张兴业博士革新柔性印刷电子技术：引领绿色技术革命与教育创新

  柔性印刷电子技术融合了柔性应用的需求与印刷电子制造的先进的技术,演绎了一场综合技术的革新。这项技术通过高精度的印刷工艺制作电子器件或电路,将传统的颜色油墨转换为具备电子功能的特殊油墨,使得印制出的图案拥有电子功能,如集成电路芯片(IC)所展示的电子效能。与此同时,传统IC的生产涉及光刻、显影、刻蚀等多个复杂步骤,不仅成本高昂,还存在材料浪费的问题;相比之下,柔性印刷电子技术能够直接以图形化方式将功能材料沉积于基底表面,并通过烧结工艺转化墨水材料为固态形态,还可以将成本控制在传统印刷成本的50%。此外,柔性印刷电子科技类产品具备可折叠、轻巧、抗摔,以及便于大规模生产和运输等诸多优势,开辟了集成电路及电子信息产业新的研发技术与制造路径。因此柔性印刷电子技术有着非常大的市场潜力和广阔的发展前途,拥有着改变未来电子科技类产品形态和功能的巨大潜力。

  张兴业博士是中国科学院化学研究所副研究员,兼任国家印刷电子标委会专家组成员;国际电工委员会IEC TC119印刷电子国际标准专家组成员,全国印刷电子产业技术创新联盟发起人之一,科技部印刷显示及关键材料技术专家成员,也是北京大华博科智能科技有限公司的总经理兼创始人。张博士是我纳米电子材料研发领域的带头人,为柔性印刷电子技术探讨研究做出重大贡献,实现了纳米电子材料研究的技术突破,主持并完成了国家863计划项目等多个国家级课题和重点项目,极大提升了我国的柔性印刷电子技术和纳米材料领域的研究地位。

  自2008年以来,张兴业博士在国际顶级学术期刊和重点出版物上发表了28篇学术论文,累计被引用次数超过1700多次,这明确表明他在柔性印刷电子技术及纳米材料研究领域的重大贡献和巨大影响力。他还与其他学者合著出版了《中国印刷业技术发展路线)》,这是一部科学性、前瞻性、创新性和指导性的综合性著作。在这本专著中,张兴业博士的学术理论得到了广泛的传播和业界专家的高度评价,进一步证明了其在新材料电子技术领域的做出了杰出学术贡献。作为一名公认的新材料电子技术专家,他拥有35项专利,包括22项授权发明专利、8项实用新型专利和5项外观设计专利,这些专利被引证次数为高达200多次。这充分证明了其在该领域的权威性和重要创新影响力。

  张兴业博士参加的中科院“纳米先导专项”取得重大原创性科技成果。据悉,“纳米先导专项”于2013年7月开始实施,系统布局绿色印刷、纳米器件、纳米催化等典型应用、产业共性平台支撑与标准等8大版块共17项研发任务。5年来,其专项团队已与70多家不同的企业组织了合作,吸引和带动社会资本投入超过50亿元。

  张兴业博士在中科院化学研究所课题组开展了纳米绿色印刷技术的深度研究,成功在固体表面构造了精确可控的三维微米(μm)结构,该技术凭借分辨率比较高、节能环保和成本低等优势,在印刷产业和印刷电路板行业产生了革命性变革,打破了传统印刷技术在精度上的界限,实现了微纳米级精细图案的印制以及纳米功能材料的精准组装,这一成就推动了柔性印刷电子产业的技术进步和柔性可穿戴设备的应用场景范围,并从源头上解决了传统制版的污染排放问题。中科院化学所张兴业博士的团队研发新技术在世界印刷领域全面领先。课题组主要研究了怎么来实现柔性印刷过程中不同功能纳米材料的高精度图案化和功能器件制备;纳米绿色印刷电子油墨、导电设备、生产线建设以及该技术在RFID等领域的应用研究;柔性印刷技术的关键:印刷光子材料的批量制备与应用。张兴业博士设计了在模版和基材之间毛细液桥的方法,成功实现了多种有序一维共组装结构的精细调控。同时设计了液滴的自发收缩成型思路,实现了三维微纳结构精细制造,并成功实现了气泡的印刷图案化,为中国柔性印刷制备技术及其应用取得了一系列突破性进展。该课题研究结果已发表于Nature Commun., Sci. Adv., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.等重要学术期刊。

  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,解决电路板制作的完整过程中的污染问题。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。”主要是通过层层喷墨打印导电墨水的工艺实现电路的增材制造。该技术项目优势在于:

  第一是大幅度缩短电路制造周期,无需模板,30分钟完成一个周期,所印即所得。

  第三就是实现电路人机一体化智能系统,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”提供智能化解决方案。”张兴业说。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。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。

  目前,张兴业团队目前已完成了纳米银粉和导电墨水的规模化生产能力,可实现导电墨水大批量生产,并能够使用到常见的像赛尔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、多层电路精密对位人机一体化智能系统;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。根据 Grand View Research报告数据显示,柔性电子市场规模预期,2024年市场规模超250亿美元。

  张兴业博士同样注重中国的柔性印刷电子领域的教育方面,他与清华大学合作,开展了“柔性印刷电子与实验研究”课程,为顶级学府提供“喷墨增材制造电子电路”方案。该合作项目极大地促进了柔性印刷电子技术探讨研究与实践的深层次地融合,为该领域引入了创新的解决策略与丰富的实践洞察。

  2019年12月,张博士与众多来自清华大学的教授和学生紧密合作,共同深探该技术在能源环境、人机一体化智能系统、印刷电子、生物医疗及智能家居等多个领域的广泛应用,并从印刷电子技术简介、印刷电子设备、印刷电子材料、柔性电子应用及实践操作五部分着手,为参与课程的学生介绍了柔性电子的发展历史、技术优点及关键技术,并展示了一些柔性印刷电子科技类产品。该合作不仅加强了学术界与产业界之间的互动,更为学生们提供了宝贵的实践机会,有力地促进了他们的创新思维和问题解决能力的培养。这类跨学科的合作模式推动了柔性印刷电子研究及纳米电子材料研发等相关领域的进步及产业的全面升级。

  综上所述,张兴业博士在柔性印刷电子技术及纳米材料研究领域为中国科技发展和创新做出了重大原创性贡献,他是中国柔性印刷电子技术及纳米材料研究领域最优秀的专家之一。