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柔性印刷电子产业发展综述(上)— 回顾篇

发布时间:2019-05-05 访问次数:737次 来源:科钛网 分享:

柔性印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。硅基半导体微电子技术曾长时间占据电子技术的绝对主导地位。但由于硅基集成电路制造技术的日益复杂和所需要的巨大投资,硅基集成电路的制造完全垄断在全世界少数几家大公司手中。因此,在过去10多年中对溶液化有机与无机半导体材料的研究开发,催生了用传统印刷技术制造各种电子器件的探索研究。

据调查数据显示,印刷电子技术和产业涉及面很广,包括能印制形成电路或者电子元器件的有机、无机或者合成材料,生成晶体管、显示器、传感器、光电管、电池、照明器件、导体和半导体等器件,以及互连电路的工艺与产品。尽管印刷加工本身没有传统微纳米加工的高分辨率与高集成度,但等大面积、柔性化与低成本优点足以使印刷电子在许多新应用领域发挥作用。

十年回顾

关于印刷电子的市场,早在10年前英国市场调查公司IDTechEx就在开始追踪。该公司每年都会发布印刷电子行业发展报告,包括对市场的评估与预测。图表157是IDTechEX公司在2008年对印刷电子发展前景的评估。当时对印刷电子发展前景非常乐观,将印刷电子未来20年的发展类比当年硅半导体微电子的发展。

自当年的预测到现在已经10年过去了。2018年再来回头看看印刷电子的发展,这个市场并没有发展到像当年预测的水平。2015年,韩国三星电子总裁在韩国柔性印刷电子会议上给出了一个印刷电子市场实际发展水平与不同市场调查公司早期预测的比较(图表158)。显然,市场实际表现与早期预测有很大差距。如果对已公布的市场数据做更细致的分析就会发现,表面上看起来很大的市场,实际上大部分份额来自传统成熟产品与市场。


图表157:印刷电子发展预测(2008年)

图表158:印刷电子市场表现与预测的比较(2015年)

图表159是IDTechEx在2016年发布的印刷电子市场份额划分。总体量242亿美元的市场不仅仅是印刷电子产品,而且包含了有机电子与柔性电子产品。而后两类产品未必是通过印刷制造的。

例如,160亿美元的OLED显示市场并不属于印刷电子范畴,仍沿用真空蒸镀制造流程。65亿美元的传感器市场主体由血糖试纸产品构成,而血糖试纸产品早在2008年之前就已经是成熟产品。导电墨水的13亿美元市场也主要是印刷晶硅太阳能电池电极与印刷触摸屏边缘电极的导电浆料市场,而非新兴的低温烧结纳米导电墨水市场。

图表159:印刷电子市场细分(2016年)

在过去10年中,一些早期很知名的印刷电子专业公司经历了大起大落的变化。例如,美国Kovio公司在2008年发布了印刷纳米硅墨水制备薄膜晶体管与RFID的产品,开创了印刷无机纳米材料并成为产品的先河。当时业内普遍认为,Kovio的全印刷RFID有望取代占主流的硅集成电路芯片RFID。

美国Konarka公司成立于2001年,2008年宣布建设1GW的印刷有机太阳能电池生产线,成为当时印刷电子产业化的明星企业。但这两个公司后来都因为产品难以打开市场而相继消失。还有如德国的PolyIC公司,也是在国际上较早推出印刷有机电子标签以及金属网栅透明导电膜,但因为产品无法打开市场销路而转向开发其他技术。

在透明导电膜领域,推崇印刷电子技术的除了PolyIC之外,还有一大批采用涂布纳米银线或碳纳米管的企业。这些企业有的已经存活超过10年,但因为激烈的市场竞争,尤其是传统ITO材料的大幅度降价与拼力固守原有的市场,大部分这些企业的市场业绩都不温不火,有的则完全退出了这一市场,例如早期力推纳米银线透明导电膜的美国Carestream公司,以及纳米银墨水自组装的Cima Nanotech公司等。

挑战

印刷电子这一概念很吸引人。一提到印刷,人们自然会联想到印刷报纸杂志,想到大批量与低成本制造电子产品的优势。但真正要实现像印刷报纸那样印刷电子,还有诸多技术上与产业化、市场化方面的挑战。首先,印刷电子技术本身是有局限性的:

(1)印刷加工的图形分辨率远低于传统微纳米加工。目前印刷所能实现的最细线条大约1微米,而集成电路加工的图形尺寸已到10纳米范围。

(2)印刷电子的前提是具备能够印刷的电子墨水材料,但目前这类材料种类有限,而且性能普遍低于对应的固体材料。所印刷的电子器件性能也低于通过传统微纳米加工制备的器件。

(3)电子器件通常需要多层结构。印刷多层结构受到套印精度的限制。印刷套印精度通常远远低于微纳米加工的多层对准精度。

(4)印刷的电子墨水要恢复原有材料的性质需要固化与烧结过程。对某些材料,这种烧结的温度可能很高,因而限制了基底材料的选择范围。另外,烧结固化后的材料性质通常很难恢复到该固体材料的原有性质,如导电性。

(5)由于印刷电子器件与传统微电子器件的差别,现有微电子设计方法与设计软件无法直接应用于印刷电子设计。

认为传统印刷企业可以直接转成印刷电子,或电路板可以直接采用印刷方法制造(注意:传统印刷电路板PCB并不是印刷制造的),这些都是传统行业对印刷电子的认识误区。印刷电子所需要的印刷技术比印刷报纸要复杂的多,包括电子墨水的适印性,以及多层电子墨水印刷的套印精度等。目前印刷导电墨水的导电性与精度等方面都还没有到达传统PCB的使用要求。

印刷电子最吸引人的应用,即印刷晶体管还远没有到达实用化的水平。目前有些产品开发采用了有机或无机半导体墨水制备晶体管,但大多仍依赖光刻等传统工艺来实现晶体管结构的图形化,并不是真正意义上的全印刷晶体管。印刷制备的太阳能电池产品在稳定性与封装方面还有很多技术问题要解决。

其次,印刷电子产品必须与传统电子产品在市场上相竞争。印刷电子产品有其产品形态(柔性化、塑料基、纸基)的特点,但也有性能上的劣势。以RFID标签为例,传统RFID芯片小于毫米见方,可以集成数万个晶体管。印刷RFID除了印刷的天线外,在有限的标签面积上只能印刷千余个晶体管,其性能自然远不能与集成了数万个晶体管的RFID芯片相比。而且芝麻大小的RFID芯片也可以安装在柔性的RFID天线上,实现柔性的RFID标签。所以,印刷电子市场化面临的挑战是如何创造具有差异化、给予用户新的使用体验的产品,可以与现有微电子技术互补的产品。

印刷电子只有创造一种革命性的前所未有的产品,或性价比高的产品,在市场竞争中才有优势。一个成功的案例是南昌欧菲光批量生产的混合印刷纳米银金属网栅透明导电膜。由于这种新型透明导电膜制备触摸屏比ITO透明导电膜具有更高的导电性与触控灵敏度,制造成本更低,因而能够迅速打开市场。但这也只是在大尺寸触摸屏的市场。在手机触摸屏领域,由于屏幕尺寸小,ITO高阻抗缺点不明显。而且ITO供应商面临非ITO材料的竞争采取了大幅度降价策略,使金属网栅透明导电膜进入手机触摸屏领域困难重重。需要指出的是,印刷电子的低成本特点只有通过大批量生产才能体现出来。小批量制造的印刷电子产品并不能做到低成本。因此,如果不成批量,在市场竞争中并不见得有优势。


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