纳米材料印刷技术的基础研究

印刷技术正在成为与传统微纳加工技术互补的电子制造技术。印刷技术与各种功能化纳米材料相结合，在低成本制造各种大面积柔性化显示、发光、薄膜太阳能电池、低成本RFID、传感器等特性化电子产品领域有传统微纳加工方法所不可取代的优势。本项目探讨将印刷作为一种批量化电子器件制造技术的可行性，重点解决纳米材料"墨水"化中的物理与化学问题，以及纳米材料"墨水"与印刷技术的匹配、与衬底材料的匹配问题。墨水化的纳米材料包括银纳米粒子与纳米线、钛酸钡纳米晶体、单壁碳纳米管等纳米材料。研究的印刷技术包括喷墨打印、气流喷射打印与凹版印刷。同时研究纳米压印技术与传统印刷技术的结合、衬底表面功能化修饰等技术，探讨高分辨率纳米材料印刷的可行性。项目以基于单壁碳纳米管的场效应晶体管传感器阵列为目标器件，研究大面积（A4尺寸）印刷纳米传感器阵列制造技术的均匀性、一致性。为进一步实现电子器件的大规模批量化印刷制造奠定基础。

近年来印刷增材制造伴随着3D打印技术的普及正在成为向传统制造挑战的一个新兴制造技术领域。印刷技术与各种功能化纳米材料相结合，正在催生一个新兴技术领域，即印刷电子技术。印刷电子改变了传统电子制造的方式，正在各种大面积柔性化显示、发光、薄膜太阳能电池、智能包装、RFID、以及传感器等电子产品的制造方面发挥日益重要的作用。本项目是国家自然基金委支持的第一个以印刷电子为主要研究方向的重点项目。项目的主要目标是探讨将印刷作为一种批量化电子器件制造技术的可行性。项目重点研究纳米材料“墨水”化中的物理与化学问题，以及纳米材料“墨水”与印刷技术的匹配、与衬底材料的匹配问题。同时研究新型纳米材料印刷技术，衬底表面功能化修饰等技术，探讨高分辨率纳米材料印刷的可行性。通过研究大面积印刷纳米传感器阵列制造技术的均匀性、一致性,为进一步实现电子器件的大规模批量化印刷制造奠定基础。本项目团队由中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京印刷学院与苏州昆山海斯电子科技有限公司组成。项目团队体现了纳米材料与印刷技术的结合，以及科研与未来产业化需求的结合。项目任务中既有基本科学问题的研究，也有关键技术的开发。经过项目团队4年的共同努力，本项目在以下4个方面取得创新与进展：.1、在纳米材料墨水方面，研制出多种可印刷纳米材料墨水，包括银、铜、铝、ITO、半导体碳纳米管、金属氧化物半导体、有机铁电聚合物、有机光伏、无机介电材料等，部分墨水材料已实现批量化制备。.2、在印刷方法方面，发明了结合纳米压印与纳米墨水材料填充的混合印刷新技术，并建立了从喷墨打印到丝网印刷与凹版印刷等多种印刷工艺。.3、在新型传感研究方面，成功实现喷墨打印碳纳米管与金属氧化物场效应晶体管功能电路；制备出电子皮肤型微压力传感器（最小检测压力0.6pa）与高灵敏甲醛传感器（最高检测灵敏度5ppb）；研制出印刷纳米银金属网栅柔性透明导电膜触控传感器，并已应用于手机与平板电脑触摸屏。.4、在批量化印刷制造方面，印刷纳米银柔性透明导电膜已实现大规模量产；电子皮肤传感器与甲醛传感器均已达到实用化水平，已在相关企业进行产品开发。