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产业观察家深度采访:在印刷电子领域,如何建立我们的竞争力?(2020年4月22日)

【摘要】:
印刷电子技术优势将为电子工业带来新的技术产业革命。

 

宋延林,1969年生。1996年于北京大学化学系获博士学位,1996-1998年清华大学化学系博士后。现任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师,杰青,长江学者特聘教授。中国科学院绿色印刷重点实验室主任,北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任;中国材料研究学会、中国感光学会、中国印刷技术协会常务理事,中国真空学会、中国微米纳米技术学会理事,中国颗粒学会名誉理事;国际电工协会印刷电子工作组专家。北京中科纳通电子技术有限公司董事长,摩尔材料研究院院长。

 

产业观察家:中科院化学所作为中国顶级材料研发机构,主要的研究领域和领先的成果?

 

宋博士:中国科学院化学研究所成立于1956年,是以基础研究为主,有重点地开展国家急需的、有重大战略目标的高新技术创新研究,并与高新技术应用和转化工作相协调发展的多学科、综合性研究所,是具有重要国际影响、高水平的化学研究机构。多年来,化学所面向世界科技前沿,取得一批有重要影响的基础研究成果,原始创新能力不断提升;面向国家战略需求,取得多项关键核心技术突破,高技术创新与集成不断加强;面向国民经济主战场,形成一批自主知识产权,延伸创新价值链,技术示范和产业化不断推进。 积极开展化学与生命、材料、环境、能源等领域的交叉研究,在分子与纳米科学前沿、有机高分子材料、化学与生命科学交叉、能源与绿色化学等领域取得新的突破,建设和完善了面向国家重大战略需求的先进高分子材料基地。 

 

 

2010年,北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心依托于中国科学院化学研究所组建。针对传统印刷产业的污染问题,中心基于纳米材料与印刷技术的融合创新,重点发展以绿色制版、绿色版基、绿色油墨为新体系的绿色印刷产业链系统技术。同时,致力于打印印刷基础科学问题和共性关键技术的重大突破,开展绿色打印印刷技术在印刷电子、印刷光子和3D打印等众多战略性产业的应用,成为在纳米绿色印刷领域有重要影响的研究创新基地。近三年获中、美、日和欧盟授权发明专利57项;获2016年北京市科学技术一等奖。研究成果先后入选中科院“十二五”25项重大成果和标志性进展和 “庆祝改革开放40周年大型展览”。2019年3月,Nature杂志对纳米绿色印刷技术进行了专题报道。

 

 

产业观察家:您在印刷电子材料领域取得的最新进展?

 

宋博士:纳米绿色印刷技术团队在纳米导电材料、高精度电路和高性能柔性光电器件的印刷制备领域取得了一系列有国际影响的重要进展,研究结果发表在Nature Commun., Sci. Adv., Adv. Mater. , Angew. Chem. Int. Ed., JACS等国际顶级学术期刊,获授权中国发明专利100余项,美、日、韩和欧盟等发明专利24项。技术团队突破传统曝光蚀刻工艺的局限和光刻技术的“卡脖子”问题,利用微模板精确控制功能材料的组装和图案化,实现超高精度微纳微纳线路和器件的印刷制造,为突破高精度光刻技术瓶颈提供新的可能。(Adv. Mater. 2017, 29, 1605223; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15348; JACS 2018, 140, 18) 。利用微模板操控泡沫的演变,实现了气泡的“印刷”图案化组装多类功能材料,为功能器件的印刷制备开辟了全新的思路。(Naure Commun. 2017, 8, 14110) 将打印制备的晶种模板引入到结晶体系,提出了一种利用晶种模板可控印刷制备钙钛矿单晶薄膜的普适性方法,用于制备光电探测器和图像传感器等光电器件。(Sci. Adv. 2018, 4, eaat2390) 通过表界面传递机制研究,成功将纯相的二维钙钛矿引入到三维钙钛矿体系中,克服了载流子传输过程受量子尺寸效应的限制,并利用绿色印刷技术制备出高效率、高稳定性的模块化钙钛矿太阳能电池,光电转换效率超过21%。(Adv. Mater. 2018, 30, 1805323) 通过操控液滴三维成型,避免了传统微加工方法的繁琐工艺,印刷制造了具有非对称共振结构的立面型光探测器,实现了空间全向角度的有效探测,为三维微纳光电器件的设计和制备提供了新的方法和思路。(Adv. Mater. 2020. DIO:10.1002/adma.201907280) 

 

基于上述研究基础,宋延林研究员代表中国提出并主持起草了相关国际印刷电子标准,实现我国在国际印刷电子标准领域零的突破,2019年被国际电工组织授予“IEC 1906”奖。

 

产业观察家:喷墨打印和气溶胶喷印技术被用于制作柔性电路、超细导电线路,国内外研究现状如何?

 
宋博士:印刷电子是应用印刷技术和工艺制造电子产品的新兴技术。印刷电子技术迎合了新一代电子产品柔性与个性化的特征需求,将为电子工业带来新的技术革命。根据国际知名的产业咨询公司ID Tech Ex的报告,2013年,印刷和有机电子市场规模为160亿美元,2023年,将达到768亿美元。作为一种灵活、快捷、环保的制造方法,喷墨打印技术近年来在印刷和电子等多个行业受到广泛关注。2014年以后,市场上相继出现了可弯曲的柔软如纸的显示屏、印刷电子标签、大尺寸弧形屏幕、可穿戴电子产品等,证明利用印刷技术可以部分甚至全部取代传统光刻与刻蚀工艺,制造出具有柔性、轻薄的电子产品。
 
气溶胶喷印技术目前主要处于研究阶段,其优势是很大程度上避免了喷墨打印技术的堵头问题,分辨率高(小于10 um),墨水适用范围广(墨水中颗粒粒径小于0.5um),在太阳能电池、薄膜晶体管等领域的研究有所应用。
 
印刷电子是新兴产业领域,它涉及新材料、电子技术、印刷技术和纳米技术等,在信息、能源、医疗、制造等各个领域的重要性也日益凸显,成为世界各国和跨国企业竞相发展的战略性技术。发达国家纷纷制定了重大研究计划,如美国FDCASU计划、日本TRADIM计划、欧盟第七框架计划中的PolyApply和SHIFT计划等,仅欧盟第七框架计划就投入数十亿欧元的研发经费,重点支持柔性显示器、聚合物电子的材料/设计/制造/可靠性、柔性电子器件批量化制造等方面研究。哈佛大学、斯坦福大学和剑桥大学等国际著名大学都有专门的研究团队。
 
产业观察家:国内研发进展如何,产业应用有时间表吗?
 
宋博士:2009年11月,中国印刷电路行业协会(CPCA)成立了印刷电子分会;2010年以来,中科院化学所、中科院苏州纳米所,以及北京印刷学院和天津大学、复旦大学相继组建了印刷电子技术研发团队和研究中心;2011年,中科院化学所、北京印刷学院与中科院苏州纳米所等共同组建了印刷电子产业技术创新联盟;中国科学院战略先导研究计划进行印刷电子的布局,并成功应用于2014年北京APEC会议电子门卡和手机、电脑触摸屏透明导电网格的印刷制备;2013年9月,常州高新技术开发区成立了印刷电子产业研究院;2014年,第五届国际柔性与印刷电子大会在北京召开;同年,TCL集团牵头,联合华南理工大学、华南师范大学等单位成立了广东省印刷电子产业联盟,并聚焦于印刷显示领域。
 
十三五期间,科技部布局了一系列以印刷显示为主的国家重点研发计划项目,TCL、柔宇科技等企业也在产业化的道路上取得重要进展。但总体而言,真正有重大市场影响力的产业应用还需要假以时日。
 
产业观察家:在印刷电子领域,日本、欧美等国家注重材料、设备、工艺一体化产业化研发和应用,中国科研机构和企业与国外的差距多大,如何建立我们的竞争力?
 
宋博士:印刷电子产业在全球范围内引起高度重视。其中,以韩国、日本以及中国台湾为主的亚太地区和以美国、加拿大为主的美洲地区,以及以英国、德国为代表的欧洲国家快速发展。这些国家都在政府层面推行了多项研究计划,包括建立国家层面的研发中心和联盟。如英国在2009年建立了国家印刷电子技术中心。德国2004年就已成立了有机电子协会。日本在2011年成立了先进印刷电子技术研发联盟。此外,日本新能源和工业技术发展组织投入约43亿日元开展“基于卷到卷方式的高生产—连续—高精度层叠技术与相关材料技术的开发”项目,众多企业参与到该项目的研发,包括柯尼卡美能达、住友化学、大日本油墨、大日本印刷、东亚化成、东丽、凸版印刷、日本电气、日立化成工业、夏普和日立显示器等。韩国知识经济部于2011年提出了发展印刷电子技术的6年计划,从2012年到2018年,韩国政府与工业界共同投资1725亿韩元(约合10亿元人民币),研究开发印刷电子的解决方案,并由政府主导成立了国家印刷电子研发中心,联合韩国三星、LG等电子产业巨头,对印刷电子进行产业和研发的整合和集成。
 
印刷电子产业的发展包含诸多技术要数整合。材料方面,将基于电子器件的需求,包括可印刷导电材料、半导体、介电及绝缘、封装材料,其与纳米电子材料和有机及聚合物电子材料的发展密不可分;工艺方面,从传统的丝网印刷扩展到数字喷墨、凹印、压印等工艺,印刷精度从数十微米级向微米、亚微米甚至纳米尺寸发展;印刷方式方面,从单张印刷到卷筒印刷,进一步拓展到卷到卷高速印刷;印刷电子产品方面,从局部印刷向全印刷方向发展;应用方面,趋向于大面积、轻薄化、柔性化、透明化电子器件及产品方向发展,可应用于柔性显示、物联网、太阳能和生物芯片等领域,市场前景极为广阔。
 
近年来,中国科学院化学研究所、苏州纳米所、长春应用化学研究所、华南理工大学、清华大学、西北工业大学、西安电子科技大学、天津大学、浙江大学、武汉大学、复旦大学、南京邮电大学等单位在有机光电(高)分子材料和器件、印刷电路、发光与显示、太阳能电池、场效应管、场发射、柔性电子表征和制备、平板显示技术、半导体器件和微图案加工等方面开展了卓有成效的研究。
 
总体而言,韩国、日本和欧美等国家注重材料、设备、工艺一体化产业化研发和应用,已经形成相对完整的产业链;我国科研机构和企业的研发工作比较分散,科研机构和企业的结合不够紧密。而且,我国对相关产业标准重视不够,目前,只有中科院化学所代表中国主持起草的一项印刷电子国际标准通过审核,这和日、韩形成了明显差距。
 
当前,印刷电子产业尚处于发展的初级阶段,机遇和挑战并存。未来5到10年,全球印刷电子产业将进入高速发展期。如果能够抓住机遇,有效地整合各方面的资源,组织产学研协同攻关,可望大大促进我国印刷电子产业的发展,缩短与发达国家的技术差距,乃至在某些领域形成独具的技术和产业优势。同样,传统电子行业企业也应抓住机遇,将印刷电子作为战略转型的重要培育和发展方向,争取在未来印刷与柔性电子产业中占据一席之地。
 
产业观察家:作为摩尔材料研究院院长,研究院成立宗旨是什么?摩尔材料研究院三年的主要工作是什么? 
 
宋博士:摩尔材料研究院致力于成为中国电子新材料定制化研发服务平台,面向国家产业战略需求、面向电子产业领导型企业的需求,提供电子新材料研发应用服务。电子信息产业材料发展对上下游协同创新要求极高,而我国中小型材料创新企业规模小、研发力量薄弱,难以统筹产业链上下游和产学研资源进行创新研发。为了顺应国内电子产业发展的需求,摩尔材料研究院应运而生。
 
当前,全球处于第三次技术革命与第四次技术过渡发展期,人工智能、机器人、5G通信、量子信息技术、清洁能源等蓬勃发展,对新材料的发展提出了迫切的需求。摩尔材料研究院努力准确把握时代发展趋势,深入理解产业需求,通过产学研结合、上下游协同合作,打造一个新型的创新研发和应用生态。我们将通过不断攻克科学难题实现技术创新,通过不断解决客户应用难题实现产品迭代升级。
 

材料是高新技术产业发展的物质基础和关键,但研发周期长、技术要求高。中国电子产业的高速发展催生了大批电子新材料企业,在材料开发和应用方面取得了丰硕的成果。但是,应该清醒地认识到,国产材料与欧美、日本等发达国家和地区还有相当大的差距。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”。摩尔材料研究院将肩负使命、不断创新,努力成为国内电子产业材料定制化开发与应用的重要基地。

 

宋博士个人介绍:

 
宋延林,1969年生。1996年于北京大学化学系获博士学位,1996-1998年清华大学化学系博士后。现任中国科学院化学研究所研究员、博士生导师,杰青,长江学者特聘教授。中国科学院绿色印刷重点实验室主任,北京市纳米材料绿色打印印刷工程技术研究中心主任;中国材料研究学会、中国感光学会、中国印刷技术协会常务理事,中国真空学会、中国微米纳米技术学会理事,中国颗粒学会名誉理事;国际电工协会印刷电子工作组专家。北京中科纳通电子技术有限公司董事长,摩尔材料研究院院长。主要从事光电功能材料、纳米材料与绿色印刷技术研究。作为首席科学家或项目负责人主持国家重点研究计划、中科院战略先导研究计划及863重点项目等30余项。已发表SCI 收录论文360余篇,被他人引用16,000余次,并多次被Nature, Science等作为研究亮点报道。主持和参加编写英文专著10 部,中文专著2部;获授权中国发明专利100余项,美国、日本、欧盟、韩国等授权发明专利24项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖,2016年北京市科学技术一等奖;2006 年获国家杰出青年科学基金资助,先后获中国青年科技奖、中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖、中科院杰出青年、中国科协求是杰出青年成果转化奖、毕昇印刷技术奖和中华印制大奖等。入选首批科技北京领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、中组部万人计划、国家百千万人才工程及全国优秀科技工作者等。
 
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