柔性电子喷印制造_材料_工艺和设备.pdfVIP

2010 年 第 55 卷 第 25 期：2487 ~ 2509 《中国科学》杂志社 评 述 SCIENCE CHINA PRESS 柔性电子喷印制造: 材料、工艺和设备 * * 尹周平, 黄永安 , 布宁斌, 王小梅, 熊有伦 华中科技大学机械学院, 数字制造装备与技术国家重点实验室, 武汉 430074 * 联系人, E-mail: yinzhp@; yahuang@ 2009-10-20 收稿, 2010-02-05 接受 国家自然科学基金和国家重点基础研究发展计划(2009CB724204)资助项目 摘要 喷印技术直接将功能材料沉积到基板上形成图案, 有望成为高性能柔性电子的主流制 关键词 造工艺之一. 目前, 喷印技术面临材料、工艺和设备等诸多挑战. 本文讨论了无机、有机以及 柔性电子 纳米复合喷印材料的电学性能, 分析了打印性能与黏度、表面张力、蒸发率等关系. 压电、热 纳米制造 泡等传统喷印可实现微米级分辨率图案化, 而电喷涂、电纺丝、电喷印等电流体动力喷印可实 有机薄膜晶体管 微/纳图案化 现纳米级分辨率图案化, 如何通过多场调控提高其喷印过程操控性至为关键. 讨论了电流体动 喷印 力喷印设备实现关键技术, 包括液滴操控、喷嘴设计、卷到卷输送等. 最后展望了柔性电子喷 电流体动力学 印制造需研究并解决的关键科学技术问题. 卷到卷 产生的应变. 目前, 对无机材料薄膜的弯曲、伸缩、 1 柔性电子 延展和断裂等行为的力学特性进行了大量研究. 文 柔性电子, 又称之为打印电子或有机电子, 是将 献[11]对塑料基板上无机电子材料的弯曲性开展了 有机/无机电子器件沉积在柔性基板上形成电路的技 理论和实验研究, 给出了界面剪切和剥离应力. 文 术. 由于柔性电子性能与传统微电子相当, 且具有便 献[12~16]提出利用屈曲行为设计波纹结构的方法, 携性、透明、轻质、伸展/弯曲, 以及易于快速大面积 可实现柔性电子完全可逆拉伸/压缩, 而电路材料本 打印等特点, 产生了许多新的应用[1~4], 如柔性显示 身没有产生明显的应变. 屈曲波纹可在微纳米尺度 [4,5] [6,7] 进行控制, 得到 100 nm~100 μm 的几何尺寸结构, 其 器 、薄膜太阳能电池 、大面积传感器和驱动 器[8,9]等(如图1 所示). 柔性电子是一个新兴开放的研 伸缩性可通过控制屈曲波纹的方向、幅值和波长进行 究领域, 随着学科交叉的加深, 新的应用不断出现, 调整. 单一的硅/金属薄膜一般在应变超过 1%~2%时 在新型电子材料、微纳制造工艺和设备等方面不断出 发生断裂, 然而当其黏合到塑料基板上时可实现 10 现新的研究问题. 倍于断裂应变的塑性变形并保持导电性[14,19,20]. 文 柔性电子区别于传统微电子的最大特点是其柔 献[21]对柔性电子系统及其机械特性进行了评述.