印制电子技术:油墨的另类应用

技术分类: EDA工具与服务  | 2007-11-06
Robert Cravotta,EDN技术编辑

  随着新油墨技术的出现,设计师们正在研究高速印制工艺,以硅片电路几分之一的成本大规模地印制一次性电子元件。
  要 点
  设计师创新思维,采用导电油墨技术制作用户界面应用的低密度印制电路。
  随着薄膜晶体管、 电阻、 电容、 显示器、 电池、 扬声器等电子器件的出现,印制电子的应用更加广泛。
  可以同时将多个印制电子应用与传统图形直接用于产品包装中。
  新油墨技术与高速成卷印刷实现了复杂的印制电路,而成本却比硅元件低得多。


  印制电子可能是未来技术发展的又一重大突破,可以用定制的喷墨打印机或高速印刷机实现极低成本、灵活性极强的一次性电路。领先企业采用特殊油墨技术将基本的电路元件,如薄膜晶体管、 电阻、 电感和电容等转化为印制制造的电池、 显示器、传感器、 RFID 标签、互动包装、太阳能电池板、甚至是扬声器。尽管印制电子的概念已经存在数年,但近来导电油墨化学技术和柔性基材方面的发展,有望更广泛地推动市场和应用领域的发展。

图1互动电池测试仪使用导电油墨形成热阻元件和热敏油墨实现充电显示


  与传统硅基电路不同,印制电子采用累积工艺将多层导体、 半导体、绝缘材料沉积到柔性介质上,如塑料薄膜、箔片或纸张等。当前多数的印制工艺,如喷墨

打印、胶印、 柔印、凹印、 或丝印,只能沉积到单层上。印制电子只需对固定设备进行少量投资就可以按需要大规模生产,因而将以数量大、功能简单的消费类产品作为应用目标,这是硅片电路无论如何也做不到的。研究机构预言印制电子产品将会出现大幅增长。例如,IDTechEx 预测印制电子与薄膜电子市场2007 年将超过10亿美元,到2011 年将达到50亿美元,而到2017年则达到480亿美元。


  集成到产品或包装中的一次性电池测试仪,是印制电子最初的应用领域之一。这些低成本、互动的测试仪依赖导电油墨形成的热阻元件和热敏油墨实现显示。例如Duracell 直接在热敏显示器区域(图1)下方印制一个楔形电阻。当用户将导电轨迹印到端 子上时,电流流过电阻,并根据电池提供的电流加热显示器带。充满电的电池可提供足够的电流来加热整个楔形区域,同时提供良好的显示效果。Duracell 以增加很少的成本印制成了测试仪电子,作为电池包装的一部分。

  尽管印制电子不能达到硅片电路的复杂性或性能,但应用却极其广泛:只要在生产流程中增加几个电子元件,就可以开拓新的市场。印制电子的潜在应用领域大都是人机界面级别的智能产品和需要大规模生产的产品。例如,设计师利用柔软的纸张或聚合物基材可制造互动看板、服装、标签、壁纸、书籍、报纸、产品包装等,同时可直接将这些应用产品嵌入周围环境中。在很多情况下,印制电子不需要额外的设置或组装,这一点与传统电子不同,传统电子安装成本甚至可能超过器件本身的成本。

图2电子纸显示屏利用印制的热敏电阻和导电体组成的有源矩阵背板产生便携电子读物产品


  印制玩具

   T-Ink 拥有多项专利导电油墨技术,是印制电子应用的先驱。该公司将市场目标定位为不需要大量设计和测试周期的消费品、包装及促销应用。T-Ink 技术采用导电油墨的触控式应用产品取代了开关、电线、按钮、扬声器、灯及电池等元件。公司成功地推出了 Hallmark 互动桌布、  McDonald 垫布、 枕内收音机、以及互动游戏等产品。同时该公司还设计了一系列教导儿童拼写和数学训练的教育玩具,通过对印制导电油墨上色触发相应的语音提示。

  生产厂商还采用在平面载体上成行成列地沉积多层印制的有机化合物技术,从而使用印制电子来生产OLED (有机发光二极管) 显示屏。与传统的液晶显示器不同,OLED 显示器不需要背光,具有响应快、功耗低等特点。可以将有机材料印制到多种基材上,包括柔性的材料甚至纺织品,制造可卷曲、耐用的显示器。但是OLED 显示器也具有有机材料某些色彩寿命较短的缺陷。在今年的消费类电子产品展览会上,索尼 公司展示了一款27英寸OLED 显示屏高清电视样机,其对比度超过1,000,000:1。

  电子纸张是又一受益于印制电子的显示应用领域。经由印制晶体管和导电体的有源矩阵背板充电的色彩微粒的移动在电子纸张上形成图像 。电子纸张也称为电子显示屏,能像普通纸张一样反射光线,而其双稳态特性可在不使用电源的情况下无限制地存储文字和图像。Plastic Logic 最近在德国的Dresden开设了新的工厂,采用E Ink 公司的电泳薄膜技术制造柔性的显示屏,从而为“随意携带、随时阅读”的电子读物产品(图2)生产柔性的有源矩阵显示模块。

  由于半数以上病人经常误服药物,印制电子应用于医疗领域一点也不奇怪。生产厂商以印制传感器生产智能型包装,有时采用印制电池来改善药物传送效果。Cypak 为透明塑料罩板包装生产了一种药物传送系统,称为IPP (智能药物包装)。只要将IPP 放在Cypak 阅读器上,每次从罩板包装中取出药片时系统就可记录取出的药片数量,便于以后再读取(图3)。同时可以对包装进行编程来提醒病人增加服用药物的数量,只要按下纸板上的按钮病人就可以回答身体或精神状况的简单问题。

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