来源：新材料在线
以曝光、显影、蚀刻等减成法工艺为基础制程的硅基微电子技术、覆铜电路板技术和大规模集成电路技术已经发展了50余年，集成电路加工的工艺越来越复杂，投资越来越大。集成电路工业已成为全球少数几个跨国企业所垄断的行业。
近年来，随着对轻薄化、柔性化（可弯曲、可折叠以及可卷曲等）以及大面积、可穿戴等新型电子产品需求强烈， 同时，传统工业污染、环境破坏已经严重威胁到地球家园的“生态平衡”和人类的“生命安全”。绿色环保、可持续发展成为国际社会的共同的任务，也提升为中国的国家发展战略，因此，在这一背景下，催生了一大类非传统硅基电子技术，包括印刷与柔性电子技术、有机电子技术、可穿戴电子技术透明电子技术、纸电子技术、。其中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，印刷制造技术具有低耗能、节约材料、、无腐蚀工艺、绿色环保等特性而且适合轻薄、柔性、大面积电子产品的高效制造得到国家政策的大力扶持。
2011年10月，由中科院化学所、中科院苏州纳米所、天津大学、北京印刷学院、与等单位发起了全国印刷电子产业创新联盟。2012年5月，中国应邀出席了首届国际印刷电子标准工作委员会。2013年，印刷电子产业研究院在常州建立，这是中国第一个由地方发起建立的专注于印刷电子产业技术开发的研究机构。至此，我国的印刷电子行业才开始在世界的舞台上亮相。
近日，新材料在线®拜访中国科学院化学研究所绿色印刷院重点实验室，专访中科院化学所张兴业 副研究员，他主导的“柔性电路绿色数字化智能制造”项目为印刷电子行业带来了新商机。
他决心
只做对人类有贡献的研究
中科院硕博连读后，张兴业就决定留下来继续做科研，见过他的人都知道，认真地有些“偏执”，“专注于一个领域，希望做到五年十年后，别人想到这个领域就能想到我”、“如同向墙上敲钉子一样，在一个领域不停的敲打，专注地敲上五年十年一定能敲出成果”， “我从事科研最大的动力来源于一种成就感，就是我的科研成果能够给社会和自然环境带来改变和提升的成就感。”在大多数人觉得“被硕士”、“被博士”、“被博士后”而浪费了大量宝贵时间后，学有所成之后，决定从事科研工作的他在QQ签名上写下“只做对当代人类有直接正面贡献的研究”。
张兴业，山东人，中科院化学所副研究员，国际印刷电子标准专家组成员 随着世界电子电路行业的高速发展，中国在劳动力、土地、水电、资源和政策等方面拥有巨大的优势，世界电子电路产业逐渐从发达国家转移到中国。2006年中国已经取代了日本，成为全球产值最大的PCB生产基地，远远高于全球行业的增长速度。“中国电子工业的崛起，使得中国成为电路板制造大国。”张兴业对新材料在线®说道，全世界约一半电路板在中国制造，华南地区已经成为全球最大的电路板制造基地。
但是，电路板的制造过程中的污染却触目惊心。张兴业说：“除了重金属污染，直接严重威胁人身安全和粮食安全，还伴随着大量的水污染，包括脱膜显影废水、含氰废水、含镍废水、络合废水、一般清洗废水、有机废水等等。对我国相关地区造成了短期无法恢复的土地污染。”
在严峻的环境污染背景下，2011年，张兴业与团队开始探索开发绿色环保的工艺制程来制造电路板，也是在这一背景下，中国科技部立项开展绿色印刷电路技术的基础性研究，后来中科院先导专项重点扶持本项目的中试，加速产业化进程。
项目立项后，他便把自己的所有时间都投入到绿色印刷电路板的研究中来，他的决心远不止说说而已。
为了解决喷头难题
他吃饭、睡觉都在想着研究
绿色印刷电路技术项目为电子工业提供一种绿色环保的电路制造方案，解决电路板制造过程中的污染问题。张兴业介绍：“项目以绿色3D打印电子电路的核心，即打印电路为切入点，突破各类电子墨水的制备、承印基底的规模化处理和印刷软件及硬件的集成等各种关键技术，实现绿色3D打印制造电路产业化。”主要通过层层喷墨打印导电墨水的工艺实现电路的增材制造。
打印电路制程与传统蚀刻法电路制程对比 “项目优势在于第一是大幅缩短电路制造周期，无需模板，30分钟完成一个周期，所印即所得。第二是实现电路绿色化生产，不仅无“三废”，同时能耗也显著降低；第三就是实现电路智能制造，可实现电路板产业数字设计、远程控制和“无人化”管理，实现“一键式”电路制造，为电路板产业对接“工业4.0”和《中国制造2025》提供智能化解决方案。”张兴业对新材料在线®说。同时，3D打印电子电路技术具有极强的保密性，避免电子设计图的外流，在航天及军工领域可获得广泛应用。
技术竞争优势和核心指标 要实现绿色3D打印制造电路，一是印刷电子新材料的开发，二是印刷电子智能印刷装备的制备，二者缺一不可。
印刷电子新材料方面，导电墨水是3D喷墨打印电路关键技术和核心材料。“为了能使打印出来的电路板保持高的通电率，导电墨水必须具备高银含、低阻抗等特点。”张兴业对新材料在线®说道。但不曾料到，高银含量的导电墨水却给张兴业团队带来另一个重大的技术难题。
3D打印电路过程中导电墨水中的金属颗粒就像采用石子铺柏油马路一样铺成电路。墨水中因为含有大量的金属颗粒（约40wt%）,导致维持墨水的稳定性极其困难，颗粒容易沉降，而3D打印喷头喷孔的尺寸约20微米，颗粒一旦沉降，就会堵塞喷头。
早前，在开发初期，张兴业团队都是采用Epson办公用的打印机，如Me70的喷头。“这类喷头从爱普生原装机器上拆卸的，价格比较便宜，记得还不到400块钱，用墨量较少，几十毫升墨水就可以启动打印。喷头堵了、坏了，就重新更换一个，成本较低，也没有什么维护。”张兴业回忆道。
后来过渡到工业喷头，难度成指数级增长。“像柯美1024系列或富士Samba一个喷头大约3万元，如果我们的墨水将客户的喷头堵塞了，我们是要赔偿客户的，不仅仅是喷头费用，还有客户安装费、误工费等。”张兴业说道。同时，在原来的图文打印，有一个或几个喷孔堵塞了，不影响视觉识别，而打印电路属于功能部分，一个喷孔堵了，可能这块电路板就废掉了。
工业喷头采用循环墨水，对墨水的需求量大增，至少几升的量才能够循环起来，这就对导电墨水的质量、批次稳定性和生产能力提出了非常苛刻的要求。无数的难题接踵而至，张兴业说：“作为项目的负责人，我压力很大。那时候，吃饭、睡觉都在想着解决方案和可行性。”
时也运也。经过几年中科院立项对纳米战略性先导专项的大力支持，张兴业带领团队针对工业喷头，不断提升导电墨水生产能力、墨水质量和批次稳定性。
印刷电子技术 目前，张兴业团队目前已经完成了纳米银粉和导电墨水的规模化生产能力，可实现年产导电墨水10万公斤，并可以采用到常见的像赛尔XAAR、富士Samba及柯美Konica Minolta等系列的工业喷头；开发了基于工业喷头的柔性电路数字化制造装备，可实现柔性电路的大幅面、高精度、多层电路精密对位智能制造；同时已经重点开启了在智能包装领域卷到卷高速印刷生产无芯片RFID天线、智能手机电路、薄膜电路和印刷柔性显示四个领域的应用。
“绿色”+“智造”引变电子产业格局
如今，张兴业团队开发的绿色3D打印电子电路技术已经进入中试阶段，正在进行产品正式投产前的试验，对待市场，张兴业很理性，也充满信心。
根据HIS 2013 Printed Electronics Report显示，印刷电子市场规模逐年增大，预计2020年印刷电子工业市值将达243亿美元。从下游市场来看，技术产业转化方向涵盖智能包装和智能物流用射频天线，且基于消费品的低附加值，可与国内包装企业开发了无芯片射频标签，大幅降低智能化包装成本；其次是智能手机领域，如手机天线、手机扬声器薄膜电路等，为智能手机提供电路数字化制造解决方案；张兴业介绍：“该技术还可满足电子产品的柔性化、轻薄化等，我们已经与国内知名显示企业共同承担了科技部印刷显示重点专项，一旦印刷柔性显示技术成熟，保证我们能够在这个行业占领一席之地。”根据 Grand View Research报告显示，柔性电子市场规模预期，2024年市场规模超250亿美元。
十三五，我国着力发展印刷电子与3D打印为全球两大颠覆性的产业， 已经将印刷电子、印刷显示技术列入“十三五”国家科技创新规划，并列为国家重点研发计划，认为这是中国制造走向中国创造、中国智造的千载难逢的机会。
或许用不了多久，张兴业用科研改变人类生活的梦想将得以实现，秉着“绿色”+“智造”的特性，绿色3D打印电子电路技术或将引变电子工业格局。
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