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1、---------------------------------------------------------------------------------------------------柔性电子喷印制造_材料_工艺和设备2010年第55卷第25期：2487~2509评述《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESSwww.scichina.comcsb.scichina.com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@mail.
2、hust.edu.cn;yahuang@hust.edu.cn2009-10-20收稿,2010-02-05接受国家自然科学基金(50705035,50625516)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现纳米级分辨率图案化,如何通过多场调控提高
3、其喷印过程操控性至为关键.讨论了电流体动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印制造需研究并解决的关键科学技术问题.关键词柔性电子纳米制造有机薄膜晶体管微/纳图案化喷印电流体动力学卷到卷1柔性电子柔性电子,又称之为打印电子或有机电子,是将有机/无机电子器件沉
4、积在柔性基板上形成电路的技术.由于柔性电子性能与传统微电子相当,且具有便携性、透明、轻质、伸展/弯曲,以及易于快速大面积打印等特点,产生了许多新的应用[1~4],如柔性显示器[4,5]、薄膜太阳能电池[6,7]、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究领域,随着学科交叉的加深,新的应用不断出现,在新型电子材料、微纳制造工艺和设备等方面不断出现新的研究问题.柔性电子区别于传统微电子的最大特点是其柔性.聚合物有机材料与塑料基板自然兼容,一般被认为非常适合于柔性电子的应用,但是用其制作器件的电学性能不够理想,这就促使利用无机材料制备柔性电子[10].无机材料
5、的断裂应变比较小,如何设计制造具有良好弯曲和伸缩性能的器件成为难点.最常用的方法是将用于制作半导体、导体或者绝缘体的无机材料制备成薄膜,以减小弯曲或伸缩状态下产生的应变.目前,对无机材料薄膜的弯曲、伸缩、延展和断裂等行为的力学特性进行了大量研究.文献[11]对塑料基板上无机电子———————————————————————————————————————————————---------------------------------------------------------------------------------------------------材料的弯曲性开展了理论和
6、实验研究,给出了界面剪切和剥离应力.文献[12~16]提出利用屈曲行为设计波纹结构的方法,可实现柔性电子完全可逆拉伸/压缩,而电路材料本身没有产生明显的应变.屈曲波纹可在微纳米尺度进行控制,得到100nm~100μm的几何尺寸结构,其伸缩性可通过控制屈曲波纹的方向、幅值和波长进行调整.单一的硅/金属薄膜一般在应变超过1%~2%时发生断裂,然而当其黏合到塑料基板上时可实现10倍于断裂应变的塑性变形并保持导电性[14,19,20].文献[21]对柔性电子系统及其机械特性进行了评述.文献[22,23]研究了基板的温变特性对柔性电子结构可靠性的影响,给出了屈曲结构的临界工作温度.柔性电子制造过程
7、通常包括:材料制备→沉积→图案化→封装,可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成,如图2所示[24].柔性电子制造主要关注生产成本、生产效率、可实现的特征尺寸,以及有机材料的相容性等因素.近年来,由于活性材料及其图案化技英文版见:YinZP,HuangYA,BuNB,etal.Inkjetprintingforflexibleelectronics:Materials,processesandequipments.ChineseSci
