意层出不穷

　　事实上，大型成品厂商已经提出了一些以印刷技术为前提的新颖创意(图2)。例如，索尼提出了把通过印刷技术制造的一张柔性显示屏，折成两张使用的笔记本电脑概念。除了将弯折后的一半屏幕用作显示屏、将另一半用作触摸面板式键盘外，还设想将其展开后成为一张大显示屏。为了实现这样的产品，索尼正在加紧开发通过有机TFT进行驱动的柔性有机EL面板。

　　

　　图2：可实现此前没有过的产品

　　在连续时间方式的ΔΣ型A-D转换器中，没有针对模拟输入的采样器，输入被直接连接到处理连续信号的环路滤波器(积分器)中。(点击放大)

　　韩国三星移动显示器(Samsung Mobile Display)提出的概念则是一款便携产品，可以将显示屏缠绕收纳于只有钢笔大小的细长外壳上。为了在配备便于浏览Web网站等的大画面显示屏的同时，又将便携产品的外形尺寸抑制在较小水平，“必须采用能够卷起来收纳的柔性显示屏”(三星技术中心主任工程师Dongun Jin)。为此，该公司正在致力于开发采用氧化物半导体的柔性有机EL面板 注2)。

　　注2)目前正在通过溅射形成氧化物半导体。在三星集团内部，还在推进通过印刷技术制造氧化物半导体的研究。

　　印刷电子还有望为设备生产成本的降低做出较大贡献。例如，通过印刷技术制造的有机太阳能电池预计不仅可以轻薄、柔软地进行生产，还能将制造成本降至1美元/W以下，仅为现有太阳能电池的1/2～1/4(图3)。原因在于可以大幅降低设备成本。如果是大量使用真空装置的非晶硅太阳能电池，则需要向发电能力为1GW/年的生产线进行约2000亿日元的设备投资。而如果是通过印刷技术制造的有机太阳能电池，“则可以将设备投资降至1/10以下”(三菱化学OPV业务推进室统括部长山冈弘明)。

　　

　　图3：有望实现超越其他技术的低成本化有望通过采用印刷工序，以极低的成本生产太阳能电池。目标是在提高转换效率的同时，将模块价格降至1美元/W以下。来源于三菱化学的资料。

　　 

　　 

　　

　　

　　 印刷电子(三)材料技术的进步起到支撑作用

　　材料及印刷技术的迅速进步推动了印刷电子的产品化进程。

　　几年前，通过印刷技术制造的有机半导体的迁移率仅为0.01cm2/Vs～0.1cm2/Vs(图4)。这个水平要比液晶面板驱动元件等使用的非晶硅低1～2位数。但即便是这个水平，也可以实现低速切换静止图像的电子书，但是难以处理流畅的视频。日本产业技术综合研究所光技术研究部门有机半导体元件小组研究组长、筑波大学研究生院数理物质科学研究科教授镰田俊英指出，难以描绘出持续提高电子书性能的蓝图“是当时电子书未能实现产品化的最大原因”。

　　

　　图4：高迁移率的材料纷纷亮相

　　迁移率超过非晶硅的的塗布型半导体材料纷纷亮相。不仅是此前大量存在的有机半导体，氧化物半导体和碳纳米管等的开发也在推进中。根据日本产业技术综合研究所的资料制作而成。

　　近几年来，关于迁移率超过1cm2/Vs的有机半导体的报道接连不断。除了对材料本身进行了改良之外，“还有很多虽然使用相同材料，但通过改进印刷方法提高迁移率的例子”(日本千叶大学研究生院工学研究科教授、尖端科学中心主任工藤一浩)。此外，迁移率高达10cm2/Vs～100cm2/Vs的氧化半导体及碳纳米管的提案也越来越多，电子书实现高功能化变得越来越容易 注3)。可以说，通过印刷技术制造的电子书是推动电子书实用化的一个重要因素。

　　注3)虽然已经有通过印刷技术制造的氧化物半导体和碳纳米管具有高迁移率的报道，不过还存在着氧化物半导体的形成温度高于有机半导体等课题。

　　如果TFT的性能以进一步得到提高，那么不仅是电子纸，还可以驱动液晶和有机EL。实际上，许多厂商的想法正是“希望通过电子书来推进有机TFT的高性能化，一边将其用于有机EL显示器业务”(大日本印刷公司研发中心Ambient电子研究所所长前田博己)。

　　普及蓝图清晰可见

　　利用印刷技术制造的电子书和有机EL照明产品等一旦开始量产，印刷电子市场估计会在较短的时间内迅速扩大。

　　这一点可以根据色素增感型太阳能电池的市场发展情况预见到。色素增感型太阳能电池中使用的钌(Ru)络化物以前非常昂贵，价格高达10万日元/g。但几年前，英国G24 Innovations公司(G24i)等先行厂商提出量产计划后，材料厂商便构筑了量产体制，目前钌络化物的价格已经低至几千日元/g。由此，从事色素增感型太阳能电池业务的企业一下子增加了许多。

　　同样的情况也很有可能会发生在其他材料上。据介绍，印刷电子中使用的大部分材料，其原料本身的价格并不高，但由于产量较少，因此使得精炼工序的人工费所占比重增加。如果材料厂商开始全面量产，“那么材料成本就会一下子降低，从而加快印刷电子的普及”(日本桐荫横浜大学研究生院工学研究科教授、Peccell Technologies董事长宫坂力)。

　　事实上，面向电子书的材料市场已经开始行动起来。大型有机TFT相关材料厂商德国默克集团(Merck KGaA)表示，“目前，针对电子纸的询函正在迅速增加”(默克日本新技术开发总部新业务开发部业务开发小组的川俣康弥)。原因是自从Plastic Logic公司宣布要在2010年初推出产品后，跟风进入该市场的厂商越来越多。

　　企业开始重视环境问题也将促使印刷电子市场进一步扩大。当采用印刷技术形成某个电路图案时，与使用真空装置的原制造方法相比，前者可以将工序数量削减至后者的1/4左右，同时大幅抑制能量和材料的使用量(图5)。因此，企业可能会加速“将印刷电子技术用作降低生产时环境负荷的撒手锏”(东京大学工学系研究科电气系工学专业教授染谷隆夫)。

　　

　　图5：可通过较少的工序来节约能量与材料由于印刷技术与原来的制造工序相比可以大幅削减工序数量，因此不仅可以抑制设备投资，还可以减少能量和材料的使用量。根据索尼的资料制作而成。

　　 

　　 

　　 

　　 

　　 

　　

　　

　　印刷电子(四)：日本迎来反攻机会

　　“有技术，无资金”。对于被如此评价的日本设备厂商来说，印刷电子产业可以说是其再次掌握产业主导权的千载难逢的好机会。原因是产业形态将发生大变化。以硅为代表的现有电子产业是装置依赖型，而印刷电子产业的发展方向是“不依赖于装置的材料主导型”(日本SP Solution公司代表董事佐野康)。

　　在装置依赖性较强的现有电子产业中，难以制定出由设备厂商自制核心部件的垂直整合型战略。例如，硅产业的生产线需要几千亿日元的投资。而且，制造经验与诀窍的大部分都被嵌入到了装置中后销售给其他厂家，因此难以在技术方面与其他公司形成差异化。事实上，在LSI和液晶面板等的制造中，正在逐渐变为投资竞争而非技术竞争。

　　而在印刷电子领域，厂商可以从上述的投资竞争中摆脱出来，凭借技术实力进行竞争。例如，在丝网印刷中，只要有印版和油墨，人工都可形成线宽为50μm的微细布线图案(图6)。也就是说，印刷电子无需大规模的设备投资。说得极端一点，装置无所谓，通过材料的组合、印版的选择以及后处理的改善就可以形成自己的特点。大多数观点认为，材料、后处理方法与第三方企业的装置一同提供的时代还需要经过相当长的时间才会到来。

　　

　　图6：手工印刷50μm的布线图案

　　如果使用合适的印版和油墨，便可以手工印刷50μm的布线图案。印刷电子不是像硅产业那样的装置依赖型。

　　另外，在印刷电子领域，“即使对成品进行拆解和解析，也难以搞清楚制造方法”(日本产业技术综合研究所的镰田)(图7)。例如，在制造工序的过程中，油墨中所含的溶剂会产生挥发或是材料本身会发生化学变化，因此即使买来制造出的产品进行解析，也难以辨别出制造方法。如上所述，材料和印刷等技术实力出色的日本厂商发起反攻的环境正在逐渐完善。

　　

　　图7：材料技术不易被模仿

　　印刷电子的特点是印刷中使用的溶剂等不会残留在元件内，因此相对地难以通过第三方进行解析，不易被其他公司模仿。完全不同于将制造经验嵌入到装置中的硅产业。(点击放大)

　　与正在逐渐完善的反攻环境相反，日本厂商的应对则显得缓慢。虽然以索尼为首的部分厂商已经开始加速开发与印刷电子相关的技术，不过大多数设备厂商仍持观望态度。在极为重要的材料方面，“处于被默克集团等海外厂商所控制的状况”(日本大阪大学产业科学研究所教授菅沼克昭)。

　　在默克集团所在地欧洲，除了印刷电子的开发外，涉足制造的举措越来越活跃。例如，上市电子书的Plastic Logic公司的显示器工厂就位于德国的德累斯顿(Dresden)。制造有机太阳能电池的G24i公司的工厂位于英国。生产基地向亚洲扩展的现状有可能会发生改变。

　　对于欧洲的动态，日本厂商不能袖手旁观。汇集了优秀材料厂商和装置厂商的日本更应该涉足这一领域。正因为印刷电子是能够实现产品制造差异化的领域，就更需要日本企业从现在起就积极从事。

　　

　　

　　印刷电子(五)：可在100℃及常温下形成的低电阻布线技术亮相

　　在印刷电子实用化进程中不可缺少的是布线技术。布线时通常是在印刷含有金属粒子的油墨后，通过热处理让油墨内的金属粒子相互结合(烧结)，实现低电阻化处理。这时最大的课题是，为了能够使用耐热性低的树脂底板，需要将烧结温度降至150℃以下。最近，降低烧结温度的多种技术纷纷亮相(图8)。

　　

　　图8：在低温下形成金属布线的技术纷纷亮相

　　为了使金属布线的烧结工序实现低温化，使用纳米粒子及化合物(银盐)的油墨，以及利用压力而非热量的技术被开发出来。(a)为爱发科，(b)为大阪大学，(c)为产业技术综合研究所的资料。(点击放大)

　　爱发科利用减小金属粒子的尺寸后金属熔点就会下降的现象，开发出了低温下的烧结技术。利用直径仅为数nm的Ag纳米粒子，在150℃的低温下实现了5μ～10μΩcm的低电阻率，还将附着于纳米粒子表面的分散剂改成了在低温下容易脱离的材料。爱发科表示，目前已开始提供该材料的样品，有多个客户正在考虑采用。另外，该公司还提供了使用同样原理的、不仅可供Ag布线，而且可供Cu布线及ITO膜使用的油墨样品。

　　大阪大学和凸版FORMS通过使用有机Ag化合物(银盐)而非金属粒子，开发出了可在100℃低温下形成布线的技术。印刷后通过15～20分钟的热处理来析出Ag，实现10μΩcm级别的低电阻布线。加热温度只有100℃，能够在纸张上形成布线，因此还可考虑应用于无线标签以及再利用型的电子器件。目标是2010年实用化。另外，与使用金属粒子的方法相比，可获得晶界小的薄膜，因此能够实现与Cu布线相当的高可靠性。

　　大阪大学通过使用可用常温乙醇来清洗的分散剂覆盖Ag纳米粒子的表面，省去了烧结工序。印刷后，只需在常温下进行数秒乙醇清洗处理，即可实现10μΩcm级别的低电阻率。由于无需进行加热，因此可在纸张等多种底板上形成布线。目标是4～5年后实用化。

　　产业技术综合研究所通过利用压力而非热量使Ag粒子结合，降低了烧结温度。经过120℃低温处理，实现了6μΩcm的低电阻率。而且还利用加压的烧结方法，成功形成了公认难以印刷的Al布线。利用该技术试制无线标签用UHF频带天线后，可达到实用水平。与利用蚀刻形成的现有天线相比，制造成本估计可降至1/10。