简介

         在过去的十年中，数字印刷技术已经从仅仅可视化信息转变为产生功能性输出。 “超越色彩的印刷”这一概念概括了这一转变。尽管这些技术仍主要用于视觉目的，但它们在创造功能性输出方面的进步，特别是在印刷电子领域，激发了大量创新理念和制造方法，促进了精益生产。数字印刷的基本原理涉及微观液体（油墨）液滴或固体（墨粉）颗粒的精确放置，与图像或文本的每个像素的信息直接相关。这使得昂贵的材料（无论是否具有功能性）   能够经济地沉积到基材的特定区域，从而实现选择性沉积。

         本文深入研究了喷墨打印，这是一种关键的数字制造技术，也是印刷电子的基石。它涵盖了喷墨打印技术的分类，讨论了与材料（墨水、基材）相关的各个方面，并探讨了预处理和后处理步骤。此外，它还提供了应用示例，展示了喷墨打印电子产品的各种潜力。功能材料和先进印刷设备的持续研发继续推动日常创新。

背景

传统印刷

         印刷技术是人类历史上最重要的发明之一，它通过实现知识的可靠传递、交流和保存，加速了人类的进步。尽管古腾堡的活字印刷机发明已有五个多世纪，但直到上个世纪，随着摄影技术的出现，更重要的是印刷技术与计算机信息技术的结合，印刷技术才变得多样化并得到广泛应用。

         传统的印刷技术主要包括胶印、凹版印刷、丝网印刷和柔性版印刷。这些方法通常需要为每个要复制的信息类型（文字、图形、图片）制作一个印版或印模，因此需要复杂且有时繁琐的印前处理过程。一旦完成印前处理，除了平板丝网印刷外，这些技术都可以用于快速、大规模的生产。

数字印刷

         与传统方法不同，数字印刷不需要预先制作的印版，并且对承印物的冲击力极小。数字印刷的核心原理是将微小的液体液滴或固体颗粒精确放置在图像每个二进制单元信息的对应位置上。这消除了传统印刷中复杂、耗时且成本高昂的印版制作和设置过程。尽管数字印刷的产量可能低于高端传统方法，但其多功能性和适应性使其能够被更广泛的受众所接受，无缝融入现有生产线，并彻底改变了小型办公室/家庭办公室打印等领域。

         数字印刷技术大致可分为两类：（1）直接承印，包括喷墨和热转印等方法，这些方法直接将信息施加到承印物上；（2）直接制版，包括静电复印和磁记录等方法，其中信息首先转移到印版上，然后再施加到承印物上。

印刷电子

         尽管“印刷电子”和“有机电子”这两个术语经常互换使用，但它们指的是不同但又有所重叠的技术。印刷电子涉及使用传统和数字印刷技术来创建电子结构、器件和电路，无论使用何种功能材料或承印物，只要这些材料可以从液相处理即可。而有机电子则侧重于使用有机材料（如导电聚合物）在刚性或柔性承印物上制造电子结构。柔性电子则强调使用如塑料或纸张等可弯曲的承印物。印刷电子的进步为电子设备和电路的设计、制造、封装和应用开辟了新途径。

         印刷过程的叠加性、可作为油墨配制的材料多样性以及从原型制作到大规模生产的不同生产规模的适应能力，是使印刷技术能够在电子制造中得到应用的关键因素。尽管在印刷电子中已采用了各种印刷技术，但丝网印刷和喷墨印刷占据主导地位。特别是喷墨印刷，由于其非接触、无掩模和无印版的特点，能够在所需位置精确沉积材料，因此被视为一项关键使能技术。

喷墨打印技术

         喷墨打印技术能够生成直径为10至150微米（与喷嘴直径相对应）的墨滴，墨滴体积处于皮升范围。这项技术因以下几个原因特别适合用于印刷电子领域：

         ·它是一种非接触式工艺，能够以逐滴的方式将各种材料选择性地沉积到不同的承印物上。

         ·与其他打印技术相比，它需要的车间面积更小，初始投资更低，调试时间更短。

         ·它适用于从原型制作到大规模工业生产等多种生产规模。

         ·它最大限度地减少了墨水消耗和材料浪费。

         ·在工艺链中的定位方面具有灵活性。

         ·它能够生产有机电子领域至关重要的图案化薄膜。

         然而，对于高度复杂的集成电路（IC），需要采用超越标准喷墨打印的专门技术，才能实现超短晶体管沟道长度所需的空间分辨率。

分类

         喷墨技术根据墨滴生成的机制，大致分为两类：连续喷墨（CIJ）和按需喷墨（DOD）。DOD打印又进一步分为三种类型：热喷墨、压电喷墨和静电喷墨。

         尽管连续喷墨（CIJ）的墨滴生成频率高达20至60千赫兹，但由于墨水在环境暴露后的回收过程中存在污染风险，它在印刷电子领域的应用并不广泛。此外，CIJ本质上可能存在浪费，因为它会持续产生墨滴，而不考虑要复制的图像或文本的每个像素是否包含信息。然而，CIJ在用于非平面几何形状的承印物时展现出优势。

         就按需喷墨（DOD）技术而言，热喷墨和静电喷墨远远落后于压电喷墨，主要原因如下：

         ·热喷墨由于循环热负荷，可能导致墨水中存在的功能材料降解。而压电喷墨则是一个等温过程。尽管如此，热喷墨已成功证明适用于基于无机量子点的发光二极管的制造。

         ·压电喷墨可用的墨水溶剂范围比热喷墨和静电喷墨更广。

         ·静电喷墨所需的投资和运行成本远高于压电喷墨。此外，这项技术仍在开发中，其成熟度不如压电喷墨或热喷墨。

压电喷墨

         如其名称所示，压电喷墨系统包括压电换能器（PZT），该换能器通过施加电压脉冲来工作，这种现象被称为逆压电效应。在商业印刷应用中，这些电压脉冲的频率通常在1 kHz到20 kHz之间。压电致动触发墨水通道内压力（声）波的产生和传播，导致在声频下形成液滴。

         图1a展示了常用的双极波形，并简要描述了波形各段的意义。这只是一个例子——通常可以将许多不同类型的波形应用于喷墨打印头以产生液滴。所施加波形的轮廓和幅度取决于喷嘴尺寸、所用油墨的流变学以及所需的液滴尺寸和速度。图1b显示了一系列图片，描绘了压电喷墨喷嘴形成液滴的过程。

图1. a) 压电致动的示例性双极波形；b) 从压电喷墨打印头的喷嘴形成液滴的顺序。

喷墨打印要求

         虽然前面提到的各种喷墨打印技术在材料、基板预处理和打印结构后处理方面的要求或多或少相似，但本节将专门强调压电喷墨打印的具体要求。

         基板：如前所述，喷墨打印对基板类型没有要求，允许使用任何类型的基板，无论是刚性、柔性、增强型还是非增强型。然而，打印油墨与基板之间的相互作用对于确定打印结构的精度和耐久性至关重要。因此，油墨性能和基板性能之间的良好匹配至关重要。因此，通常在打印前对基板表面进行预处理，以增强润湿性、粘附力和其他因素。等离子处理和电晕处理是常用的方法。为了实现高清结构，采用基板图案化技术——将基板表面划分为亲水区和疏水区。

         油墨：在打印电子领域，所使用的油墨以一种或多种溶剂为载体分散（类似颜料）或溶解（类似染料）。这些溶剂作为载体，将功能性材料通过打印头传输，并通过喷嘴喷出。在打印电子领域，功能性材料赋予电子/电气性能，如导电性、半导体性、电阻率和介电性。市场上很容易获得满足这些功能性的各种油墨。

         压电喷墨油墨的关键特性包括动态粘度小于20 mPa·s、表面张力值低于80 mN/m、油墨在打印头内溶液/悬浮液中的稳定性，以及油墨成分的粒径最好远小于喷嘴孔径。这些数值仅作为一般指导，并可能因具体系统而异。此外，粒子负载是决定打印过程稳定性的关键因素。

         烧结/固化：与图形打印不同，图形打印在沉积和干燥后不久即可实现功能（光吸收和颜色），而“超越颜色”使用的功能性油墨则需要沉积的油墨层发生转变以获得功能。此过程会去除油墨中存在的溶剂和其他添加剂，如表面活性剂、分散剂、保湿剂和粘附促进剂。例如，（类似颜料的）金属纳米粒子油墨需要烧结才能使纳米粒子聚合成连续的、渗滤的结构，从而实现导电性。相反，（类似染料的）金属有机分解（MOD）油墨需要分解分子复合物以形成金属簇。在这两种情况下，烧结通常都是通过加热来实现的。对于热不稳定的柔性塑料基板，已提出使用替代烧结技术，如连续闪光紫外线辐射、等离子处理、激光辅助烧结、微波辅助烧结、直流或交流电场或化学烧结。图2展示了通过加热实现金属纳米粒子油墨烧结的过程。

图2. 基于金属纳米粒子的油墨烧结过程。

         烧结质量是一个至关重要的关注点。尽管进行了烧结，但由于残留物的存在，打印结构往往无法达到100%的密度。此外，热烧结并非适用于所有基板类型，因为它通常需要超过150°C的温度，而许多聚合物基板无法承受这样的高温。在有机聚合物油墨的情况下，打印结构经历的是固化而非烧结。固化涉及通过交联过程使聚合物硬化。

应用实例

         有许多应用实例证明了喷墨打印在印刷电子产品中的适用性：这里只介绍了一些精选的。

         图3展示了一个这样的应用：一种用于超高频（UHF）范围的喷墨打印平面偶极天线，在柔性和刚性基板上。用于相同频率范围的滤波器、传输线和贴片天线也已喷墨打印并报告。

图3. 在德国开姆尼茨工业大学（TU Chemnitz）/弗劳恩霍夫应用科学研究促进协会电子纳米系统中心（Fraunhofer ENAS），使用银墨水喷墨打印了一个共振频率为868 MHz的平面偶极天线。

         喷墨打印在无源电气元件的制造方面已被证明是成功的，甚至已经超越了旋涂，成为有机或聚合物发光器件（OLED/PLED）的制造方法。值得注意的是，全聚合物薄膜晶体管（TFT）的高分辨率图案化已经通过喷墨打印完成。然而，由于其活性材料的低移动性和缓慢的切换速度，这些设备目前仅限于射频识别标签（RFID）等低端应用。此外，太阳能的研究是一个活跃的领域，Konarka技术有限公司展示了喷墨打印的有机太阳能电池。正在努力利用无机材料喷墨打印高效太阳能电池。

结论与展望

         喷墨打印在改变电子产品制造格局方面具有巨大的潜力。尽管市场上完全喷墨打印的产品稀缺，但正在做出重大努力以克服现有的挑战。

         电子应用中喷墨打印成功的关键因素在于材料开发的进步，特别是油墨配方。 含有高性能功能材料的油墨，在较低的烧结温度下具有高流动性，结合可靠的印刷性能，将有助于在各种基材上喷墨打印高性能电子设备。此外，喷墨打印的成功可能取决于替代烧结和固化技术的快速成熟，最大限度地减少印刷柔性基板的热暴露。最后，喷墨打印的分辨率不如光刻法，这限制了其在高密度电路制造中的应用。

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