增材制造作為智能制造的一部分已經(jīng)被科研及工業(yè)界廣泛關(guān)注。印刷電子和* D打印是兩個典型的增材制造技術(shù)案例。在鎖定增材制造的前提下，本文著重介紹了這兩項技術(shù)的工藝發(fā)展歷史和現(xiàn)狀；通過對電子和光電器件的可印刷結(jié)構(gòu)和性能的綜述，引申出對增材制造工藝和功能性材料進(jìn)一步優(yōu)化的實際需求。這一生產(chǎn)工藝和材料系統(tǒng)的同時優(yōu)化和創(chuàng)新將最大限度地發(fā)揮增材制造優(yōu)勢，從而促進(jìn)應(yīng)用市場的開發(fā)，加速吉印通 202* 的進(jìn)程。

作為廣義增材制造的雛形，數(shù)控增材制造（data driven materials deposition，DDMD）技術(shù)早在20世紀(jì)90年代就由美國工業(yè)界及政府投入研究。這一研發(fā)動力源于電子電路、電子元器件、機(jī)械零部件制造及修復(fù)的單一性、隨機(jī)性和不確定性。由于數(shù)控打印能夠在設(shè)計完成后快速定位，增材成型，無需等待模具/模板加工來定位成形，因此可以很好地用于電路板導(dǎo)線、芯片焊點、機(jī)翼裂紋填補(bǔ)/修復(fù)等。DDMD生產(chǎn)工藝包括噴墨打印、擠壓打印、激光固化、氣霧噴射等，所涉及的材料有納米金屬油墨、低熔點焊錫、納米金屬粉末等。在縮短生產(chǎn)周期、優(yōu)化生產(chǎn)工藝的需求下，從設(shè)計到樣品成型的周期急劇縮短，因而降低了成本，提高了生產(chǎn)力。這使得* D 打印工藝和材料技術(shù)研發(fā)在近年來得到快速增長。由于* D 打印注重于三維幾何結(jié)構(gòu)通過逐層打印成型，因此所用的材料多是可結(jié)構(gòu)成型材料，如塑料、金屬/合金納米粉末、黏結(jié)劑等。* D打印工藝有熱擠壓打?。ㄋ芰系龋?、激光/原子光束燒結(jié)（金屬/合金納米粉末等）、噴墨打?。そY(jié)劑等）。不難看出，DDMD和* D工藝均用數(shù)控打印技術(shù)，只是材料/器件結(jié)構(gòu)與后續(xù)材料固化/成型工藝有所區(qū)別。

與DDMD和* D打印相比，印刷電子技術(shù)囊括了更多增材制造技術(shù)。這些增材制造技術(shù)可分為兩類：非接觸性和接觸性增材工藝。非接觸性增材工藝技術(shù)（如噴墨、噴頭熱擠壓、激光、噴霧打印等）已在DDMD和* D打印廣泛應(yīng)用，其特點是打印工具不與襯底表面直接接觸，對襯底表面粗糙度/形態(tài)不敏感，因此非常適合在三維表面打印/結(jié)構(gòu)成型。相反，接觸性增材工藝（如絲網(wǎng)、凹版、凸版印刷等）的圖形模具在印制過程中會與襯底表面直接接觸，對襯底表面粗糙度/形態(tài)敏感，因此更適合大面積平面增材制造。印刷電子基于先進(jìn)功能性有機(jī)和無機(jī)納米材料的研發(fā)，將功能材料配制成油墨，用增材印刷/打印的方式直接在襯底上逐層疊加套印而形成印制電子、光電、傳感等器件（印刷電子）。功能性高分子材料的研究及其商業(yè)價值得到科學(xué)界的高度評價，Alan Heeger、Alan MacDiarmid 和Hideki Shirakawa 因此被授予2000年諾貝爾化學(xué)獎。印刷電子技術(shù)也被業(yè)界推崇為引領(lǐng)21世紀(jì)柔性電子及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)革命的核心技術(shù)。

本文將就印刷電子及* D打印增材制造的工藝、材料、應(yīng)用近況予以總結(jié)比較，從而結(jié)合印刷電子及* D打印各自優(yōu)勢，優(yōu)化增材制造材料、器件和工藝在光電、電子、傳感、醫(yī)療健康、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的應(yīng)用。

增材制造印刷電子

傳統(tǒng)微電子生產(chǎn)工藝是在潔凈室通過高真空蒸鍍及減材制造技術(shù)來完成的。其突出的缺陷表現(xiàn)在：蒸鍍設(shè)備及工藝成本高，運行費用昂貴；減材制造電路板耗時耗材，排放成本高，且廢液造成重金屬及化學(xué)污染；此外，電路板還存在芯片及其他元器件與電路板貼片封裝等后續(xù)工藝。與傳統(tǒng)微電子相比，印刷電子技術(shù)運用優(yōu)化的圖形印刷作為其增材制造工藝，使功能性材料在襯底上一次成形，無需后續(xù)減材成形。印刷電子增材制造將電路及功能性器件（如集成電路、電阻、電容、電感、傳感器）同時印刷，免去了后續(xù)貼片工藝（圖1）。不僅大大簡化了生產(chǎn)工藝，節(jié)省材料，而且近于零污染排放。同時，印刷電子增材制造可以達(dá)到大面積、高產(chǎn)速、低成本量產(chǎn)，其產(chǎn)品具有柔性、大面積功能化分布及廉價等諸多優(yōu)勢。這將開拓傳統(tǒng)微電子無法企及的潛在應(yīng)用市場。

圖1 減材與增材工藝對比

印刷電子技術(shù)通過專著《Printed organic and molecular electronics》于200* 年被系統(tǒng)地介紹給了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界。在此之前，基于有機(jī)半導(dǎo)體材料和導(dǎo)體材料的有機(jī)光、電技術(shù)已經(jīng)在學(xué)術(shù)界及材料工業(yè)界的實驗室進(jìn)行研發(fā)?？扇苄缘挠袡C(jī)材料和由無機(jī)納米/微米與溶劑配制成的復(fù)合型漿料可用印刷增材制造工藝在基材上形成結(jié)構(gòu)和功能性器件，其光學(xué)、電子、結(jié)構(gòu)性能由具有這些功能的有機(jī)、無機(jī)材料和器件結(jié)構(gòu)來定義。因此，印刷電子以其增材印刷生產(chǎn)工藝而得名。

增材印刷光電器件結(jié)構(gòu)

有別于圖形印刷由點陣排列的墨點來完成以及展示圖像的深淺和色彩效應(yīng)，增材制造功能性電子/光電器件需要以連續(xù)的幾何圖形結(jié)構(gòu)來提供光/電子傳輸通道。這些功能性器件通常是三維結(jié)構(gòu)，需要由多層套印的增材印刷來完成。圖2列出了幾種典型電子和光電器件結(jié)構(gòu)，其共通性是在平面為幾何圖形，在剖面可見不同材料層層疊加的立體結(jié)構(gòu)。用增材制造成型這種功能性器件，每一層結(jié)構(gòu)成型只需印刷和干燥2個步驟；而用減材制造，每一層結(jié)構(gòu)成型則需要* ~* 步工藝完成（圖1）。顯然用增材工藝逐層印刷生產(chǎn)的電子元器件具有省時、省材、綠色環(huán)保等多種優(yōu)勢，是智能制造的一個很具說服力的案例。當(dāng)然，與發(fā)展創(chuàng)新中的其他先進(jìn)技術(shù)類似，印刷增材制造電子技術(shù)還有待完善和不斷開發(fā)。印制功能性器件和產(chǎn)品，圖2中各層平面幾何尺寸的精確度（a, b,W），平面結(jié)構(gòu)之間的間距（l），印制材料的厚度（t）等直接決定成型器件的光/電性能/性能優(yōu)化。以圖2中三極管結(jié)構(gòu)為例，多層增材套印始于柵基極（gate），然后逐層套印絕緣體（dielectric）、發(fā)射極（source）/集電極（drain），最后是半導(dǎo)體層（semiconductor）。這種場化效應(yīng)三極管（field effect transistor，F(xiàn)ET）器件及電路性能的優(yōu)化，取決于各層材料的平面印刷精度和逐層套印精度，這是對圖形印刷工藝的一大挑戰(zhàn)。發(fā)射極/集電極之間電子通道的間距（L′）和絕緣層厚度（t）的精度控制會因不同的印刷工藝和材料組合而不同；印制工藝套印的精度直接影響柵基極設(shè)計以及與電子遷移通道（發(fā)射極/集電極間距）的對準(zhǔn)，這些誤差將三極管的電子遷移率（μ）降低1~* 個數(shù)量級。同時，印制器件的光/電學(xué)性能還與材料層與層之間的化學(xué)（表面功能性基團(tuán)等）以及物理（表面親和力、表面的平滑度等）參數(shù)密切相關(guān)。這些化學(xué)和物理參數(shù)的匹配與優(yōu)化將減低界面內(nèi)阻，從而提高器件的光/電性能。值得一提的是，功能性器件的增材制造一般會涉及到2種以上的材料（圖2），而且由于材料的功能性和流變性不同，不同的材料可能會用到不同的增材工藝，如絲網(wǎng)印刷（柵基極、發(fā)射極/集電極），凹版/噴墨印刷（絕緣體、半導(dǎo)體）等。這樣，印刷電子增材制造工藝流程可以是多種印刷工藝結(jié)合的復(fù)合式增材工藝，這對印刷設(shè)備的集成吉印通 刷工藝之間的匹配以及優(yōu)化增材制造工藝都是挑戰(zhàn)。表1列舉了幾種典型的印刷工藝對材料黏度要求范圍吉印通 制圖形特征。

圖2 可增材制造的電子/光電器件結(jié)構(gòu)示意

表1 典型印刷電子工藝的技術(shù)要求

圖* 中的無源電子器件，電阻和高頻共面波傳輸線（圖* （a））是用非接觸擠壓材料增材制造工藝打印成型的。其中電阻的終端導(dǎo)體是導(dǎo)電銀，電阻是碳電阻材料，襯底是PET（聚酯材料）。同樣的電阻材料，不同的a/b值（圖2），可以得到不同阻值的電阻；不同阻抗的材料，用同種a/b值設(shè)計，也能得到不同阻值的電阻，這為電路設(shè)計和平面布局增加了很大的自由度。在設(shè)計合理的情況下，用增材擠壓打印可以將印刷電阻的穩(wěn)定性和重復(fù)印制的變化率控制在* %以下。將非接觸性打印的銀質(zhì)高頻共面波傳輸線與傳統(tǒng)的銅膜減材制造的同種器件的性能比較顯示，兩者的頻率和相限是一致的。由于印刷銀漿材料與銅膜的導(dǎo)電率有差異，所以這2個幾何尺寸相同的高頻共面波傳輸線的振幅有所不同，這是在意料之中。這個結(jié)果證實了器件設(shè)計、材料基本功能與生產(chǎn)工藝需同時優(yōu)化以得到性能優(yōu)化的印刷器件。圖* （b）是用接觸性絲網(wǎng)印刷成型的簡單無源RCL電路及其電性能測試。這個RCL電路是教科書上的一個典型無源電路示例，用來測試在不同頻率下電阻（R），電容（C）電感（L）和組合電路的工作情況。從圖中的電路在不同頻率下的工作特性看，印刷RCL電路的測試數(shù)據(jù)與理論計算值吻合。無源集成電路在DC-DC轉(zhuǎn)換器、電壓放大等電路中都會用到。如果用增材印刷的方式來成型這些電路，可以省去R、C、L等元器件及其貼片封裝等工藝，也節(jié)省了大量電路板用來貼片的表面，因為RCL電路印制在柔性襯底上，封裝后可以直接用于其他器件的襯底，工業(yè)界稱這種RCL為埋件無源器件（embedded passive）。

圖* 增材制造在PET 基材上印制的器件及性能

用全印刷的增材制造方式生產(chǎn)三極管、二極管（active device）以及集成電路（integrated circuit，IC）一直是印刷有機(jī)電子的研發(fā)熱點，這也是有機(jī)合成科學(xué)家們最熱衷的課題之一。通過不同的功能性小分子的設(shè)計和聚合，在賦予有機(jī)分子材料以光/電功能的同時，有機(jī)化學(xué)家可以解決有機(jī)材料的可溶性、對光和氧的穩(wěn)定性等問題，從而使印刷電子成為可能。圖* 列舉了印刷三極管吉印通 刷二極管（太陽能電池），以及它們的光電性能。200* 年摩托羅拉團(tuán)隊就用全增材卷對卷和單張印刷的工藝制成了全印刷有機(jī)三極管（OFET）吉印通 刷集成邏輯電路（printed IC）。值得一提的是，這類全印刷的三極管由于電介質(zhì)層較厚（一般在t=* 00 nm以上），其運行電壓較高（10~* 0 V）。為降低運行電壓，提高可印刷絕緣材料的介電常數(shù)、用氧化柵極表面產(chǎn)生的金屬氧化物來替代印刷絕緣層達(dá)到超薄絕緣層以提高特定電容（ci=ε/t，ε為介電常數(shù)）等已有研發(fā)成果，有望將全印刷電子電路的運行電壓降低到10 V以下，從而與微電子器件有效結(jié)合以成就功能和成本優(yōu)化的柔性大面積分布的復(fù)合電子產(chǎn)品（hybrid electronics）。

圖* 在PET 薄膜上增材印刷的有源器件及其光電特征

可印刷二極管的應(yīng)用實例是光伏電池（PV）和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。2000年諾貝爾化學(xué)獎得主之一Heeger教授通過Konarka公司率先將有機(jī)光伏電池（OPV）用卷對卷印刷方式投入生產(chǎn)（圖* （b））。之后Krebs 等也做了類似的開發(fā)，并對卷對卷的印刷有機(jī)太陽能電池的工藝和成品率作了詳細(xì)的研究和優(yōu)化。雖然批量生產(chǎn)OPV的光電轉(zhuǎn)換效率在* %~* %，但是OPV的其他優(yōu)勢，如輕、柔、可卷、不易碎等，使其適合與大面積柔性可穿戴電子產(chǎn)品和建筑物裝飾（BIPV）無縫對接，用作可再生能源。

增材印刷電子材料

印刷電子作為增材電子制造技術(shù)，是基于具有導(dǎo)電、介電或半導(dǎo)體電學(xué)特征的各種電子油墨，采用微納米印刷工藝技術(shù)（包括絲網(wǎng)印刷、數(shù)字噴墨印刷、柔版印刷、凹版印刷以及納米壓印等），通過多層套印的印刷方式完成電子油墨在不同承印基材表面的圖形化轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實現(xiàn)印刷制造電子電路以及元器件產(chǎn)品的科學(xué)與技術(shù)。從材料學(xué)的角度看，印刷電子材料主要包括基底材料和電子油墨兩部分；而電子油墨通常包括電學(xué)材料、黏合劑、添加劑和溶劑* 方面的組份（圖* ）。

圖* 印刷電子主要材料構(gòu)成示意

基底材料是印刷電子器件的基礎(chǔ)和依托；填料（電學(xué)材料）是印刷電子器件的核心；相比之下，被稱作輔料的黏合劑、添加劑和溶劑在研究和開發(fā)方面盡管不主導(dǎo)光電性能，但是它們的適配能夠很好的滿足不同印刷電子工藝的技術(shù)要求，最終影響到器件的性能。因此以下從基底材料和填料兩方面概括印刷電子材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。

基底材料。印刷電子基底材料的選擇涵蓋硅、玻璃、金屬箔、紙和有機(jī)高分子材料等幾大類。但是鑒于大面積、抗拉伸、耐溫好、低成本、柔性化和輕薄化的市場需求，當(dāng)前印刷電子基底材料的研究和應(yīng)用主要聚焦于有機(jī)高分子材料上，其他材料由于各自的缺陷，應(yīng)用范圍已經(jīng)大大縮小。例如，硅基材料彎曲性能相對較差，而且成本較高；薄玻璃彎曲性能較好，但脆性高；金屬箔耐高溫，但粗糙度高且成本高；紙張價格低廉，但耐溫性、吸墨性、粗糙度和抗拉伸強(qiáng)度方面的表現(xiàn)較差。比較而言，有機(jī)高分子材料綜合了高彎曲特性、透明性、低成本等特征，因此有機(jī)高分子基底材料獲得了廣泛使用。表2列舉了目前廣泛使用的有機(jī)高分子基底。然而開發(fā)尺寸穩(wěn)定、耐高溫、耐腐蝕、低吸濕、低成本的印刷電子基底材料，仍然有很多的研究空間，需要在材料方面開展更加深入和廣泛的研究。

表2 典型有機(jī)高分子基底材料及其特性

填料。填料是印刷電子器件的核心。按照材料的導(dǎo)電性能劃分，填料主要包括導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體材料和介電材料三大類。而按照材料的化學(xué)組份劃分，電子材料可以分為無機(jī)電子材料、有機(jī)電子材料和復(fù)合電子材料（表* ）。兩種劃分維度交叉形成* 大類9 小類，以下將以此為框架作簡要評述。

表* 典型印刷填料

1）導(dǎo)體材料。

研制具有柔性、可延展、低阻抗和低操作溫度的新材料一直是印刷電子導(dǎo)電材料研究努力的方向。從成本和工藝實現(xiàn)的角度，無機(jī)導(dǎo)電材料一直是導(dǎo)電材料的首選，特別是納米技術(shù)的飛速發(fā)展，為無機(jī)導(dǎo)電材料的發(fā)展注入活力。目前，常用的無機(jī)導(dǎo)電材料是以Al、Ag、Au、Cu、Ni等幾種元素為基礎(chǔ)的納米材料，包括金屬及其氧化物的納米粒子、納米線等。液體金屬，如銦化鎵（EGaIn）、Bi* * In* * .* Sn1* Zn0.* ，是最新出現(xiàn)的一種新興材料，直接打印、無毒、良好的生物相容性使其具有廣泛的應(yīng)用前景。碳基納米材料，如碳納米管、石墨烯，也是近年來研發(fā)的熱門材料，不少已經(jīng)成為成熟產(chǎn)品進(jìn)入市場?？傮w而言，可直接打印具有導(dǎo)電性能的材料，相對于需要后處理（如熔結(jié)、原位反應(yīng)）的材料，在器件性能和工業(yè)操作方面具有明顯優(yōu)勢。同時，研究也表明：零維納米材料可以精確構(gòu)筑圖形，而一維和二維納米材料構(gòu)建具有良好導(dǎo)電性能的圖形時會比較困難。

盡管在低成本和工藝解決方案的容易程度上，有機(jī)導(dǎo)電材料遠(yuǎn)不如無機(jī)導(dǎo)電材料，但有機(jī)導(dǎo)電材料在印刷電子上的特殊應(yīng)用方面具有無機(jī)導(dǎo)電材料不能比擬的優(yōu)勢。常見的有機(jī)導(dǎo)電高分子材料包括有機(jī)金屬高分子（OMPs）、電荷轉(zhuǎn)移高分子（CTPs）、離子導(dǎo)電高分子（ICPs）、氧化還原高分子（RCPs）、電子導(dǎo)電高分子（ECPs）等類型?？傮w而言，有機(jī)導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電能力遠(yuǎn)不及無機(jī)導(dǎo)體材料，但是它良好的機(jī)械性能，很好地匹配印刷基底材料，特別是在可穿戴電子器件的應(yīng)用上，有機(jī)導(dǎo)電高分子材料具有很好的應(yīng)用前景。以PEDOT∶PSS為例，自19* * 年問世以來，由于其良好的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性和透明性等，已經(jīng)得到大量研究和應(yīng)用，但是PEDOT∶PSS在水中的長期穩(wěn)定性成為它未來應(yīng)用發(fā)展的一個瓶頸。

通過復(fù)合/雜化的方式，兼顧幾種材料各自的獨特性能，進(jìn)而實現(xiàn)復(fù)合材料整體性能的優(yōu)化，是材料研發(fā)的一種重要途徑。在復(fù)合導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用方面，已經(jīng)有不少報道，包括金屬/有機(jī)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料，金屬/碳基復(fù)合材料，碳基/有機(jī)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料等。特別是納米材料的廣泛應(yīng)用，在復(fù)合導(dǎo)體材料方面也發(fā)揮重要作用，例如碳納米管摻雜的PEDOT∶PSS，既保留了PEDOT∶PSS這一有機(jī)導(dǎo)體材料的優(yōu)越性能，又通過碳或者銀納米管的引入提高材料的導(dǎo)電性能?？傮w而言，材料的均一性是復(fù)合材料研發(fā)的關(guān)鍵。特別是對于納米復(fù)合導(dǎo)體材料，其分散度直接影響納米顆粒溶液的流變和觸變特性，繼而影響沉積薄膜質(zhì)量。已有不少報道顯示添加分散劑是一種解決分散性問題的有效方案。

2）半導(dǎo)體材料。

典型的無機(jī)半導(dǎo)體材料有硅、金屬氧化物、過渡金屬氧化物、過渡金屬硫化物等。盡管無機(jī)半導(dǎo)體材料有出色的電學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性，但是它們的應(yīng)用受限于其本身在溶液中的分散性能以及較高的后處理溫度。就分散性而言，一般通過溶劑交換和高分子穩(wěn)定技術(shù)來提高無機(jī)半導(dǎo)體的分散性能；而在后處理方面，采用紫外、微波或紅外輻射或者是高壓等相結(jié)合的方式，可以有效降低退火過程的熱負(fù)荷。從形態(tài)上講，一維和二維納米無機(jī)半導(dǎo)體材料也是近年來印刷材料研發(fā)的熱點，這主要歸因于二者獨特的性能：一維納米線能夠很好地降低晶格失配；二維納米材料具有獨特的熱、電特性。

常見的有機(jī)半導(dǎo)體有P* HT、PQT-12、PBTTT等高分子材料，和BTBT、TIPS-PEN、三苯胺等一些小分子材料，它們主要依靠π鍵重合機(jī)制和躍遷機(jī)制進(jìn)行電荷傳輸。與無機(jī)半導(dǎo)體相比，有機(jī)半導(dǎo)體的電荷載流子遷移率和環(huán)境穩(wěn)定性較低，但是它的成本相對低廉、材料柔韌性較高、特別是材料的工藝性能顯著。有機(jī)半導(dǎo)體長時間處理的穩(wěn)定性和可靠性是一個技術(shù)難題，特別是當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體的電離能較低時，容易被氧化，這會導(dǎo)致器件或者設(shè)備的老化和降解。

對于半導(dǎo)體復(fù)合材料的研發(fā)也是一個研究熱點。已經(jīng)報道的半導(dǎo)體復(fù)合材料復(fù)合/雜化形式有：有機(jī)半導(dǎo)體/碳基半導(dǎo)體復(fù)合、無機(jī)半導(dǎo)體/有機(jī)半導(dǎo)體復(fù)合等。這類復(fù)合材料一方面提高了電荷載流子遷移率，另一方面保持了材料良好的柔性和工藝性能。

* ）介電材料。

介電材料是電子功能器件的基本組成要素。氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氧化鉿等是最常用的傳統(tǒng)無機(jī)介電材料，有很高的介電常數(shù)。但是在印刷電子中，為了獲得高密度薄膜和低漏電流，高溫退火操作嚴(yán)重制約它們的應(yīng)用。目前研究主要集中在通過各種濕化學(xué)法（如溶液法、溶膠法）或者低溫處理技巧來降低后處理溫度，同時減少后處理時間。相對于無機(jī)介電材料，有機(jī)介電材料介電常數(shù)較小，但是它們的操作溫度較低、柔韌性突出。有機(jī)介電材料不僅要求有一定的介電強(qiáng)度、低漏電流，同時要求材料不溶于半導(dǎo)體油墨所包含的溶劑。常見的有機(jī)介電材料有：PVP、PMMA、PET、PI、PP、PVA、PS等。為了提高有機(jī)介電材料的介電性能，通過摻雜高介電常數(shù)的無機(jī)介電材料是目前研究的重點。特別是有機(jī)介電高分子材料的BaTiO* 納米粒子摻雜。

總之，廣泛的應(yīng)用前景促使印刷電子材料的研發(fā)越來越深入。印刷電子基底材料的研發(fā)將進(jìn)一步以追求大面積、抗拉伸、耐溫好、低成本、柔性化和輕薄化等性能為目標(biāo)。而在印刷電子材料方面，開發(fā)電學(xué)性能和工藝性能更加優(yōu)良的材料將依然是未來的主要方向。

增材制造* D 打印

對于普遍意義的功能器件，其主體尺寸介于宏觀和微觀（一般認(rèn)為在幾十μm到cm）之間，被稱為介尺度（mesoscopic）（圖* ），已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生物技術(shù)、汽車、航天、軍事、半導(dǎo)體、醫(yī)療機(jī)器人、光學(xué)通信等領(lǐng)域。對于制備介尺度* D結(jié)構(gòu)，MEMS微加工技術(shù)往往受限于硅基材料，并且僅完成2D和2.* D的低縱橫比結(jié)構(gòu)制備；高縱橫比結(jié)構(gòu)可以通過深刻電鑄造模造（LIGA）技術(shù)，但其成本高、加工緩慢。超高精度加工中心進(jìn)行微加工，盡管節(jié)省了昂貴掩膜的費用，卻面臨較差的容積比和大量的能源、材料消耗。有效突破材料與工藝局限，提高整體利用率、減少能耗，明顯提升器件性能，一直以來是器件一體化制造的重要考慮?？v觀印刷電子（printed electronics）領(lǐng)域的發(fā)展，無論是噴墨技術(shù)與電流體動力噴射這類數(shù)字技術(shù)，還是絲網(wǎng)、凹版、微接觸版等印刷技術(shù)，分辨率主體集中在0.1~10 μm量級。印刷電子所涉及的材料及沉積工藝，當(dāng)結(jié)合系統(tǒng)數(shù)控與路徑設(shè)計時，極易實現(xiàn)在立體空間的三維堆積成型，也正成為功能器件一體化增材制造的重要方向之一。

圖* 介尺度器件增材制造特征示意

增材* D 打印工藝

在眾多增材制造工藝中，光固化SLA/DLP（stereo lithography apparatus/digital light processing）、墨水?dāng)?shù)字打印作為介尺度器件制造的報道較多。由于在成型速度、精度與復(fù)雜性方面綜合表現(xiàn)較突出，光固化技術(shù)成為功能器件微制造最新發(fā)展的主要載體之一。麻省理工學(xué)院Zheng研究組報道了利用光固化方法制造高度有序晶格（lattice）結(jié)構(gòu)，并通過拓?fù)渑c組分優(yōu)化實現(xiàn)了材料在低密度下杰出的剛性和強(qiáng)度（圖7（a））與負(fù)熱膨脹系數(shù)的特殊性能，使得這類超材料在減震器、隔音裝置等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。西安交通大學(xué)研究組利用服務(wù)等級協(xié)議（SLA）技術(shù)，實現(xiàn)了諸如漸變折射率的三維電磁隱身罩（圖7（b））、梯度介電常數(shù)的龍勃透鏡天線、三維光子晶體等。中國科學(xué)院研究團(tuán)隊以DLP制備* D模板，通過結(jié)合無電沉積方法，得到了超輕銅基金屬泡沫，壓縮* 0%仍可迅速回彈（圖7（c））。基于進(jìn)一步的光固聚合物功能化設(shè)計，德國Karlsruhe 理工學(xué)院與美國HRL 實驗室分別完成了復(fù)雜三維透明玻璃材料（圖7（d））與耐高溫隔熱陶瓷材料（圖7（e））的制備。

圖7 基于光固化的介尺度器件制造實例

增材* D 打印材料

在材料適應(yīng)性方面，墨水打印技術(shù)具有更多的優(yōu)勢。這里所涉及的墨水打印技術(shù)主要包括墨水直書寫與電流體噴印技術(shù)。對于前者，國內(nèi)外研究人員相繼報道了對于黏稠硅膠體系的線條精確編織，增材制造彈性、功能多孔材料系統(tǒng)，制備的樣品體現(xiàn)出拓?fù)淇煽氐哪芰课招阅芘c表面浸潤性能（圖* （a））。利用功能材料墨水設(shè)計，可以實現(xiàn)功能器件的直接制造。如微型鋰電池（圖* （b））/石墨烯超級電容、嵌入式應(yīng)力傳感器（圖* （c））、梯度多孔陶瓷、透明玻璃（圖* （d））、心臟組織（圖* （e））等。對于極具代表性的* D微型鋰電池（圖* （b）），研究人員選取了低體積膨脹率的新型鈦酸鋰與磷酸鐵鋰分別作為正負(fù)極材料墨水，通過設(shè)計墨水組分提高其可打印性，并以叉指結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行制備，同時實現(xiàn)了高能量密度與高功率密度。而最新的報道中，研究人員基于壓阻、導(dǎo)電與生物可兼容材料設(shè)計出* 種不同的墨水，進(jìn)行電極、傳感與封裝的分別制造，最終實現(xiàn)傳感-驅(qū)動一體化的人造心臟組織（圖* （e））直接制造。由于其數(shù)控結(jié)合度較高，使用范圍廣，該技術(shù)正在成為介尺度器件制造的重要工藝。直書寫使用的墨水耗材一般表現(xiàn)為非牛頓流體，并且受限于噴嘴大小與墨水之間的耦合，能打印的特征線寬在10 μm量級。

圖* 基于墨水打印的介尺度器件制造實例

增材制造針對功能器件的快速原型制備，是其前沿應(yīng)用與工程實踐的突出方向。而功能器件的自身復(fù)雜性，對于增材制造復(fù)合工藝的綜合設(shè)計，特別是功能驅(qū)動、符合材料特性的關(guān)鍵技術(shù)集成提出了新的挑戰(zhàn)，勢必要求增材* D打印不斷更新與提升其制造過程的材料通用性與成型精準(zhǔn)性。

結(jié)論與展望

印刷電子和* D打印作為典型的增材制造，已在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開展了近* 0年的研究。隨著對產(chǎn)品快速轉(zhuǎn)換、個性化/小批量生產(chǎn)、綠色制造等方面的需求增加，增材制造逐漸成為主流工藝，并被用于日常工業(yè)生產(chǎn)。印刷電子技術(shù)致力于電子和光電器件的功能材料的開發(fā)，而* D打印則側(cè)重于三維零件和器件的結(jié)構(gòu)形成，將這兩種增材制造技術(shù)加以結(jié)合，可以生產(chǎn)出具有智能產(chǎn)品所需功能的* D器件。

在20世紀(jì)* 0年代末—90年代期間，歐洲及北美科研院所和高校就已開始了印刷電子和* D打印增材制造的基礎(chǔ)材料及簡單器件的研究。美國空軍（US Army）、美國國防高級研究計劃局（DARPA）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）先后立項支持柔性顯示屏，印刷柔性電子材料和器件等技術(shù)的研發(fā)。歐盟隨后在其第六、第七聯(lián)盟框架（* th and 7th Frameworks）的200* —201* 年期間也注資了由歐盟成員國組成的多項以開發(fā)有機(jī)電子應(yīng)用為題的研發(fā)項目。日本和韓國對OLED材料及設(shè)備，新加坡對有機(jī)高分子功能性材料等也都早有布局和技術(shù)儲備。國際上通過* 0年來的印刷電子材料功能的跟蹤開發(fā)，單個器件（如三極管、印刷光伏和發(fā)光二極管）的性能已經(jīng)接近或達(dá)到實用化水平。

中國在印刷電子增材制造技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，但基礎(chǔ)科研在基于國際研發(fā)經(jīng)驗的基礎(chǔ)吉印通 展迅速。目前，已在相關(guān)高校（例如北京印刷學(xué)院、南京工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)等）和中國科學(xué)院系統(tǒng)（例如中國科學(xué)院化學(xué)研究所、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等）建成多個與印刷電子相關(guān)的先進(jìn)材料實驗室。科技部及國家自然科學(xué)基金也積極鼓勵和資助基礎(chǔ)有機(jī)和納米材料科學(xué)的發(fā)展。盡管圍繞印刷電子技術(shù)的基礎(chǔ)科研仍在不斷發(fā)展，特別是有機(jī)半導(dǎo)體與光電材料的開發(fā)，但整個行業(yè)總體處在如何開拓應(yīng)用市場，將過去的技術(shù)積累轉(zhuǎn)化成可以市場化產(chǎn)品的關(guān)鍵時期。中國科技界與工業(yè)界已開始關(guān)注印刷電子技術(shù)，最近科技部的“十三五”重點項目中，已將柔性顯示技術(shù)列入其中?？梢灶A(yù)見，在今后* ~10年中國的印刷電子科研成果對增材制造產(chǎn)業(yè)化的需求將會飛速增長。

參考文獻(xiàn)（略）

（責(zé)任編輯傅雪）

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（* 1* 7* * * * ）；常州龍城英才計劃項目（CQ201* * 022）

作者簡介：劉雷，中國科學(xué)院中國現(xiàn)代化研究中心，副研究員，研究方向為有機(jī)高分子材料，創(chuàng)新發(fā)展、現(xiàn)代化；劉禹（通信作者），江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，教授，研究方向為* D打印吉印通 刷電子技術(shù)；張婕（通信作者），常州印刷電子產(chǎn)業(yè)研究院，研發(fā)總監(jiān)，研究方向為增材制造印刷柔性電子和傳感器技術(shù)。

注：本文發(fā)表在2017年第17期《科技導(dǎo)報》，有刪節(jié)，歡迎關(guān)注。本文部分圖片來自互聯(lián)網(wǎng)，版權(quán)事宜未及落實，歡迎圖片作者與我們聯(lián)系稿酬事宜。