曾敬

1 引言

印刷電子學(xué)，是利用傳統(tǒng)印刷技術(shù)制造電子器件與系統(tǒng)的科學(xué)與技術(shù)[1]。印刷電子學(xué)起源于有機(jī)電子學(xué)。有機(jī)電子學(xué)之所以獲得材料學(xué)界廣泛關(guān)注，其原因之一就是有機(jī)聚合物材料有可能制備成溶液，并通過印刷實(shí)現(xiàn)大批量、低成本的制造[2]。除了有機(jī)電子學(xué)以外，與印刷電子學(xué)有聯(lián)系但又相對獨(dú)立的領(lǐng)域還有塑料電子學(xué)、柔性電子學(xué)與紙電子學(xué)。印刷電子制造工藝與傳統(tǒng)印刷工藝的差別就在于所使用的“油墨”是具有導(dǎo)電、介電或半導(dǎo)體性質(zhì)的電子材料，這些材料可能是有機(jī)的，也可能是無機(jī)的。從襯底材料看，可以是剛性的也可以是柔性的。比較來看，印刷電子范圍更廣，它包含了大部分的有機(jī)電子、柔性電子和全部的塑料電子、紙電子（表1）。

印刷電子技術(shù)制成的電子產(chǎn)品具有區(qū)別于硅基微電子芯片的鮮明特征，即大面積、柔性化、低成本。不過，在性能上，其精度與最小圖形尺寸分辨率還遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)集成電路加工技術(shù)。因此，印刷電子技術(shù)與傳統(tǒng)的電子制造不是競爭關(guān)系，而是相互補(bǔ)充的關(guān)系[4]。

2021年，34位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)表了《The 2021 flexible and printed electronics roadmap》[5]，不難看出，印刷電子將在全球未來電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展中承擔(dān)重要角色。有必要分析揭示當(dāng)前全球的印刷電子研究現(xiàn)狀，為今后我國印刷電子領(lǐng)域的研發(fā)布局和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

2 印刷電子SCI論文計(jì)量分析

期刊論文刊載了70%～80%的科學(xué)研究成果，對期刊論文的計(jì)量分析可以反映某一領(lǐng)域的研究趨勢?！癢eb of Science”的“SCI-expanded”數(shù)據(jù)庫（SCIE），收錄了全世界150多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的6 000多種期刊，能全面覆蓋全球科學(xué)界的主要成果。本研究以該數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，檢索分析近10年間，即2010—2021年，印刷電子學(xué)的研究態(tài)勢變化。檢索框架如表2，檢索時(shí)間為2021年9月17日，文獻(xiàn)類型為全部類型，共檢索到相關(guān)論文13 089篇。

2.1 發(fā)文趨勢分析

從印刷電子的宏觀趨勢上看（見圖1），2010年以來，印刷電子相關(guān)的研究論文處于明顯的上升趨勢。2019年更是達(dá)到了前所未有的頂峰，數(shù)量達(dá)1 652篇。由于出版的滯后性，2021年暫不做趨勢判斷。

2.2 發(fā)文國家/地區(qū)分析

從文獻(xiàn)的全球分布來看（見表3），美國、中國、韓國明顯領(lǐng)先于其他國家，位居第1梯隊(duì)。德國、日本、英國、意大利、法國、印度和加拿大位居第4～10位。被引頻次是文章質(zhì)量的重要指標(biāo)，從平均被引頻次看，美國和英國領(lǐng)先。

2.3 研究機(jī)構(gòu)

對論文的發(fā)文通訊單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（見表4），前20名活躍機(jī)構(gòu)主要來自歐美和東亞的主要國家。我國的活躍研究機(jī)構(gòu)包括中國科學(xué)院、清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等。美國佐治亞理工大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、伊利諾伊大學(xué)、西北大學(xué)是主要科研力量。韓國也在TOP 20中占得4個(gè)席位，分別是漢陽大學(xué)、韓國先進(jìn)技術(shù)研究院、首爾大學(xué)和成均館大學(xué)。

2.4 主要作者分析

對相關(guān)論文的作者進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（見表5），Tentzeris Mananos M以160篇成果位居榜首，遠(yuǎn)超第2位。對發(fā)文量超過25篇的58位專家進(jìn)行作者合著網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，Tentzeris Mananos M，Mantysalo Matti度中心性最高，在頂尖專家中具有相當(dāng)?shù)挠绊懥?。歐美日韓頂尖學(xué)者之間形成了較大規(guī)模的合作網(wǎng)絡(luò)。

我國主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)如表6所示，他們代表了中國印刷電子研究的前沿力量。值得一提的是，華人著名科學(xué)家汪正平（佐治亞理工大學(xué)）、鮑哲南（斯坦福大學(xué)）等人分別與香港中文大學(xué)和北京大學(xué)進(jìn)行了印刷電子研究合作。高水平合作的開展將進(jìn)一步促進(jìn)我國該領(lǐng)域的研究和發(fā)展。

3 印刷電子在華專利態(tài)勢分析

專利文獻(xiàn)作為技術(shù)文獻(xiàn)的一種，其申請量的分布與變化直觀地反映了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與變化趨勢。本研究采用Incopat專利信息分析平臺對印刷電子在華專利進(jìn)行分析。經(jīng)檢索，印刷電子在華發(fā)明專利申請共計(jì)5 089件，其中發(fā)明專利授權(quán)有2 280件，實(shí)用新型790件。

3.1 在華專利申請與公開趨勢

從近15年的專利申請量來看（見圖2），專利申請呈波動(dòng)上升趨勢，申請數(shù)量在2019年達(dá)到了高點(diǎn)。專利公開量一直穩(wěn)步上升，速度有所加快?？紤]到專利申請公開有18個(gè)月的遲滯，2020與2021年的趨勢暫不判斷。

3.2 在華專利的申請人主要情況

從專利申請人排序來看（見表7）是以企業(yè)為主，京東方科技集團(tuán)有限公司位列第1。從專利權(quán)人的技術(shù)分布看，專利集中在國際分類代碼H01L51（使用有機(jī)材料印刷的半導(dǎo)體器件）；H01L27（共用襯底的多個(gè)半導(dǎo)體組成的器件）；C09D11（印刷電子用油墨）；B41J2（噴墨印刷機(jī)噴嘴）；H01L31（印刷太陽能電池）。

3.3 在華高價(jià)值專利

權(quán)利要求數(shù)量是專利價(jià)值的直接反映。在華有效發(fā)明專利中，權(quán)利要求數(shù)量在30項(xiàng)以上的專利如表8所示，可以看出日本廠商的高價(jià)值專利已經(jīng)在中國率先布局，這些專利主要是印刷電子用油墨，在應(yīng)用上瞄準(zhǔn)顯示技術(shù)。

4 印刷電子產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與前景

印刷電子的價(jià)值鏈可簡單概括為5個(gè)不同的環(huán)節(jié)：基材與墨水材料開發(fā)與制造、印刷電子裝備開發(fā)與制造、功能組件開發(fā)與制造、系統(tǒng)集成與制造、終端產(chǎn)品開發(fā)與制造。

基材，即襯底材料，是電子產(chǎn)品中最基本的物件之一，用于支撐整個(gè)產(chǎn)品，并作為各元件貼合的主體。電子產(chǎn)品輕便化、薄型化成為未來電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，基材必須順應(yīng)這個(gè)趨勢。另一方面，采用印刷工藝要求減小基材厚度、降低收縮率、改善收縮變形均勻度、提高平坦度、改進(jìn)清潔度、適應(yīng)更多的表面類型和處理方法。杜邦作為全球領(lǐng)先基材供應(yīng)商，其Kapton 聚酰亞胺薄膜基板，具有卓越的高電氣絕緣屬性、彈性韌性和光滑度。2018年，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）推出LEXAN CXT耐高溫薄膜，為印刷電子基板提供了高溫穩(wěn)定和高透明解決方案。目前，印刷電子的薄膜基材品種已經(jīng)相當(dāng)豐富。

作為印刷電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵上游材料，導(dǎo)電油墨市場競爭活躍，據(jù)知名咨詢公司預(yù)測，全球?qū)щ娔?020—2027年間的復(fù)合增長率為4.1%[6]。美國陶氏杜邦（DowDuPont）、德國漢高股份（Henkel AG & Co.KGaA）、德國賀利氏控股集團(tuán)（Heraeus Holding GmbH）、英國莊信萬豐（Johnson Matthey）、法國多墨（Poly—Ink）、美國太陽化學(xué)公司（Sun Chemical Corporation）、創(chuàng)意材料公司（Creative Materials Inc）、應(yīng)用油墨解決方案公司（Applied Ink Solutions）和沃貝克材料（Vorbeck Materials）等是全球領(lǐng)先的導(dǎo)電油墨制造商[7]。2018年12月，杜邦公司推出第2代模塑電子材料，使觸摸控制和照明等功能能夠直接嵌入塑料部件內(nèi)部。2020年8月，漢高股份與美國創(chuàng)業(yè)公司CHASM先進(jìn)材料（CHASM Advanced Materials）達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同加速印刷電子領(lǐng)域的創(chuàng)新。賀利氏近期推出了新型高分子材料CleviosHYE，此種材料是導(dǎo)電聚合物和銀納米絲制成的新一代混合材料，具有高耐久性和可靠性，可在1mm半徑內(nèi)實(shí)現(xiàn)至少30萬次彎曲，它將可能成為可折疊觸摸顯示器的關(guān)鍵材料。

雖然印刷設(shè)備的外觀與傳統(tǒng)印刷設(shè)備在外形上相似，但是兩者在本質(zhì)上又有諸多不同，例如印刷電子產(chǎn)品的印后處理環(huán)節(jié)所要求的燒結(jié)溫度有別于傳統(tǒng)印刷。印刷電子的產(chǎn)業(yè)化急需發(fā)展印刷機(jī)械和設(shè)備。2019年，全球首款結(jié)合量子點(diǎn)（QD）與OLED雙重優(yōu)勢的噴墨打印H—QLED顯示樣機(jī)首次面世，該樣機(jī)由廣東聚華印刷顯示技術(shù)有限公司、TCL集團(tuán)及旗下華星光電技術(shù)有限公司等聯(lián)合成立的“國家印刷及柔性顯示創(chuàng)新中心”共同研制。美國Optomec公司持有氣溶膠噴墨打印專利，對外供應(yīng)Aerosol Jet 沉積系統(tǒng)，該公司近期宣布推出新系列混合金屬3D打印機(jī)：LENS系統(tǒng)大幅面機(jī)床系列?？梢灶A(yù)見，3D打印與印刷電子技術(shù)的融合發(fā)展還會(huì)帶來革命性的創(chuàng)新成果。

5 結(jié)語

從當(dāng)前的論文和專利的統(tǒng)計(jì)分析來看，我國在印刷電子研究雖然起步略晚，但并未落后太多，未來我國印刷電子技術(shù)大有可能后來居上。

從產(chǎn)品開發(fā)與制造環(huán)節(jié)來看，印刷電子在可穿戴設(shè)備、柔性顯示器、柔性太陽能電池、傳感器、智能包裝等方面有廣泛的應(yīng)用前景。其中，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）和有機(jī)光伏（OPV）在過去數(shù)年間，性能穩(wěn)步提升且成本穩(wěn)步下降，它們將是印刷電子最先走向成熟的子領(lǐng)域[8]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的快速發(fā)展，對低成本傳感器的需求量大幅增加，印刷電子產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展機(jī)遇期。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.015

致謝：本課題獲廣東省科學(xué)院院屬骨干科研機(jī)構(gòu)創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng)“廣東科技信息資源與技術(shù)情報(bào)服務(wù)平臺建設(shè)”（項(xiàng)目編號：2018GDASCX-0118）支持。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔錚.印刷電子發(fā)展回顧與展望[J].科技導(dǎo)報(bào)，2017，35（17）：14—20.

[2] 崔錚，王展.柔性印刷電子技術(shù)解析及發(fā)展趨勢[J].集成電路應(yīng)用，2019，36（2）：26—29.

[3] 崔錚.印刷電子學(xué)：材料、技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4] 丁瑜，王曉宇，王慰.印刷電子的研究進(jìn)展與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用[J].數(shù)字印刷，2019（Z1）：1—8.

[5] Bonnassieux Y，Brabec C J，Cao Y.The 2021 flexible and printed electronics roadmap[EB/OL].（2021—06—01）[2021—09—15]. https：//escholarship.org/content/qt4xz53786/qt4xz53786.pdf t=qu50fp.

[6] The Manomet Current.Conductive Inks Market CAGR to Grow at 4.1% from 2020 to 2027[EB/OL].（2021—08—30）[2021—09—15].https：//manometcurrent.com/conductive-inks-market-cagr-to-grow-at-4-1-from-2020-to-2027/.

[7] MarketsandMarkets.Conductive Inks Market[EB/OL].（2021—07）[2021—09—15].https：//www.marketsandmarkets.com/MarketReports/conductive-ink-market-154484169.html#utm_source=IcrowdNewswire&utm_medium=PaidPR-MS-190321.

[8] IDTechEx.Materials for Printed/Flexible Electronics 2021-2031：Technologies，Applications，MarketForecasts[EB/OL].（2020—11）[2021—09—15].https：//www.idtechex.com/en/research-report/materials-for-printed-flexible-electronics-2021-2031-technologies-applications-market-forecasts/785.