柔性印刷電子技術(shù)是基于印刷原理的電子制造技術(shù)。硅基半導(dǎo)體微電子技術(shù)曾長(zhǎng)時(shí)間占據(jù)電子技術(shù)的絕對(duì)主導(dǎo)地位。但由于硅基集成電路制造技術(shù)的日益復(fù)雜和所需要的巨大投資，硅基集成電路的制造完全壟斷在全世界少數(shù)幾家大公司手中。因此，在過(guò)去10多年中對(duì)溶液化有機(jī)與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的研究開(kāi)發(fā)，催生了用傳統(tǒng)印刷技術(shù)制造各種電子器件的探索研究。

據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，印刷電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)涉及面很廣，包括能印制形成電路或者電子元器件的有機(jī)、無(wú)機(jī)或者合成材料，生成晶體管、顯示器、傳感器、光電管、電池、照明器件、導(dǎo)體和半導(dǎo)體等器件，以及互連電路的工藝與產(chǎn)品。盡管印刷加工本身沒(méi)有傳統(tǒng)微納米加工的高分辨率與高集成度，但等大面積、柔性化與低成本優(yōu)點(diǎn)足以使印刷電子在許多新應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。

十年回顧

關(guān)于印刷電子的市場(chǎng)，早在10年前英國(guó)市場(chǎng)調(diào)查公司IDTechEx就在開(kāi)始追蹤。該公司每年都會(huì)發(fā)布印刷電子行業(yè)發(fā)展報(bào)告，包括對(duì)市場(chǎng)的評(píng)估與預(yù)測(cè)。圖表157是IDTechEX公司在2008年對(duì)印刷電子發(fā)展前景的評(píng)估。當(dāng)時(shí)對(duì)印刷電子發(fā)展前景非常樂(lè)觀(guān)，將印刷電子未來(lái)20年的發(fā)展類(lèi)比當(dāng)年硅半導(dǎo)體微電子的發(fā)展。

自當(dāng)年的預(yù)測(cè)到現(xiàn)在已經(jīng)10年過(guò)去了。2018年再來(lái)回頭看看印刷電子的發(fā)展，這個(gè)市場(chǎng)并沒(méi)有發(fā)展到像當(dāng)年預(yù)測(cè)的水平。2015年，韓國(guó)三星電子總裁在韓國(guó)柔性印刷電子會(huì)議上給出了一個(gè)印刷電子市場(chǎng)實(shí)際發(fā)展水平與不同市場(chǎng)調(diào)查公司早期預(yù)測(cè)的比較(圖表158)。顯然，市場(chǎng)實(shí)際表現(xiàn)與早期預(yù)測(cè)有很大差距。如果對(duì)已公布的市場(chǎng)數(shù)據(jù)做更細(xì)致的分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，表面上看起來(lái)很大的市場(chǎng)，實(shí)際上大部分份額來(lái)自傳統(tǒng)成熟產(chǎn)品與市場(chǎng)。

圖表158:印刷電子市場(chǎng)表現(xiàn)與預(yù)測(cè)的比較(2015年)

圖表159是IDTechEx在2016年發(fā)布的印刷電子市場(chǎng)份額劃分。總體量242億美元的市場(chǎng)不僅僅是印刷電子產(chǎn)品，而且包含了有機(jī)電子與柔性電子產(chǎn)品。而后兩類(lèi)產(chǎn)品未必是通過(guò)印刷制造的。

例如，160億美元的OLED顯示市場(chǎng)并不屬于印刷電子范疇，仍沿用真空蒸鍍制造流程。65億美元的傳感器市場(chǎng)主體由血糖試紙產(chǎn)品構(gòu)成，而血糖試紙產(chǎn)品早在2008年之前就已經(jīng)是成熟產(chǎn)品。導(dǎo)電墨水的13億美元市場(chǎng)也主要是印刷晶硅太陽(yáng)能電池電極與印刷觸摸屏邊緣電極的導(dǎo)電漿料市場(chǎng)，而非新興的低溫?zé)Y(jié)納米導(dǎo)電墨水市場(chǎng)。

在過(guò)去10年中，一些早期很知名的印刷電子專(zhuān)業(yè)公司經(jīng)歷了大起大落的變化。例如，美國(guó)Kovio公司在2008年發(fā)布了印刷納米硅墨水制備薄膜晶體管與RFID的產(chǎn)品，開(kāi)創(chuàng)了印刷無(wú)機(jī)納米材料并成為產(chǎn)品的先河。當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，Kovio的全印刷RFID有望取代占主流的硅集成電路芯片RFID。

美國(guó)Konarka公司成立于2001年，2008年宣布建設(shè)1GW的印刷有機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)，成為當(dāng)時(shí)印刷電子產(chǎn)業(yè)化的明星企業(yè)。但這兩個(gè)公司后來(lái)都因?yàn)楫a(chǎn)品難以打開(kāi)市場(chǎng)而相繼消失。還有如德國(guó)的PolyIC公司，也是在國(guó)際上較早推出印刷有機(jī)電子標(biāo)簽以及金屬網(wǎng)柵透明導(dǎo)電膜，但因?yàn)楫a(chǎn)品無(wú)法打開(kāi)市場(chǎng)銷(xiāo)路而轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)其他技術(shù)。

在透明導(dǎo)電膜領(lǐng)域，推崇印刷電子技術(shù)的除了PolyIC之外，還有一大批采用涂布納米銀線(xiàn)或碳納米管的企業(yè)。這些企業(yè)有的已經(jīng)存活超過(guò)10年，但因?yàn)榧ち业氖袌?chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，尤其是傳統(tǒng)ITO材料的大幅度降價(jià)與拼力固守原有的市場(chǎng)，大部分這些企業(yè)的市場(chǎng)業(yè)績(jī)都不溫不火，有的則完全退出了這一市場(chǎng)，例如早期力推納米銀線(xiàn)透明導(dǎo)電膜的美國(guó)Carestream公司，以及納米銀墨水自組裝的Cima Nanotech公司等。

挑戰(zhàn)

印刷電子這一概念很吸引人。一提到印刷，人們自然會(huì)聯(lián)想到印刷報(bào)紙雜志，想到大批量與低成本制造電子產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。但真正要實(shí)現(xiàn)像印刷報(bào)紙那樣印刷電子，還有諸多技術(shù)上與產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化方面的挑戰(zhàn)。首先，印刷電子技術(shù)本身是有局限性的：

(1)印刷加工的圖形分辨率遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)微納米加工。目前印刷所能實(shí)現(xiàn)的最細(xì)線(xiàn)條大約1微米，而集成電路加工的圖形尺寸已到10納米范圍。

(2)印刷電子的前提是具備能夠印刷的電子墨水材料，但目前這類(lèi)材料種類(lèi)有限，而且性能普遍低于對(duì)應(yīng)的固體材料。所印刷的電子器件性能也低于通過(guò)傳統(tǒng)微納米加工制備的器件。

(3)電子器件通常需要多層結(jié)構(gòu)。印刷多層結(jié)構(gòu)受到套印精度的限制。印刷套印精度通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于微納米加工的多層對(duì)準(zhǔn)精度。

(4)印刷的電子墨水要恢復(fù)原有材料的性質(zhì)需要固化與燒結(jié)過(guò)程。對(duì)某些材料，這種燒結(jié)的溫度可能很高，因而限制了基底材料的選擇范圍。另外，燒結(jié)固化后的材料性質(zhì)通常很難恢復(fù)到該固體材料的原有性質(zhì)，如導(dǎo)電性。

(5)由于印刷電子器件與傳統(tǒng)微電子器件的差別，現(xiàn)有微電子設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)軟件無(wú)法直接應(yīng)用于印刷電子設(shè)計(jì)。

認(rèn)為傳統(tǒng)印刷企業(yè)可以直接轉(zhuǎn)成印刷電子，或電路板可以直接采用印刷方法制造(注意：傳統(tǒng)印刷電路板PCB并不是印刷制造的)，這些都是傳統(tǒng)行業(yè)對(duì)印刷電子的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。印刷電子所需要的印刷技術(shù)比印刷報(bào)紙要復(fù)雜的多，包括電子墨水的適印性，以及多層電子墨水印刷的套印精度等。目前印刷導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電性與精度等方面都還沒(méi)有到達(dá)傳統(tǒng)PCB的使用要求。

印刷電子最吸引人的應(yīng)用，即印刷晶體管還遠(yuǎn)沒(méi)有到達(dá)實(shí)用化的水平。目前有些產(chǎn)品開(kāi)發(fā)采用了有機(jī)或無(wú)機(jī)半導(dǎo)體墨水制備晶體管，但大多仍依賴(lài)光刻等傳統(tǒng)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管結(jié)構(gòu)的圖形化，并不是真正意義上的全印刷晶體管。印刷制備的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品在穩(wěn)定性與封裝方面還有很多技術(shù)問(wèn)題要解決。

其次，印刷電子產(chǎn)品必須與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品在市場(chǎng)上相競(jìng)爭(zhēng)。印刷電子產(chǎn)品有其產(chǎn)品形態(tài)(柔性化、塑料基、紙基)的特點(diǎn)，但也有性能上的劣勢(shì)。以RFID標(biāo)簽為例，傳統(tǒng)RFID芯片小于毫米見(jiàn)方，可以集成數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管。印刷RFID除了印刷的天線(xiàn)外，在有限的標(biāo)簽面積上只能印刷千余個(gè)晶體管，其性能自然遠(yuǎn)不能與集成了數(shù)萬(wàn)個(gè)晶體管的RFID芯片相比。而且芝麻大小的RFID芯片也可以安裝在柔性的RFID天線(xiàn)上，實(shí)現(xiàn)柔性的RFID標(biāo)簽。所以，印刷電子市場(chǎng)化面臨的挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)造具有差異化、給予用戶(hù)新的使用體驗(yàn)的產(chǎn)品，可以與現(xiàn)有微電子技術(shù)互補(bǔ)的產(chǎn)品。

印刷電子只有創(chuàng)造一種革命性的前所未有的產(chǎn)品，或性?xún)r(jià)比高的產(chǎn)品，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中才有優(yōu)勢(shì)。一個(gè)成功的案例是南昌歐菲光批量生產(chǎn)的混合印刷納米銀金屬網(wǎng)柵透明導(dǎo)電膜。由于這種新型透明導(dǎo)電膜制備觸摸屏比ITO透明導(dǎo)電膜具有更高的導(dǎo)電性與觸控靈敏度，制造成本更低，因而能夠迅速打開(kāi)市場(chǎng)。但這也只是在大尺寸觸摸屏的市場(chǎng)。在手機(jī)觸摸屏領(lǐng)域，由于屏幕尺寸小，ITO高阻抗缺點(diǎn)不明顯。而且ITO供應(yīng)商面臨非ITO材料的競(jìng)爭(zhēng)采取了大幅度降價(jià)策略，使金屬網(wǎng)柵透明導(dǎo)電膜進(jìn)入手機(jī)觸摸屏領(lǐng)域困難重重。需要指出的是，印刷電子的低成本特點(diǎn)只有通過(guò)大批量生產(chǎn)才能體現(xiàn)出來(lái)。小批量制造的印刷電子產(chǎn)品并不能做到低成本。因此，如果不成批量，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中并不見(jiàn)得有優(yōu)勢(shì)。