柔性印刷電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展綜述（上）— 回顧篇

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)曾長時間占據(jù)電子技術(shù)的絕對主導(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，在過去10多年中對溶液化有機(jī)與無機(jī)半導(dǎo)體材料的研究開發(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，早在10年前英國市場調(diào)查公司IDTechEx就在開始追蹤。該公司每年都會發(fā)布印刷電子行業(yè)發(fā)展報告，包括對市場的評估與預(yù)測。圖表157是IDTechEX公司在2008年對印刷電子發(fā)展前景的評估。當(dāng)時對印刷電子發(fā)展前景非常樂觀，將印刷電子未來20年的發(fā)展類比當(dāng)年硅半導(dǎo)體微電子的發(fā)展。

自當(dāng)年的預(yù)測到現(xiàn)在已經(jīng)10年過去了。2018年再來回頭看看印刷電子的發(fā)展，這個市場并沒有發(fā)展到像當(dāng)年預(yù)測的水平。2015年，韓國三星電子總裁在韓國柔性印刷電子會議上給出了一個印刷電子市場實(shí)際發(fā)展水平與不同市場調(diào)查公司早期預(yù)測的比較(圖表158)。顯然，市場實(shí)際表現(xiàn)與早期預(yù)測有很大差距。如果對已公布的市場數(shù)據(jù)做更細(xì)致的分析就會發(fā)現(xiàn)，表面上看起來很大的市場，實(shí)際上大部分份額來自傳統(tǒng)成熟產(chǎn)品與市場。

圖表158:印刷電子市場表現(xiàn)與預(yù)測的比較(2015年)

圖表159是IDTechEx在2016年發(fā)布的印刷電子市場份額劃分?？傮w量242億美元的市場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。而后兩類產(chǎn)品未必是通過印刷制造的。

例如，160億美元的OLED顯示市場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13億美元市場也主要是印刷晶硅太陽能電池電極與印刷觸摸屏邊緣電極的導(dǎo)電漿料市場，而非新興的低溫?zé)Y(jié)納米導(dǎo)電墨水市場。

在過去10年中，一些早期很知名的印刷電子專業(yè)公司經(jīng)歷了大起大落的變化。例如，美國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，開創(chuàng)了印刷無機(jī)納米材料并成為產(chǎn)品的先河。當(dāng)時業(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Konarka公司成立于2001年，2008年宣布建設(shè)1GW的印刷有機(jī)太陽能電池生產(chǎn)線，成為當(dāng)時印刷電子產(chǎn)業(yè)化的明星企業(yè)。但這兩個公司后來都因?yàn)楫a(chǎn)品難以打開市場而相繼消失。還有如德國的PolyIC公司，也是在國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)品無法打開市場銷路而轉(zhuǎn)向開發(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或碳納米管的企業(yè)。這些企業(yè)有的已經(jīng)存活超過10年，但因?yàn)榧ち业氖袌龈偁帲绕涫莻鹘y(tǒng)ITO材料的大幅度降價與拼力固守原有的市場，大部分這些企業(yè)的市場業(yè)績都不溫不火，有的則完全退出了這一市場，例如早期力推納米銀線透明導(dǎo)電膜的美國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，人們自然會聯(lián)想到印刷報紙雜志，想到大批量與低成本制造電子產(chǎn)品的優(yōu)勢。但真正要實(shí)現(xiàn)像印刷報紙那樣印刷電子，還有諸多技術(shù)上與產(chǎn)業(yè)化、市場化方面的挑戰(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，但目前這類材料種類有限，而且性能普遍低于對應(yīng)的固體材料。所印刷的電子器件性能也低于通過傳統(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)過程。對某些材料，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)計方法與設(shè)計軟件無法直接應(yīng)用于印刷電子設(shè)計。

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)對印刷電子的認(rèn)識誤區(qū)。印刷電子所需要的印刷技術(shù)比印刷報紙要復(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)沒有到達(dá)實(shí)用化的水平。目前有些產(chǎn)品開發(fā)采用了有機(jī)或無機(jī)半導(dǎo)體墨水制備晶體管，但大多仍依賴光刻等傳統(tǒng)工藝來實(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。印刷制備的太陽能電池產(chǎn)品在穩(wěn)定性與封裝方面還有很多技術(shù)問題要解決。

其次，印刷電子產(chǎn)品必須與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品在市場上相競爭。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。以RFID標(biāo)簽為例，傳統(tǒng)RFID芯片小于毫米見方，可以集成數(shù)萬個晶體管。印刷RFID除了印刷的天線外，在有限的標(biāo)簽面積上只能印刷千余個晶體管，其性能自然遠(yuǎn)不能與集成了數(shù)萬個晶體管的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天線上，實(shí)現(xiàn)柔性的RFID標(biāo)簽。所以，印刷電子市場化面臨的挑戰(zhàn)是如何創(chuàng)造具有差異化、給予用戶新的使用體驗(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，或性價比高的產(chǎn)品，在市場競爭中才有優(yōu)勢。一個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，因而能夠迅速打開市場。但這也只是在大尺寸觸摸屏的市場。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材料的競爭采取了大幅度降價策略，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)只有通過大批量生產(chǎn)才能體現(xiàn)出來。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，在市場競爭中并不見得有優(yōu)勢。