详解印刷电子

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印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。在过去的50年中,硅基半导体微电子技术占据了电子技术的绝对主导地位。但由于硅基集成电路制造技术的日益复杂和所需要的巨大投资,硅基集成电路的制造完全垄断在全世界少数几家大公司手中。

过去10多年中对溶液化有机与无机半导体材料的研究开发催生了用传统印刷技术制造各种电子器件的探索研究。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。

传统硅基微电子技术尤其是大规模集成电路技术已经发展了50年,随着电路尺寸进入20纳米时代,集成电路加工的工艺越来越复杂,所需要的投资越来越大。集成电路工业已成为全球少数几个超级跨国企业所垄断的行业。近年来,另一大类非传统硅基电子技术得到飞速发展,包括有机电子技术、塑料电子技术、柔性电子技术、纸电子技术、透明电子技术、可穿戴电子技术与印刷电子技术。

印刷电子技术是集传统印刷技术与电子技术于一体,将传统印刷技术应用于电子制造的一个新兴技术与产业领域。与传统硅基微电子器件的加工制造技术相比较,印刷制造技术有以下优点:印刷是一种增材制造技术,具有低能耗、低材料消耗、无腐蚀工艺、绿色环保的特征。与硅基微电子器件不同的是,印刷加工的电子学器件与基底材料无关,可以在各种基材上制备电子器件,包括各种柔性基底材料。印刷电子制造投资低。所需要的设备与传统印刷设备基本相同,大大低于硅基微电子器件加工所所需要的设备。


图表1: 新兴非硅基电子技术的特点

印刷电子制造与传统印刷有基本相同的特征,可以实现大面积批量化制造,尤其是卷对卷连续生产制造,可以大大降低制造成本。印刷是一种手段,具体制备的电子器件或制造的产品取决于所使用的材料,包括可以印刷的功能电子材料与基底材料。因此,印刷电子实际上涵盖了表1 中列出的有机电子、塑料电子、柔性电子、透明电子、纸电子和可穿戴电子。因为印刷既可以印刷有机材料也可以印刷无机材料,即可以在刚性基底上印刷,也可以在柔性基底上印刷,包括塑料、纸张以及透明基底。

需要注意的是有机电子、柔性电子、印刷电子等新兴电子技术并不能取代传统的硅基微电子技术。尽管印刷本身有工艺过程简单、节能环保等诸多优点,但并不具备传统硅基微电子制造技术的高精度与高密度。可印刷的电子材料的性能也要比传统硅基微电子所依赖的晶体材料差。

上图比较直观地说明了印刷电子与硅基微电子的关系。就性能而言,印刷电子不如硅基微电子,但印刷电子器件与产品的大面积、柔性化与低成本是硅基微电子所不具备的。它们不是互相取代,而是互相补充。各自有其市场地位。而印刷电子技术所拥有的市场是一个快速发展并潜力巨大的市场。


1.1 定义

印刷电子学(Printed electronics),顾名思义,是基于印刷原理的电子学。更具体一些,是利用传统的印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术。印刷电子制造技术中使用的油墨是具有导电、介电或半导体性质的材料。《印刷电子学》


1.2 特点

a) 印制技术的导入简化电子产品制造工艺

任何电子设备必定有相关元器件和零件组成,通常是由印制板(PCB)承担了元器件的支撑和连接作用。印制电子产品兼有PCB作用,可代替PCB。印制电子制造是采用直接印制图形的方法,与PCBPCBA(装配)制造相比基本流程如图,显然印制电子比前者工序简化约一半。


图表2: 常规PCB工艺与印刷电子工艺对比

b) 把电子电路与元器件集合在一起,连接可靠

通常的PCB仅是PWB(印制线路板), 成为电路功能的元件是后装上去的,即由PCBA完成。而印制电子是在基材上既有线路又有元件,都由印制完成,成为真正的电子电路。而且印制电子产品的元件与线路是完整一体,连接可靠性高。

c) 产品轻薄、可挠曲,减少体积与重量,适合各种形状要求

印制电子产品基材以有机薄膜为主, 具有可挠曲、轻薄的特点,其印制形成的元件是厚膜型的,相比PCB上安装的元件要轻薄。因此印制电子具有挠性印制板(FPC)的优点,又胜过FPC

d) 省料省工,减少成本

印制电子用有机薄膜和各种油墨材料的成本,低于PCB用覆铜箔板和各种化工材料;印制电子加工过程也少于PCBPCBA,而且印制电子又可以成卷加工(R2R);由于加工过程简单,印制电子用生产设备投资也没有PCBPCBA复杂;因此印制电子适合低成本要求。

e) 绿色生产,有利环境保护

印制电子生产废弃物极少,不需化学蚀刻和电镀工序,几乎没有废水,是项清洁生产工艺技术。


1.3 应用领域

印刷电子技术是基于印刷原理的电子制造技术。在过去的50年中,硅基半导体微电子技术占据了电子技术的绝对主导地位。但由于硅基集成电路制造技术的日益复杂和所需要的巨大投资,硅基集成电路的制造完全垄断在全世界少数几家大公司手中。因此,在过去10多年中对溶液化有机与无机半导体材料的研究开发,催生了用传统印刷技术制造各种电子器件的探索研究。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。沉积的手段可以是蒸发、旋涂或印刷方式。

由此而产生了不同于硅基微电子学的一些新的电子学领域,例如有机电子学 (Organic electronics),因为有机半导体材料是最早开发出来的溶液化半导体材料,当然有机半导体材料还包括非溶液化的小分子材料等;塑料电子学或纸电子学 (Plastic electronicsPaper electronics),因为溶液化半导体材料可以制作在塑料薄膜或纸张上;柔性电子学 (Flexible electronics),因为基底材料的柔软性不影响这类电子器件的工作;透明电子学(Transparent electronics,因为许多有机或无机电子材料是透明或半透明的,做在玻璃或透明塑料基底材料上可以使整个电子学器件或显示屏透明化;印刷电子学 (Printed electronics),因为大面积或大阵列电子器件可以像传统报纸印刷那样大批量制作。而印刷电子学则可以涵盖其他这些特殊电子学领域。例如,印刷电子既可以印刷无机电子材料,也可以印刷有机电子材料(包含了有机电子学);既可以在硅、玻璃、不锈钢衬底上印刷,也可以在塑料或纸衬底上印刷(包含了塑料电子学、纸电子学或透明电子学);即可以在刚性衬底上印刷,也可以在柔性衬底上印刷(包含了柔性电子学)。

印刷电子产品的最大特点与优势是大面积、柔性化与低成本,与硅基微电子产品形成强烈对比。印刷制作电子器件所需设备投资极低,而且印刷电子器件可以制作在任何衬底材料上。尽管印刷制作的电子器件性能不如硅基微电子器件,但成本上的优势和大面积与柔性化特点使印刷电子技术仍有硅基微电子器件所不能胜任的大量应用领域。

印刷电子技术目前还处于产业发展的初期,但是已显现其市场规模具有很大的发展潜力。据调查数据显示,印刷电子技术和产业涉及面很广,包括能印制形成电路或者电子元器件的有机、无机或者合成材料,生成晶体管、显示器、传感器、光电管、电池、照明器件、导体和半导体等器件,以及互连电路的工艺与产品。印刷电子产品的应用领域归纳为下表:


图表

3: 印刷电子产品的应用领域

1.4 具体实例

近日,印刷电子的形式又发生了新的变化,薄膜型电子装置也成为了可以印刷的产品。日本凸版资讯公司声称智能卡产品(SMP)是最具潜力的印刷电子产品,它不但具有智能化和可大批量生产的特点,而且允许客户进行定制。这些产品可以用在人机界面上或连接到网络上,也可以与生产环境融合在一起。这意味着印刷电子将为广大用户开拓出大量的新市场,例如生产检测管线裂缝和问题信号的磁带等。因为毕竟横穿阿拉斯加的管道、炼油厂的地下管道和电厂的地下管道里经常会发生泄漏事故。

当然,印刷电子仍将继续开发磁带、墙纸、招贴、补丁和包装等形式的产品,而不是生产电子设备。那些已经开始生产补丁、包装产品的电子公司(例如3M)和凸版印刷公司将比大型计算机和电子通信企业甚至是芯片制造商具有更强的市场适应能力,并能满足更多客户的需求。

1.4.1 智能化的普及

我们基本上能从智能商店、智能办公室和智能家居中看出整个社会的变化,总而言之,智能化已经成为了整个社会的追求。美国军队就打算用印刷电子来使战士的背包重量减轻三分之二,此外,部队还将为战士提供智能化的服装,让服装来发电、发热、制冷、监控重要信号和起到多种天线的作用。印刷电子能够降低成本,但它同时也采用了更加复杂的结构,这些新的结构往往比传统结构具有更好的性能更高的容错能力。一般来说,印刷电子多被用在不适合使用传统技术的领域中。

1.4.2 印刷电子技术

这项技术的最大潜力在于它的有机或有机/无机混合结构上,因为它经常要将最低的成本和最快的印刷技术结合起来,例如凹版印刷中使用的水性油墨,它能在较低的温度下固化。喷墨印刷也是现在比较流行的一个选择,因为它对不均匀的承印物具有一定的容忍度,而且能够立即更改程序。除了逻辑卡片、存储卡和一些小型传感器之外,芯片所做的贡献是比较小的,因为它只有在体系很小的情况下才能帮人们节约成本。

通过对使用印刷电子的不同设备进行比较,我们可以发现大体积的设备往往更加经济。比如说,驱动器、电池、电容器、电阻器、光电伏特计和多种感应器等都能直接进行复合,而不需要使用在与芯片相连时必须使用的可靠性低且价格昂贵的互联装置。

但是,现在唯一能够对现有技术产生重大影响的可能就是纽扣电池和其它有限的几种产品了,将来,传统照明产业也将受到应影响。届时,有机电致发光显示器的前期成本、安装成本和使用成本都将大幅上涨,但这至少要等到十年以后了。印刷电子和其它电子元件的应用范围也是非常广泛的,因为它能起到新的作用、创造新的市场,这不仅是因为它能取代原有的解决方案,而且因为它能给新的生产方式和新兴产业带来光明。

1.4.3 承印物所带给印刷电子的巨大机遇

印刷电子的最大机遇主要体现在柔性纸张或聚酯承印物上,因为它们是成本最低和最适合进行批量生产的材料。例如,人们能用它们生产智能标签、智能包装、书刊、报纸、标牌、招贴和广告牌等产品。与当今普遍使用的传统电子电气产品相比,柔性承印物的安装费用要低很多。

在印刷电子产业发展的早期,有些技术专家曾经预言说印刷电子的寿命、性能和成本将影响这个行业的发展速度。此外,人们想象力的缺乏也将阻碍印刷电子产业前进的脚步。不同类型的电子元件所带给人们的挑战也是多种多样的。下面我们将提到RFID标签(将薄膜晶体管电路与天线结合起来)和近年来推出的不同形式的薄膜太阳能电池等。

无论如何,随着使用方法的不断成熟和技术缺陷的不断改进,人们可以随心所欲地进行产品设计并制定出适用性较强的营销计划。举例来说:人们可以用当今的印刷技术来为麦当劳公司生产桌垫、为TOYS"R"US生产无线电接收装置,减轻美国军队所使用的汽车和保密设备的重量和占地面积。

1.4.4 从柔性电泳显示器的竞争中学到的东西

2007年,最具爆炸性的一条新闻可能就是Plastic Logic公司打算投资1000万美元在德国的德累斯顿建立一家生产柔性电泳显示器的工厂。这家公司将主要生产专门用于可随时随地进行读取的电子阅读器产品上的柔性有源矩阵显示器。它将采用Plastic Logic独特的生产过程,利用轻薄而强大的印刷晶体管底板制造出有源矩阵显示器,从而让人们获得接近于纸面阅读的新的阅读体验,这是其它技术所无法比拟的。

此项融资是欧洲历史上最大的风险资本。Oak投资公司的管理者Bandel Carano说:“Plastic Logic开发出了最色先进的技术,这项技术将改变移动媒体互动的方式。这项投资符合Oak公司的原则,我们认为Plastic Logic生产的手持设备将使媒体与受众的互动方式发生革命性的改变。

Amadeus的经理Hermann Hauser评价说:从一开始,我就非常支持Plastic Logic公司,我为该公司能率先将塑胶电子转变为商业产品而感到高兴。在一大笔投资的帮助下,Plastic Logic公司不仅能够扩大生产规模,而且能为我们创造出一个新的电子产业,它所生产的产品也将弥补现有芯片的不足。

就在Plastic Logic公司大刀阔斧准备建立柔性电泳显示器生产工厂的同时,日本的索尼公司也在从事着相同的工作。这家大型企业已经开始销售硬性电子显示器了。但是,它在用于柔性承印物的薄膜晶体管的开发工作上已经处于落后地位了,于是,索尼公司在2006/7年间研究出了很多专利技术,并想借此来参与市场竞争。 Plastic Logic和索尼这两家公司所创造的新市场(电子书刊、标牌、军用显示器等)已经足以使它们富裕起来了。也许它们最终都会选择在中国进行产品的批量生产,但这个市场到底是属于谁的,我们现在还不知道。

施乐已经关闭了自己开发柔性电泳显示器的子公司,这势必将影响到太阳能电池、普通电池和很多其他电子元件在未来的发展情况,而且很明显,施乐公司错误地认为我们在前面所提到的两家公司会永远在市场竞争中取得胜利。其实像Plastic Logic这样的小公司也能够得到某些大型企业的支持。我们不能说哪一个地方的制造商就一定能在印刷电子市场上获得成功。


1.5 印刷电子起源与发展历程

尽管印刷制造具有一系列显而易见的优点, 印刷本身也是一个源远流长的技术, 但印刷电子的快速发展却并不久远。这主要归因于可印刷电子材料的发展在早期比较缓慢。20 世纪 70 年代, 有机导体材料的发现开创了有机电子学这一新学科领域。科学界对有机电子学感兴趣, 不仅仅是出于科学好奇心, 更重要的是有机聚合物材料有可能制备成溶液态, 最终有可能以印刷方式大批量、 低成本地制造有机电子器件。因此, 有机电子学发展早期即已经有人开始将有机电子材料进行溶液化处理并用于制作晶体管的尝试, 到2000年时已经出现了全部用喷墨打印方法制备的有机场效应晶体管。

有机电子学在一开始发展时就以能够低成本印刷制造为最终目的。但在相当长时期, 印刷并没有成为有机电子器件的主流制造技术。这主要是因为溶液态有机电子材料 (无论是小分子材料还是聚合物材料)的电荷迁移率(charge car⁃rier mobility, 单位: cm2·V-1·s-1)总是不如真空蒸发的有机小分子材料[4]。电荷迁移率是指半导体材料中电子(n-型半导体) 或空穴 (p-型半导体) 在外加电场下运动的速度。电荷迁移率的高低决定了晶体管在外电场作用下的开关速度, 是衡量半导体材料性能最重要的参数。有机半导体之所以远远不如单晶硅、 多晶硅及砷化镓等无机半导体材料, 主要表现在电荷迁移率的巨大差异。有机电子材料的另一个缺点是其电学性能受环境影响较大, 尤其是空气中水与氧的影响[5]。有机电子器件接触到水、 氧后会导致器件失效, 而印刷制造大多是在空气环境下进行的。提高电荷迁移率与环境稳定性至今仍然是有机电子学研究的关键领域。

如果考察印刷电子相关论文发表的年代分布, 可以发现, 以 “印刷电子” (printed electronics)为关键词的研究论文在 2005年以后才逐年增加, 2008年以后明显增长。其主要原因是无机纳米材料开始被应用于印刷电子技术。


图表4: 印刷电子研究论文发表年代分布

2000年之后, 全球性的纳米技术研究形成热潮, 各种纳米材料被发现、 被创造出来。纳米尺度的无机固体材料(纳米粒子、 纳米线、 纳米管等)本身具有多种优异的电子与光电性质, 远远优于有机电子材料。它们可以通过分散方式制成墨水或油墨, 然后用传统印刷方式制成图案。纳米材料本身的性质赋予了这些印刷图案结构以电荷传输性能、 介电性能或光电性能, 从而形成各种半导体器件、 光电与光伏器件, 真正体现出印刷技术做为一种低成本电子制造技术的优越性, 印刷电子学开始成为一个独立的学科与技术领域。2009 年后, 国际上开始出现了以印刷电子为专题的国际学术会议。2011年, 国外塑料电子杂志 (《+Plastic Electronics》) 专文介绍了纳米材料在印刷电子技术中的应用前景, 文章标题为《Nanomaterials are becoming synonymous with printed elec⁃tronics》(《纳米材料正成为印刷电子的代名词》)。

印刷电子引起全球范围广泛关注的标志性事件是 2008年美国 Kovio公司宣布开发成功喷墨打印纳米硅墨水制备的柔性射频标签(RFID), 以及 2009 年韩国顺天大学发表了通过卷对卷印刷制备基于碳纳米管等无机纳米材料墨水的RFID论文。尽管这些技术后来并没有成功走向产业化, 但让科技界与工业界看到, 无机纳米材料的确可以通过印刷集成为具有晶体管功能的电子器件。无机材料的纳米化使相应的墨水烧结温度降低到普通塑料甚至纸张能容忍的温度,真正打开了印刷电子向大面积、 柔性化、 低成本制备电子系统的大门。例如, 银纳米粒子与银纳米线等纳米尺度的银材料被制成可印刷的且可以低温烧结的墨水或浆料, 已大量用于印刷导电线路与电极, 成为迄今为止应用最广泛并最成功的印刷电子材料。

2009年, 以欧洲地区参加人员为主的大面积有机印刷电子国际会议(Large-area Organic and Printed Electronics Con⁃ference, LOPEC)首次在德国举办。此前欧洲只有与有机电子技术相关的学术会议。同是在2009年, 以亚洲地区参加人员为主的首届柔性印刷电子国际会议(International Confer⁃ence on Flexible and Printed Electronics, ICFPE)在 韩 国 举办。这两个代表性国际会议都将印刷电子列为会议核心议题。在此之前, 国际上只有英国市场调查公司IDTechEx每年举办的小规模印刷电子相关会议。

2012年, 由韩国倡导成立了国际印刷电子标准委员会, 成为国际电工委员会 IEC下属的一个新的标准化制定组织。自2009年以来, 多个工业发达国家包括欧盟委员会都开始了与印刷电子技术研发相关的政府研究计划。例如, 2009 年英国成立了国家印刷电子中心; 2010年韩国也建立了国家印刷电子中心。2011年日本成立了日本先进印刷电子技术研究协会(JAPERA); 2012年韩国启动国家印刷电子发展计划, 计划在 6年时间内投资 1725亿韩元(约合 10亿人民币), 发展印刷电子全产业链技术(to⁃tal solution)。同年, 韩国也成立了国家印刷电子协会(KoPEA)。 除了政府机构的研究计划外, 科技界与工业界都开始将注意力转向这一新兴技术领域。


1.6 印刷电子(PE)与印制电路板(PCB

目前的印制板多数是在电子设备中仅起电子元器件的支撑与连接作用,名符其实是印制线路板。而印制板的发展是包含电子元件,如多层板内埋置电阻、电容,以及埋置IC器件,这是名符其实的印制电路板。基板上含有电子元件和连接线路,即为电子电路。为了适应电子设备小型化、便携带,印制板的发展方向,就是高密度互连的埋置元件印制板、集成印制板与光电印制板。


图表5: 印刷电子(PE)与印制电路板(PCB)比较

      简单的可以理解为,印制电路板(PCB)解决的是电路/系统的连接层问题,而印刷电子则解决的是系统中的器件或功能问题,乃至于可以直接生成完整的电路/系统。


智能包装,指通过创新思维,在包装中加入了更多机械、电气、电子和化学性能的等新技术,使其既具有通用的包装功能,又具有一些特殊的性能,以满足商品的特殊要求和特殊的环境条件。智能包装应用在几乎所有的产品应用领域,包括电子产品、食品、饮料、医药、生活用品等。根据Technavio最新的报告预计,全球智能包装市场将以近8%的复合年增长率增长,到2019年超过310亿美元。智能包装正日益成为产品功能的延伸,并成为集成各种创新技术手段的载体,高新技术的浪潮将包装推向了更高的发展境界,智能包装即将成为物联网产业下一个风口!

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近年来,随着材料科学、现代控制技术、计算机技术与人工智能等相关技术的进步,带动了智能包装的飞速的发展。第一代智能包装技术基于光学/视觉识别,侧重于通过光学特性解决防伪、追踪、防盗等问题,其特点是只利用一种技术;有别于第一代智能包装技术,第二代智能包装技术将融合印刷电子、RFID、柔性显示等新型技术,使商品及其包装对于人类更具有亲和力,使人机交互式沟通更为便捷,使得“智能”包装更加主动地呈现出物联网特性。


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据IDTechEx预测,10年内电子智能包装设备的全球需求额将迅速增长至14.5亿美元。电子包装(e-packaging)市场的主要服务对象仍将以拥有电子功能的包装消费品(CPG)为主,其10年内的总产品数量将增至145亿件。当前国外已有相当数量的成熟应用案例,并成立了相应的行业组织指导产业的发展,而国内目前智能包装产业尚处于起步阶段,然后对于用户需求和应用环境丝毫不亚于国外,在未来的2-3年,智能包装市场必将成为物联网产业新的蓝海。


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智能包装分为功能性材料智能包装、结构性智能包装、信息型智能包装,其中又涉及到保鲜技术、水溶膜包装技术、二维码技术、包装性与结构创新技术、便携包装技术、纹理防伪技术、磁共振射频防伪识别技术、食品安全溯源方案技术等。而近些年来逐渐备受瞩目的印刷电子技术,更是将传统的印刷工艺应用于制造电子元器件和产品,其最大特点是它们不依赖于基底材料的导体或半导体性质,可以以薄膜形态沉积到任何材料上。在绝大多数的智能包装应用中,都可以通过整合印刷电子技术,实现更多“智能”属性,例如在仓储、运输、销售过程中的质量信息记录与表现等,并具备柔性、环保、低成本等优势。


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智能包装在保护、服务、信息等方面的强大功能,使其在药品、食品、日用化学品、物流等领域运用越来越广泛。除了延长食品、饮料、药品和其他产品的保质期以外,这些智能包装还承担着提高产品可追溯性的重担。

1)食品智能包装:指示食品是否变质(TTI技术),延长保鲜期;

2)药物智能包装:保证药物质量,提高服药的准确性和方便性;

3)日化用品智能包装:化妆品;

4)其它智能包装应用:包括库存管理、购物导向和互动(产品深度介绍)、防伪及品牌保护、质量和安全、防止产品换包,以及附加新型的功能等。


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Oculto啤酒采用了智能标签包装,其中标签采用印刷纸电池供电的两个发光二极管(LEDs),并利用物联网(IoT)连接。


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EInk推出智能型药盒电子纸显示器模组,可用于用药提醒与自动化用药记录管理。EInk的电子纸显示器模组可将上一次用药时间记录显示于药盒上,并按照预设时间通过药盒上的显示器模组自动提示下次服药的时间。


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美国国际造纸公司采用的一种超薄印刷柔性电池,用于一些消费产品的包装,这种新型电池可像油墨一样被“印刷”在产品的包装上,使之增加灯光、声音,以及其他一些特殊效果,可让制造商更有效地通过产品包装来吸引消费者。



作为物联网应用的细分市场,智能包装技术是集合了多元知识基础的新兴技术分支; 智能包装技术的出现,使商品及其包装对于人类更具有亲和力,使人机交互式沟通更为简捷;随着智能包装技术的发展,包装正日益成为产品功能的延伸,成为集成各种创新技术手段的载体;高新技术的浪潮将包装推向了更高的发展境界,发展智能化包装是必然趋势。


7. 1 发展概况及市场规模

正是由于印刷电子技术所显示的特殊优点和发展潜力及其广阔的市场前景,促使欧、美、日、韩等先进国家和地区都将印刷电子技术视为未来电子产业发展的革命性解决方案,投入大量人力物力,进行相关材料、器件、工艺技术与设备的研究开发,以拓展印刷电子在通讯、新能源、信息显示、智能电子标签、传感器等民用和军事领域的应用。

欧盟已把印刷电子产业作为欧洲企业提高产业竞争力的重要方向,在欧盟第6、第7框架计划(Eu.6,7th Frame work programFP)中都列出了多项直接促进印刷电子产业发展的联合攻关项目,并拨付巨额资金支持这些项目的实施。美国能源部和军方都十分重视印刷电子技术在研发新一代光伏电池、新一代节能照明,以及柔性显示器、智能传感器等领域的应用,并给予巨额资金支持。韩国、澳大利亚、新加坡等国也十分重视印刷电子技术的发展,甚至连泰国也成立了国家级的印刷电子创新中心(Thailand Organic & Printed Electronics Innovation Center,TOPIC)

全球知名大学科研机构,如:英国的剑桥大学、曼彻斯特大学、利物浦大学、帝国学院,德国的德累斯顿大学、达姆斯塔特大学、普兰克研究所、弗兰霍弗研究所,美国的加州大学、普林斯顿大学、马萨诸塞学、斯坦福大学、华盛顿大学、西北大学、密歇根大学,日本的东京大学、大阪大学,韩国首尔大学、国家印刷电子中心等,都有专门的团队进行有关印刷电子技术方面课题的研发工作,并成功地孵化了一批生产印刷电子用原材料和器件的科技创新企业。

一些著名的跨国企业,如:杜邦、3M、陶氏化学、黙克、巴斯夫、拜耳、索尼、松下、精工、凸版印刷、大日本油墨、三星、LG等,都在不断扩展其在印刷电子方面的业务,作为企业发展新的增长点。

根据国际知名的产业咨询公司IDTechEx提供的市场调查报告,2013年,印制、柔性和有机电子市场规模为160亿美元,至2023年将达到768亿美元,其中导电墨料和OLED占最重要的市场份额。

成立于2004年的有机电子协会(OE-A),是目前全球有机印刷电子产业界有影响力的行业组织。为了帮助政府机构、科研部门和生产企业明确科研活动和产品设计应用方向,OE-A每两年组织专家编制有机与印刷电子应用路线图。在该协会2013年发布的第5版有机与印刷电子应用路线图中,对集成智能系统、电子元器件、OLED照明、柔性显示、有机光伏五个重点领域,规划了具体产品设计及市场应用的短--长期目标,描绘了印刷电子产品的今后发展趋势。


7.2 市场应用

7.2.1 印刷RFID

印刷RFID是通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,主要有芯片和天线组成。近几年来RFID的市场正在迅速增加,广泛地应用与门禁管制如人员出入门禁监控,管制以及上下班人事管理、资产加收和废物管理、医疗应用,交通运输,防盗应用,动物监控,自动化控制等。

将来,RIFD相应的电子产品代码,将成为单品级标签的大众化产品。当芯片和天线在一个过程中一起印刷时,RFID印刷成本会大幅明显降低。所以,通过印刷RFID,将获得低成本、更高销量的电子标签。一些国际机构(如德国弗劳恩霍夫、IMEC)和企业(如飞利浦、摩托罗拉、KovioPolyIC公司)在积极发展印刷RFID技术。

据研究机构IDTechEX的报告称,2013全球RFID的市场规模为78亿美元,其预测到2024年的市场规模将达到302亿美元,这也就意味着印刷电子将会有很广阔的发展机会。

图表83: 全球RFID的市场规模(数据来源:IDTechEX

在国际市场上,首先上市的印刷电子存储器是德国公司的一个卡片游戏;瑞典公司ACREO已经开发了以WORM-存储器为基础的电子身份证,该技术同时应用于防伪;2006年,瑞典的薄膜电子公司,开始生产游戏卡和先进的纸牌;比利时的Cartamundi纸牌公司在开发先进的游戏卡和NV-内存。


7.2.2 印刷OLED

OLED是近20年发展起来的一种新型固体光技术,具有发光效率高,工作电压低、轻薄柔等一系列优点。在印刷电子领域成为最重要的印刷电子产品,OLED功耗低,能在柔性羁绊上制造,可用于白光照明,便携式多媒体设备以及视频眼镜等领域的应用。


图表84: 全球OLED生产情况

据市场研究机构IHS Markit数据,伴随有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)面板工厂的大量建成,柔性AMOLED显示屏产能将由2016年的150万平方米增长至2020年的2010万平方米,期间的复合年增长率达91%

图表85: 全球AMOLED市场增长趋势

IHS指出,2016年,能在塑料基板上生产柔性AMOLED的产能仅占总体移动应用产能目标的28%。到2020年将达80%,原因是未来四年内新建的几乎全部6代工厂及更小型工厂将具备柔性制造能力。

IHS统计,2016-2020年间,中、日、韩将新建相当于46个柔性AMOLED工厂,每间的月产能为3万片基板。这些工厂将新增1860万平方米塑料基板产能,为当前行业水平的13倍以上。IHS Markit高级总监Charles Annis表示:“所有新增产能将推动柔性AMOLED面板在智能手机中的应用。然而,随着新增柔性产能的增加,人们开始担忧,市场是否能吸纳所有潜在产能。”

IHS预计,2016AMOLED面板供应紧张将不断让位于持续增长的产能过剩。到2020年,预计供应量将超过需求量的45%以上,届时40%的智能手机将采用AMOLED面板。

Annis表示:“AMOLED显示屏将在高端手机中提供卓越的图像品质和外形尺寸优势。尽管产能过剩,但更快采用的挑战将是成本。大多数制造商的高制造成本将使平均钢性AMOLED面板价格高于同等液晶面板40%,而柔性AMOLED面板价格更将保持100%高位。针对中低端市场的智能手机制造商可能希望采购柔性AMOLED面板,但或许会受到高价位的限制。”

为了吸收所有新增产能,柔性AMOLED面板需要将智能手机市场扩展到平板电脑、笔记本电脑和可折叠显示器等新领域。最终,柔性AMOLED产能的快速增长以及面板产量的增加将有助于降低成本,提高产量并提升品质。

从长远来看,这将进一步推动其应用于更多领域,然而,在这之前,行业可能会经历一个相对困难的时期,以消化目前在建的46家柔性AMOLED工厂。


7.2.3 智能电子产品

有机电子技术的突出优势之一,是可集成多种电子设备,构成智能产品。这些产品从简单的动画标识开始,复杂性和规模不断增长,直至形成智能卡。该组合是将传感器、晶体管、存储器、电池或显示器等集成在一个基板上,构成单独或混合使用的设备,最终可能得到与集成部件完全不同的智能产品。目前此类产品的主流代表为可穿戴智能设备,而穿戴设备的发展趋势是更加便捷更加智能。但是目前主流的电路印刷技术作为穿戴设备的技术瓶颈限制了穿戴设备的发展。穿戴设备的主要组成部分,电路板,电池,屏幕都可以使用印刷电子技术予以解决,在完成一体化之后,穿戴设备的市场将进入新的春天。


7.2.4 柔性电池

柔性锌碳型电池占有最大的柔性电池市场份额,但这些电池只提供低能量密度,而且不能充电。大多数有机电子的应用目标在于移动设备,而柔性电池是移动设备重要的核心技术。伴随技术发展,柔性电池可连续使用,并会不断改进,电池性能的提高和市场需求的增长,使有机柔性电池市场前景广阔。

根据Markets and Markets发布的最新研究报告显示,到2020年,全球柔性电池市场预计将达6.17亿美元(约合39.17亿元人民币),20152020年期间,以53.68%的复合年增长率增长。

各企业纷纷开发新技术和具有成本效益的解决方案以应对新的市场趋势,如产品设备需要具有可移植性、灵活性,可自动化和连接性。终端用户可用柔性电池产品取代传统电池。薄膜锂离子电池的优点是具有灵活性、重量轻、可卷制、可折叠,无能量耗损、易于处理。因此制造商们更倾向于使用薄膜锂离子电池。

可根据技术、充电率、应用和地理区域对柔性电池市场进行划分。预测期内,包装行业有望引领市场,2014年占据30%的市场份额。在20152020内,市场有望出现47.91%的复合增长率。同样地,20152020年内,由于电子产品市场需要不断上涨,柔性电池市场相应会出现77.58%的复合增长率。

根据市场划分来看,北美、欧洲、亚太地区中,2014年北美占35%的最大市场份额,在20152020年期间,北美柔性电池市场有望出现51.97%的复合年增长率。主要柔性电池厂商包括:SamsungLG、意法半导体公司(荷兰)、火箭电气有限公司(韩国)、蓝星技术公司(美国)、Enfucell Oy(芬兰)、恩福赛印刷电子有限公司(中国)、丰江电池新技术有限公司(中国)、Paper Battery(美国)、BrightVolt(美国)、Ultralife(美国)等。


7.2.5 半有源电子标签

RFID技术是“万物互联”的关键技术。一般而言,RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件等4部分构成。未来,全球RFID技术将与传感器、GPS、生物识别结合,由单一识别向多功能识别发展。在融合发展的过程中,实现跨地区、跨行业的应用。

TechnavioResearch预测,到2019年,全球零售业RFID应用市场规模将达到39.1亿美元。同时,受全球能源日益短缺、居民对环境的重视等因素影响,油气管道、电网、汽车、建筑以及其他行业将会成为RFID应用发展的重点。

分产品看,被动式RFID技术由于体积小、寿命长、成本低,其市场规模将快速增长。目前,在AIDC产业联盟成员(谷歌、英特尔)的推动下,终端用户采用被动式RFID产品的意识逐渐强化。

分区域看,美洲RFID市场将成全球最大市场。据Technavio预测,到2019年,美洲RFID市场规模约占全球总市场规模的50%,这主要得益于美洲企业重视研发活动和运营效率,同时与美洲RFID技术研发基础较好、厂商数量众多等因素相关;紧随其后的是欧洲(占比33%)和亚太地区(占比15%)。

由于中国和印度等国家的带动,预计亚洲地区RFID市场增速将全球领先。来自Lux Research 的报告显示,预计2017年中国RFID芯片市场将增长至现有规模两倍以上,达到8.078亿美元,其中超高频(UHF)市场规模将达到2.36亿美元。

图表86: 全球柔性电子标签市场增长趋势(来源:IDTechEx

      根据IDTechEx的相关报告,未来10年全球半有源(电池辅助)电子标签市场年复合增长率将超过10%,预计到2027年将占据所有新增市场的40%份额以上,随之带来的柔性电池市场也将有爆发式增长,无芯片式RFID电子标签也将成为新兴增长区域之一。


印刷电子(Printed Electronics or printable electronics)技术作为一种低成本,高性价比,节能环保的革命性技术, 在过去的二十年取得了飞速发展。许多新的高性能材料,新颖优异的加工工艺被不断的研发出来,并充分应用到各种电子产品中,同时又延伸出许多功能新颖,性能独特,价廉物美的新应用出来,极大的改变了我们的生活。其中,印刷电子技术在智能包装领域的应用尤其引人瞩目。

智能包装(Intelligent packaging, smart packaging, or active packaging)技术随着近些年来材料,机械、电气、化学等相关行业,尤其是低成本,高性能印刷电子行业的快速发展,在过去二十年也取得了飞速发展。 目前,智能包装技术已经被应用在几乎所有的产品应用领域,包括电子产品、食品、饮料、医药、生活用品等领域。

印刷电子与智能包装这两个行业市场潜力巨大。根据 IDTechex预测, 2017年全球印刷电子的市场规模将达到482亿美元, 到2027年更将达到3,000亿美元的市场规模。根据Technavio最新的报告预计,全球智能包装市场将以近8%的复合年增长率增长,到2019年超过310亿美元, 我国智能包装行业市场规模也会有同步的增长速度。据估计,到2022年我国智能包装行业市场规模将突破110亿元 。

为确保在印刷电子行业与智能包装这两个行业全球市场上的份额,许多国家地区(如美国,欧盟,日本,韩国,台湾等)的许多企业和科研院所(如Du PontXeroxBASF, Apple, Samsung等)不断投入大量的资金和人力,对于相关技术进行研究开发,并为此在全球许多国家申请了大量的专利以保护其技术的市场独占性。

虽然中国近年在这两个领域的研究进展很快,但是相对其他国家地区来说,仍然刚刚起步,除了本身技术水平的限制外,还需要面对外国企业的重重专利壁垒。所以,如果中国的企业和科研院所需要在这两个领域上有所突破和发展, 形成规模的产业,并具有一定的话语权的话,需要充分了解全球印刷电子技术领域和智能包装技术领域的整体状况和发展趋势,同时需要积极在全球范围进行高效的专利布局。

在此,我们拟对全球的印刷电子技术领域以及智能包装技术领域进行一系列系统的专利分析,希望通过该分析,使得中国的企业和科研院所能够清晰全球印刷电子行业和智能包装行业的整体状况,摸准发展的趋势和热点,从而准确找到研发的突破方向并明确市场定位,进而进行合理的专利布局使得自身在竞争激烈的国际国内市场上处于有利地位。

8.1 专利整体状况分析:

8.1.1 印刷电子技术领域

在全球范围,通过专利检索发现, 在该领域专利申请数量从 20世纪90年代左右开始迅猛增长,到2016年左右达到每年5000件以上 。按照专利受理的国家和地区来区分,在美国受理的专利申请占比最大,大约占全球总申请量的61%,其次为WIPO (16%) EPO6%),韩国(4%),而中国受理的专利申请数目达到1984件,占比 4%,居第五位 (以上扇形图)


图表107: 印刷电子领域全球专利发展及布局


从专利申请人角度,印刷电子技术领域专利申请数目排在前十的全球科技公司包括5家美国公司(Du PontAmerican Express Kodak Xerox3M),2家家德国公司(MerckBASF),2韩国公司(SamsungLG),1家日本公司(Canon),表明这些发达国家的这些跨国科技企业在印刷电子技术领域拥有较强的技术储备和技术实力。

而在中国范围,该领域专利申请数量从2000年的4件迅猛增长至2016年的316件,其发展速度远高于全球平均水平,然而由于基数小,目前在全球仍然所占比例不大,仍然有较大的发展空间。从专利申请人角度,印刷电子技术领域专利申请数目排在前五的申请人包括Merck(德国 ),LG(韩国),复旦大学(中国),南京邮电学院(中国)和Du Pont(美国),所以在中国,跨国公司在该领域的专利布局还是处于主导地位,中国公司和科研院所仍需要努力。

8.1.2 智能包装领域

在全球范围,通过专利检索发现, 在智能包装领域领域专利申请数量从 20世纪80年代左右开始增长,到2016年左右达到每年将近4000件,然而发展速度不如印刷电子领域。按照专利受理的国家和地区来区分, 美国处于绝对领先地位 (84%),其次为WIPO (7%), 其他地区和国家都较少,其中,中国 2%,居第五位 (以上扇形图)


图表108: 智能包装领域全球专利发展及布局


从专利申请人角度,Samsung 在智能包装领域以7504件专利申请排在绝对领先地位,其他排名前十的全球科技公司包括:1家荷兰公司( Philips),4家美国公司(IBMMicronTyco ElectronicsIntel),2家日本公司(Semiconductor Energy Lab Renesas, 1家澳大利亚公司(Silverbrook),和另外1家韩国公司( LG),表明这些发达国家的这些跨国科技企业在印刷电子技术领域拥有较强的技术储备和技术实力。

而在中国范围,该领域专利申请数量从2000年的2件迅猛增长至2016年的102件, 然而目前在全球仍然所占比例不大,仍然有较大的发展空间。从专利申请人角度,该领域专利申请数目排在前列的申请人仍然是跨国科技企业,包括Samsung(韩国)和Philips(荷兰)等, 中国仍有待提高。

8.2 专利技术领域分析

印刷电子和智能包装技术,按照其各自的特点,可以对各个分类领域进行细致的分类。对于这些领域内的专利进行系统分析,有助于我们掌握印刷电子技术和智能包装技术在各个大领域以及进一步细分的亚技术领域的研究热点,发展趋势,以及科技企业在该领域的研发实力。对于这些科技情报的准确了解,有助于我们中国印刷电子技术行业和智能包装行业整体以及各个企业能够更精确的把握市场脉搏,更准确的明晰战略发展方向,并进行更合理的产业布局。

8.2.1 印刷电子技术领域

目前印刷电子技术的发展主要集中于三大技术领域:材料,工艺,以及应用。

A)印刷电子材料技术领域:

印刷电子的材料按照功能不同主要包括基底材料(substrate)和电子功能性油墨材料(ink) 。右边表格总结了在印刷电子基底材料和电子功能性油墨材料领域内在全部年限和过去3年(2014-2016)专利数目排名前十的基于IPC (International Patent Classification)分类的技术亚领域。可以看出,涉及基底材料领域的专利申请主要集中于H01L51H05B33H01L29H05K3H05K1,而位于前五的IPC分类包括: H01L51/52, H01L51/00 H01L51/56H01L51/50,以及H05B33/22,其在最近3年上的研究仍然较热。而涉及电子功能性油墨材料领域的专利申请主要集中于C09DD11, B41J2B41M5H01L51G09G3,和G09F3。而位于前五的IPC分类,除了C09D11/00 C09D11/38一直较热外,最近3年在C09D11/52H01L51/50C09D11/30 上的研究属于比较新的热点。

B) 印刷电子工艺技术领域:

目前正在研究开发的印刷电子工艺技术主要包括网版印刷技术(Screen Printing),喷墨印刷技术(Inkjet Printing),凹版印刷技术(Gravure Printing),柔版印刷技术(flexographic Printing),平版印刷技术(Offset Printing),气溶胶喷射印刷技术(Aerosol jet),以及最近几年出现的3D印刷技术(3D Printing)等等。

图表109: 印刷电子工艺技术领域专利分布


C
)印刷电子应用领域:

上图总结了全球印刷电子技术在几种主要工艺技术的专利数目(截止20161231日)。可以看到,网版印刷技术和喷墨印刷技术是目前在印刷电子领域发展的最好的两种印刷技术;凹版印刷技术,柔版印刷技术和平版印刷技术属于正在蓬勃发展的印刷技术;而气溶胶喷射印刷技术和3D印刷技术其研发活动才刚刚开始。 另外,最近3年在各个印刷电子工艺领域的居于前三的IPC分类如右表格所示,它们代表了其工艺领域内的研究热点。

印刷电子技术在许多的具体应用领域的研发活动十分活跃 。根据不同的作用原理和应用目的,印刷电子的应用领域可以分为:能源类应用(主要包括光伏,储电电池,电容等),信息类应用(包括RFID,感应器,逻辑存储,智能包装等),显示与照明类应用(显示,照明等)等三大类应用领域。上图总结了全球印刷电子技术在上述三大类应用领域的专利数目(截止20161231日)。可以看出,印刷电子技术在能源类应用领域专利数目最多,其次为信息类应用领域和显示照明类应用领域。

在能源类应用领域,印刷电子技术在太阳能类应用(光伏和太阳能电池)的公布专利数目最多,其次为电池类和电容类应用。从专利权人角度,印刷电子技术在能源类应用领域的专利申请数目排名前三的公司包括Merck Patent Gmbh, Universal Display, BASF。另外,最近3年在各个能源类亚应用领域的居于前三的IPC分类如右表格所示,它们代表了印刷电子技术在其亚应用领域内的研究热点。

在信息类应用领域, 印刷电子技术在感应器类和逻辑存储类应用的公布专利数目最多,其次为智能标签和包装类应用,RFID类应用较少。 印刷电子技术在最近3年专利数目排名前三的基于IPC分类的技术亚领域如右图表格显示,它们代表了印刷电子技术在其亚应用领域内的研究热点。

在显示与照明类应用领域,印刷电子技术在显示类应用中的专利数目远远超过在照明类应用中的专利数目。在显示与照明类应用领域表现抢眼的科技公司包括Universal Display, E Ink, Semi- conductor Energy Lab 等。最近3年印刷电子技术在在显示与照明类应用领域的居于前三的IPC分类如右表格所示,它们代表了印刷电子技术在其应用领域内的研究热点。

8.2.2 智能包装领域

目前智能包装技术,按照其产品的目的不同,可以分为活性包装(active packaging)亚技术领域和智能包装(intelligent packaging)亚技术领域。

A)活性包装亚技术领域:

活性包装技术主要是在一个被动包装中对其内部储存的物品提供一系列主动控制,如微生物控制,抗腐蚀控制,湿度控制,气体控制等等,因此被广泛应用于食品,医药以及个人保健品领域。

主要的活性包装技术可以包括气体(如氧气和乙烯)吸附系统(gas scavengers),抗菌剂释放系统,防腐控制系统,水分吸附系统等。其中,气体控制以及防腐控制在活性包装技术中的专利数目较多,而微生物控制以及湿度控制的专利数目较少(见下图)。最近3年活性包装技术在上述亚领域的居于前三的IPC分类如右表格所示,它们代表了活性包装技术在其各个亚领域内的研究热点。从申请人角度,专利申请表现抢眼的科技公司包括Merck(德国)Dow (美国), Anacor (美国)等等。

B)智能包装亚技术领域:

智能包装技术主要是针对商品从原材料采购,生产、包装、运输及储存等环节的信息具有执行智能功能的包装技术,其中包括检测、识别、记录、追踪、连接互联网等等。为实现上述功能,智能包装技术通常包括安装在包装件外部或者内部的指示器(indicator)或传感器(sensor) 。通过安装在内部的传感器来指示商品的质量现状;而通过外部的传感器或指示器来检测商品的外部储存环境,如温度、湿度等。这些信息而后通过 RFID (Radio-frequency identification)标签或NFC (Near-field communication) 标签等跟踪设备,可以记录,追踪商品在整个供应链中的信息,并连接至互联网。

智能包装亚技术领域包括指示器,传感器,智能油墨,和追踪设备(如RFIDNFC等)等一系列技术。其中RFID技术在追踪设备技术方面处于比较主流的地位,其专利数目占有所有追踪设备技术的~65%NFC技术较少(~10%)。最近3年智能包装技术在上述亚领域的居于前三的IPC分类如右表格所示,它们代表了活性包装技术在其各个亚领域内的研究热点(其中,RFIDNFC在智能包装领域的研究热点也一并列出)。从申请人角度,专利申请表现抢眼的科技公司包括3M(美国)BASF(德国), Amcor(澳大利亚)Avery Dennison(美国)等。

8.2.3 其它

以上对于印刷电子技术和智能包装技术的专利分析主要侧重于各个国家,各个企业,各个行业领域的专利数量分析,对于专利的质量和组合并未涉及。专利的质量和组合很大程度上由其权利要求的覆盖范围决定,而无法通过分析专利的数量得到,通常需要通过细致严谨的对比和分析。

      根据我们的经验,目前在各个国家地区申请专利的专利申请人中,国际大公司对于专利和布局及其重视,不仅其专利撰写的好,具有前瞻性并覆盖范围较广,而且重视专利的组合而形成攻防兼备的专利布局;而中国的很多企业通常由于发展时间短,通常缺乏国际和战略视野而忽视专利的价值,没有撰写提交质量较高的专利申请,更没能形成有效的专利布局,结果造成在残酷竞争的国内国际市场处处被动。这些希望众多的中国企业能够引以为戒。