采用二维材料油墨，集成电路可直接打印到织物上！
导读
最近，英国剑桥大学、中国、意大利的研究人员展开合作，利用传统的喷墨打印技术，以及廉价、安全、环境友好的石墨烯油墨，将可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上，为未来智能织物和可穿戴电子设备的制造又带来了一种新的方案。
背景
传统的硅基集成电路制造技术非常复杂且需要巨额投资，所以其制造工艺完全垄断在少数大公司手中，例如台积电、三星、英特尔、格罗方德、中芯国际。然而，随着半导体新材料技术发展，特别是溶液化的有机和无机半导体材料的研发，使得利用传统印刷技术制造各种电子元器件变得可能。溶液化有机与无机半导体材料的最大特点就是：不依赖于基底材料的导体或半导体性质，可以以薄膜形态，通过蒸发、旋涂或印刷的方式沉积到任何材料上。
印刷电子产品的最大优势就是：柔性化、低成本、大面积、绿色环保，这些都与硅基微电子产品形成强烈对比。印刷电子可以印刷任何可以油墨化的材料，制作在任何衬底材料上，因此印刷电子与其他如有机电子、塑料电子、纸电子、柔性电子、透明电子以及可穿戴电子都有相通性。虽然，目前印刷制作的电子器件性能比不上硅基微电子器件，但是其成本、大面积、柔性化等优势，使得这项技术仍然可以应用于传统硅基微电子器件无法应用的广阔领域。这一技术有望形成一个新兴产业，引导电子技术的变革。
对于印刷电子技术这个前沿科技领域，笔者之前一直就非常关注，也介绍过一些相关的创新成果，例如：
案例一：美国密歇根州立大学的科研人员研制出世界上首个完全由喷墨打印机制造的可伸缩的集成电路，例如研发团队成功制成了柔性材料、电路、有机发光二极管（OLED）。这项技术将有利于未来智能织物的廉价量产。
（图片来源： Kurt Stepnitz / 密歇根州立大学）
案例二：美国杜克大学首次完全通过喷墨打印的方式，通过纳米油墨制造出柔性的忆阻器存储设备，未来这项技术有望应用于柔性电子设备包括RFID、环境传感器等领域。
（图片来源：杜克大学）
我们要介绍的创新技术与印刷电子所需要的导电油墨相关。导电油墨应用前景广阔，例如印刷柔性电子器件：射频识别（RFID）天线、晶体管、太阳能电池。为了满足物联网和柔性电子设备的发展，我们需要使用稳定、导电、无毒的器件，低成本且高效地生产电子设备。
石墨烯，是一种非常典型的二维材料。从结构上来讲，石墨烯是由一层碳原子组成，具有蜂巢结构的单层薄片。由于其结构特殊，石墨烯在导电、导热、强度、稳定性等方面的都具有优秀的特性，也十分适合作为导电油墨使用。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
我们先来回顾一下之前介绍过的与石墨烯导电油墨相关的创新进展。
案例三：英国曼彻斯特大学研发出一种固态的柔性超级电容设备，它通过丝网印刷技术，采用石墨烯氧化物导电油墨，直接将该设备打印在纺织品上。因为油墨和纺织品衬底之间具有强大的交互作用，这种印刷的电极具有卓越的机械稳定性。这项研究巧妙地将石墨烯技术应用于印刷电子设备，有效地促进了可穿戴技术的发展。
（图片来源于：曼彻斯特大学）
案例四：欧盟石墨烯旗舰项目和英国剑桥大学石墨烯中心的科研人员一起开发了一种新工艺，生产出高质量、高浓度、水基的石墨烯导电油墨。该工艺利用微流化法的超高剪切力，从石墨中剥离出石墨烯薄片，将原始的石墨材料100%转化为有用的导电油墨片，并且无需离心分离处理，节约了生产油墨的时间。
（图片来源：James Macleod/剑桥大学工程系）
然而，除了石墨烯，其他二维材料也可用于制造导电油墨，我们再来看以下的案例。
案例五：爱尔兰都柏林大学圣三一学院的科研人员最近利用二维纳米材料，例如：石墨烯、氮化硼、二硒化钨纳米片制成的油墨，首次制造出了印刷而成的晶体管。这种低成本、可量产的技术，可打印例如太阳能电池、LED等电子设备，应用于智能食品、药物标签、下一代纸币、电子护照等产品。
（图片来源：都柏林大学圣三一学院）
案例六：由芬兰阿尔托大学、英国剑桥大学、英国伦敦帝国理工学院和中国北京航空航天大学的研究人员组成的国际跨学科科研小组，开发出一种由黑磷材料组成的油墨，可用于喷墨印刷光学电子器件。
（图片来源：剑桥大学）
创新
今天，我们再来了解一项最新的相关创新成果。最近，英国剑桥大学以及来自中国以及意大利的研究人员展开合作，利用传统的喷墨打印技术和廉价、安全、环境友好的石墨烯和其他二维材料制成的油墨，将可洗、可拉伸、透气的电子电路直接印刷到织物上。这种集成电路穿戴舒适，并经得起普通洗衣机达20次的洗涤。这种低成本、可持续、可扩展的油墨通过标准化的处理技术进行制造。
（图片来源：Felice Torrisi）
这项研究为未来智能织物和可穿戴电子设备的制造又带来了一种新的方案。相关研究成果发表于《自然通信》（Nature Communications）杂志。
这项研究受到了石墨烯旗舰项目、欧盟研究委员会的协同拨款、工程和物理科学研究委员会、The Newton Trust、中国国家自然科学基金委员会国际研究奖学金、中国科技部的赞助。这项技术已经由剑桥企业（该大学的商业化机构）进行商业化。
技术
在对于印刷电子技术采用的石墨烯油墨的早期构想工作基础上，团队设计出低沸点油墨，可以直接印刷到聚酯织物上。此外，他们发现改变粗糙的织物，将改善印刷电子设备的性能。这项工艺用途广泛，使得研究人员不仅可以设计出单个晶体管，还可以设计出全印刷的集成电子电路，它将结合主动和被动组件。
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
目前，大多数的可穿戴电子设备依赖于安装在塑料、橡胶或者织物上的刚性电子元件。在许多情况，这些元件与皮肤的兼容性有限，在清洗时容易损坏，而且因为它们不透气，所以穿戴起来不舒适。
剑桥大学石墨烯中心的博士、论文的高级作者 Felice Torris 表示：
“用于印刷电子的其他油墨通常需要有毒的溶剂，且不适合穿戴，而我们的油墨廉价、安全、环境友好，可以通过在织物上简单地印刷不同的二维材料，合成制造出电子电路。”
论文的合著者米兰理工大学的教授 Roman Sordan 表示：
“数字化的织物印刷已有几十年历史，它可以将着色剂简单地印刷到织物上，但是我们成果显示了该技术首次用于在织物上印刷整个电子集成电路。尽管我们展示的集成电路非常简单，但是我们的工艺是可扩展的，并且利用我们的技术开发可穿戴电子设备，在复杂度和性能方面并没有根本性障碍。”
论文的第一作者、博士生 Tian Carey 表示：
“这种印刷的组件具有柔性、可洗、功耗低等特性，可以满足可穿戴电子器件应用的基本需求。”
价值
这项研究为二维材料油墨带来了一系列商机，例如：个人健康技术、可穿戴的能量采集和存储、军服、可穿戴计算、时装。
Torrisi 表示：
“将纺织纤维转化为功能性的电子元器件，将带来一系列的全新应用，从医疗保健到物联网。有了纳米技术，我们的服装未来将集成这些基于织物的电子器件，例如显示器或者传感器，变得具有互动性。”
使用石墨烯和其他二维材料（GRM）的油墨制造出可以集成到面料和创新织物中的电子元器件和设备，将成为智能织物行业新技术进展的中心 。
参考资料
【1】http://www.cam.ac.uk/research/news/fully-integrated-circuits-printed-directly-onto-fabric
【2】Tian Carey, Stefania Cacovich, Giorgio Divitini, Jiesheng Ren, Aida Mansouri, Jong M. Kim, Chaoxia Wang, Caterina Ducati, Roman Sordan, Felice Torrisi. Fully inkjet-printed two-dimensional material field-effect heterojunctions for wearable and textile electronics. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01210-2
了解更多前沿技术文章，请点击“阅读原文”。咨询和交流，请联系微信：JohnZh1984。