適用於印刷電子的導電墨水可在紙和PET薄膜上印刷薄膜電晶體

適用於印刷電子的導電墨水可在紙和PET薄膜上印刷薄膜電晶體

想像一下，能夠輕鬆在任何表面上列印電子產品。如今，這已不再是烏託邦了：&34;是一項新興技術，可以使用墨水和專用印表機將電路應用於各種基材。這絕不是一個小市場：有機和印刷電子行業協會的一份新報告顯示，該行業已經發展成為一個價值超過350億美元的全球市場–預計該市場將繼續強勁增長。

傳統上，電子產品的製造是一個複雜的過程，需要昂貴的設備。但是，物聯網需要一種新型的電子設備：電路不再必須不惜一切代價儘可能地縮小和快速，而又要便宜且易於製造-同時，它們應該在薄而靈活的情況下實現基材。例如，這包括產品包裝上的RFID。

將來，也可以想到在牛奶紙箱上使用簡單的傳感器來指示何時不再消耗內含物，或者在冷凍產品上使用這種傳感器來指示冷鏈是否已中斷，這是可能的。

電子組件可以印刷在諸如紙或聚合物的柔性基板上。這需要專用的列印設備。圖片：Empa

Empa功能聚合物實驗室的研究員Jakob Heier和薄膜與光伏實驗室的Yaroslav Romanyuk正在與他們的團隊合作，以推動這項技術的發展。他們與Paul Scherrer研究所和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員一起，共同開展&34;研究項目，該項目是&34;的縮寫。

該項目的目的是使用適用於工業的印刷技術在紙和PET薄膜上印刷薄膜電晶體。為此，使用溶解有微小金屬氧化物顆粒的油墨。這些可以通過各種印刷技術（接觸印刷或噴墨印表機）施加到基材上。

紙和薄膜電晶體

&34; Romanyuk解釋說。在Empa的塗料能力中心，可以找到這些列印設備。但是要能夠在柔性基板上可靠地印刷電路，首先必須解決許多挑戰：從基板本身的優化到油墨的成分和印刷技術的準確性，再到各層的熱固化不會損壞紙張或膠片。

從印刷基材開始：通常，它是柔性的（例如，紙張或聚合物薄膜），並且沒有完全光滑的表面，就像用於製造常規電子組件的矽片一樣。這使得在電路的製造中難以達到所需的精度。

結果，印刷電子元件目前比通過常規製造工藝生產的微電子元件大約1,000倍。&34;海耶爾解釋道。

墨水形式的材料

另一個主要挑戰是如何將構成電路所需的導電，半導電和絕緣材料轉變為油墨形式，以及如何在印刷過程之後將它們轉變為具有所需特性的連續材料。

電晶體的銀電極。

Jakob Heier正在研究如何構造這些特殊油墨。墨水包括兩部分：功能材料的小顆粒和在塗敷後會自行蒸發的溶劑。但是，這兩個成分通常是不夠的：必須添加其他粘合劑和添加劑才能使墨水穩定和可列印。

但這是一個問題：如果它們在應用後保留在該層中，則會干擾電路的所需功能。因此必須將它們燒掉。但是，這需要相對較高的溫度-進而會損壞列印電子設備的紙張或薄膜。

Heier和他的團隊正在研究開發可用於石墨烯層的可印刷油墨，該油墨僅需要石墨烯顆粒和溶劑，換句話說，無需燃燒掉任何添加劑。印刷層應足夠穩定，以保持相同的導電性能-無論包括印刷層在內的基材材料是彎曲還是扭曲。

&34; Heier解釋說。

從墨水到電晶體閃爍

對於基於金屬氧化物納米粒子的油墨，情況則有所不同。在此，所謂的燒結，即對印刷層的熱處理是必要的，以便重新溶解溶解在油墨中的單個顆粒並由此獲得功能層。但是，紙張和所用的薄膜都對溫度非常敏感。因此，理想情況下，僅應加熱金屬氧化物層，但基材應保持冷卻。

&34;閃光燒結&34; Romanyuk解釋說。印刷層以超短閃光加熱，速度如此之快，以至於基材沒有被加熱。

基於金屬氧化物的材料是印刷電子領域很有希望的材料類別：它們可以是導電的，半導電的或絕緣的。與基於有機材料的墨水相比，氧化物材料具有更高的電子遷移率，這意味著它們有可能提高印刷電子電路元件的性能。

同時，氧化物材料在暴露於空氣時更穩定。&34; Romanyuk解釋說。他的團隊最近成功地使用噴墨印表機列印了基於氧化物的場效應電晶體，這將來有可能在透明基板上創建透明電路。

得益於Empa塗層能力中心（CCC）提供的可能性，這兩個研究小組的結果不僅限於實驗室。Romanyuk解釋說：&34; 這使得從科學突破向新型印刷電子產品的工業生產實現了快速過渡。