納米科技引領(lǐng)綠色印刷新時代
——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目研究進(jìn)展

變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目研究團(tuán)隊

1 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 北京 100190 2 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 江蘇 215123 3 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 福建 350002 4 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050 5 中國科學(xué)院自動化研究所 北京 100190 6 國家納米科學(xué)中心 北京 100190

納米科技引領(lǐng)綠色印刷新時代
——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目研究進(jìn)展

變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目研究團(tuán)隊1,2,3,4,5,6

1 中國科學(xué)院化學(xué)研究所 北京 100190 2 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 江蘇 215123 3 中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所 福建 350002 4 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050 5 中國科學(xué)院自動化研究所 北京 100190 6 國家納米科學(xué)中心 北京 100190

發(fā)展納米制造技術(shù)是從納米材料到器件規(guī)模化制造與應(yīng)用發(fā)展的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)的印刷技術(shù)主要是基于感光和刻蝕工藝，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。綠色印刷是一種增材制造技術(shù)，可以從源頭大幅度降低能耗和減少環(huán)境污染。開發(fā)綠色印刷制造技術(shù)對我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。同時，綠色印刷制造與傳統(tǒng)微納加工方法的結(jié)合，為器件的制造與集成提供了新的可能途徑與方法，可望對產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)產(chǎn)生變革性影響。文章介紹了納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目的研究背景、項目目標(biāo)與實(shí)施概況，以及已經(jīng)取得的創(chuàng)新成果。

納米制造，綠色印刷，印刷電子，3D打印，器件制造

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.09.017

1 研究背景

納米制造技術(shù)在信息、材料、環(huán)境、能源、生物、醫(yī)學(xué)和國防安全等領(lǐng)域都有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景，是國際科技前沿的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1-3]。世界各國高度重視納米制造技術(shù)的研究與開發(fā)，許多國家制定了國家戰(zhàn)略和計劃。在過去的20余年里，美國、日本、英國、法國和德國先后對納米技術(shù)給予持續(xù)的資金資助，并把納米制造列為重要研究方向[2]。我國也積極參與促進(jìn)納米科學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用發(fā)展。國家自然科學(xué)基金委將“納米制造的基礎(chǔ)研究”列為“十一五”重大研究計劃進(jìn)行支持[1-3]，并將納米制造定義為納米結(jié)構(gòu)制造、納米精度制造和跨尺度（微觀、界觀和宏觀）制造[4]。

印刷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)材料圖案化的有效方式，是納米制造技術(shù)的重要組成部分。但傳統(tǒng)的印刷制造技術(shù)主要是基于感光和刻蝕工藝，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，大大限制了其可持續(xù)發(fā)展。

（1）作為世界第三大印刷市場，印刷業(yè)已經(jīng)發(fā)展為對我國國民經(jīng)濟(jì)有重要影響的行業(yè)之一，并被列為我國《文化產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃》中重點(diǎn)發(fā)展的九大文化產(chǎn)業(yè)之一。2014年全國共有印刷企業(yè) 10.5 萬家，實(shí)現(xiàn)印刷總產(chǎn)值 10 857.5 億元[5]。然而，印刷產(chǎn)業(yè)鏈中版基制造（因電解工藝產(chǎn)生大量廢液和固體廢棄物）、制版過程（感光沖洗廢液排放）以及油墨污染（揮發(fā)性有機(jī)化合物排放）三大嚴(yán)重環(huán)境污染問題使印刷業(yè)成為高污染行業(yè)之一，更是制約其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。

（2）目前中國已成為世界最大的印刷電路生產(chǎn)國，銷售額、產(chǎn)量、進(jìn)出口額居世界第一。傳統(tǒng)的印刷電路制造主要是基于感光和刻蝕工藝，80%以上的非電路部分金屬材料需要通過曝光腐蝕去除，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

（3）3D 打印技術(shù)是對全球制造業(yè)具有變革性影響的一項新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)直接從計算機(jī)數(shù)字模型到 3D 實(shí)物產(chǎn)品的制造。這種直接數(shù)碼制造技術(shù)可以大幅度簡化生產(chǎn)設(shè)備和工藝、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、減少材料浪費(fèi)，并可以實(shí)現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造和制造傳統(tǒng)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜 3D 產(chǎn)品。因而，3D 打印技術(shù)不僅可能改變傳統(tǒng)制造業(yè)的大規(guī)模生產(chǎn)模式，更將對今后社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（4）氮化鎵（GaN）基藍(lán)光激光器和相變存儲器（PCRAM）的發(fā)展瓶頸與先進(jìn)的納米制造技術(shù)的缺失緊密相關(guān)。作為第三代半導(dǎo)體的GaN基半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，GaN 基納米光電器件和 PCRAM在印刷、大型數(shù)據(jù)中心、可穿戴設(shè)備等多個領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛應(yīng)用。GaN 基藍(lán)光激光器是目前國際上 GaN 基半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域研究開發(fā)的重點(diǎn)，GaN 基藍(lán)光激光器可以帶動低功耗、高性能的綠色印刷制造等領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新。PCRAM在高密度方面有巨大潛力，且與最先進(jìn)的 CMOS①互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術(shù)兼容，被公認(rèn)為繼 DRAM 和 Flash 后可實(shí)現(xiàn)商用化的新型存儲技術(shù)。PCRAM的存儲單元功耗、速度、壽命與數(shù)據(jù)保持力等性能居國際前列并具有進(jìn)一步探索多值存儲的可行性，其將增強(qiáng)我國消費(fèi)性電子產(chǎn)品的技術(shù)含量與市場競爭力，實(shí)現(xiàn)存儲器更新?lián)Q代，推動我國信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

基于以上現(xiàn)狀，開發(fā)綠色印刷制造技術(shù)對我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。2013年中科院啟動了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦”，并在該專項下設(shè)置了項目“納米綠色印刷與器件制造技術(shù)”，其中包含“綠色印刷”“綠色印刷電路”“3D打印制造”和“器件制造”4個課題，期望通過系統(tǒng)解決“綠色印刷制造技術(shù)”在印刷、電子、3D打印等領(lǐng)域的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和工藝，最終實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用或推廣，從而積極推動傳統(tǒng)印刷技術(shù)向“綠色化、功能化、立體化、器件化”發(fā)展，大大緩解甚至從根本上解決傳統(tǒng)工業(yè)制造方式對我國自然環(huán)境造成的嚴(yán)重污染，提升我國納米綠色印刷和器件制造產(chǎn)業(yè)的核心競爭能力。

2 項目目標(biāo)和研究內(nèi)容

2.1 項目目標(biāo)

通過納米材料和印刷技術(shù)的創(chuàng)新，針對印刷產(chǎn)業(yè)鏈和印刷電路中產(chǎn)生嚴(yán)重污染的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用印刷增材制造技術(shù)，形成從納米材料到裝備和軟件的系統(tǒng)技術(shù)集成，從根本上解決印刷與電路制造等重要產(chǎn)業(yè)制造過程的環(huán)境污染問題。并通過 3D 打印材料和技術(shù)及器件制造的系統(tǒng)創(chuàng)新，提升我國相關(guān)制造業(yè)的核心競爭能力。

2.2 研究內(nèi)容

（1）綠色印刷。突破目前通過電化學(xué)陽極氧化制備印刷鋁版基的技術(shù)思路，研發(fā)非電化學(xué)的納米涂層綠色版基制備新技術(shù)。將納米功能涂層材料通過特定工藝涂布在普通鋁板表面，實(shí)現(xiàn)其表面粗糙度和浸潤性可控，并達(dá)到耐印力和保水性等印刷適性要求；研究量產(chǎn)化納米涂層材料的生產(chǎn)工藝，建立百噸級生產(chǎn)線；實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能力六百萬平方米綠色版基的規(guī)模制備。解決水性綠色油墨在不同表面能的基材（紙張、塑料等）表面的鋪展和粘附問題，同時提高油墨的存儲穩(wěn)定性和印刷適應(yīng)性；開發(fā)綠色油墨的量產(chǎn)技術(shù)，形成穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)制備工藝包；實(shí)現(xiàn)千噸級/年綠色油墨的生產(chǎn)能力。

（2）綠色印刷電路。納米導(dǎo)電油墨的制備及其在不同承印物上的可控鋪展和浸潤性調(diào)控是該技術(shù)要解決的關(guān)鍵問題，其中包括金屬納米粒子及其導(dǎo)電油墨的規(guī)模制備技術(shù)、承印物表面的批量化處理技術(shù)及承印物表面性質(zhì)對墨滴鋪展影響的研究等；對傳統(tǒng)印刷設(shè)備的改造以及印刷電子規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)等；形成年產(chǎn)十萬公斤導(dǎo)電油墨、一億片 RFID 天線、一千萬片平板電腦觸摸屏的生產(chǎn)能力。

（3）3D 打印制造。開發(fā)滿足 3D 打印制造需求的納米材料和關(guān)鍵設(shè)備，解決 3D 打印設(shè)備高速、高精度控制材料異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)和性能控制等系列關(guān)鍵技術(shù)問題；集中突破激光 3D 打印平臺和噴墨 3D 打印平臺兩個方向，研究相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)和高速圖形處理模塊，實(shí)現(xiàn)與 3D 打印相關(guān)的激光器、噴墨打印頭、3D 打印功能材料的產(chǎn)業(yè)化；建成年產(chǎn)十噸納米 3D 打印材料、年產(chǎn)一萬個噴墨打印頭、1 千臺激光器和3D 打印機(jī)、十萬件 3D 打印產(chǎn)品的生產(chǎn)線。

（4）器件制造。研究 GaN 基激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計、MOCVD材料生長及激光器芯片工藝可控制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)GaN基激光器的可控制造；研究激光器低熱阻封裝技術(shù)和激光器失效機(jī)理，研制成功輸出功率大于 500 mW、壽命大于 5 000 小時的 GaN 基藍(lán)光激光器。開發(fā) PCRAM限制型單元結(jié)構(gòu)納米均勻填充技術(shù)，并通過理論模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，突破 28 nm PCRAM 芯片關(guān)鍵的單項與集成工藝，實(shí)現(xiàn)一款 GB量級 PCRAM 試驗(yàn)芯片。

3 項目實(shí)施情況綜述

納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目由中科院化學(xué)所、中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所、中科院福建物構(gòu)所、中科院自動化所、國家納米中心共同組織實(shí)施，充分發(fā)揮了中科院多學(xué)科交叉、大團(tuán)隊研究的綜合優(yōu)勢。項目團(tuán)隊圍繞“目標(biāo)清、可考核、用得上、有影響”的要求，以引領(lǐng)印刷產(chǎn)業(yè)“綠色化、功能化、立體化、器件化”發(fā)展思路為主線，突出應(yīng)用與市場導(dǎo)向，凝練研究內(nèi)容，聚焦關(guān)鍵突破，強(qiáng)化企業(yè)合作，形成產(chǎn)業(yè)影響；通過近兩年多的協(xié)同攻關(guān)，取得一系列重大進(jìn)展。

（1）實(shí)現(xiàn)綠色版基、綠色制版和綠色油墨的完整印刷產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)突破，系統(tǒng)解決印刷產(chǎn)業(yè)的污染問題；入選中科院“十二五”25項重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展[6]。建成世界首條百萬平方米綠色版基生產(chǎn)線，并與產(chǎn)業(yè)化公司綠色制版中心的商業(yè)模式創(chuàng)新相結(jié)合，加快綠色印刷技術(shù)在印刷集中區(qū)的示范推廣。

（2）研發(fā)出嵌入式納米材料印刷金屬網(wǎng)柵柔性透明導(dǎo)電膜，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和應(yīng)用，銷售收入達(dá)數(shù)億元；同時，采用綠色印刷電子技術(shù)印制的射頻標(biāo)簽產(chǎn)品成功在科技周、北京APEC會議及地鐵票得到示范應(yīng)用。

（3）“3D打印”突破了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 3D打印核心關(guān)鍵技術(shù)，形成了系列重大創(chuàng)新成果，其中超快速連續(xù)數(shù)字投影打印技術(shù)、高精度多層柔性電路全打印制備技術(shù)、金屬 3D 打印技術(shù)居于國際領(lǐng)先水平，并向產(chǎn)業(yè)下游延伸。壓電噴頭制造工藝取得重要進(jìn)展。

（4）發(fā)展納米器件制造技術(shù)，研究GaN 基材料MOCVD方法生長機(jī)制及激光器芯片制備工藝，實(shí)現(xiàn)GaN基激光器的可控制造；研究激光器低熱阻封裝技術(shù)和激光器失效機(jī)理，研制成功輸出功率大于 500 mW，壽命大于 5 000 小時的 GaN 基藍(lán)光激光器。發(fā)現(xiàn)并設(shè)計了自主知識產(chǎn)權(quán)的高速、低功耗 TiSbTe 新型相變材料與限制型相變單元結(jié)構(gòu)；12英寸 40 nm 技術(shù) 64MB 容量 PCRAM 芯片晶圓級良率 ～40%；為研制基于 28 nm 新型 CMOS 技術(shù)的GB 量級 PCRAM 芯片奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

項目實(shí)施期間，注重技術(shù)創(chuàng)新與系統(tǒng)集成的緊密結(jié)合，為合作企業(yè)面向市場的產(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)支持與保證，并借助企業(yè)的力量加快技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。為保證“用得上、有影響”，所有課題關(guān)鍵技術(shù)都與企業(yè)開展實(shí)質(zhì)性合作，并積極參與行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4 重大創(chuàng)新成果

4.1 世界首條百萬平方米綠色版基生產(chǎn)線建成

傳統(tǒng)印刷版基因電解氧化工藝存在嚴(yán)重的高耗能及大量的廢酸、廢液排放，給周圍環(huán)境及人員健康帶來嚴(yán)重的隱患。為推動傳統(tǒng)版基制備工藝實(shí)現(xiàn)綠色、清潔化生產(chǎn)，促進(jìn)印刷版材生產(chǎn)技術(shù)的變革創(chuàng)新和工藝轉(zhuǎn)型，中科院化學(xué)所研究人員基于前期綠色制版技術(shù)的研發(fā)基礎(chǔ)，提出一種免砂目的綠色版基制備技術(shù)，即將納米顆粒涂層材料通過特定的涂布工藝在鋁版表面構(gòu)造出特殊的微納米結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)印刷過程對水和油介質(zhì)的浸潤性調(diào)控。該技術(shù)工藝簡捷、成本低廉且綠色環(huán)保，其規(guī)模化生產(chǎn)后必將在全國印刷版材行業(yè)起到示范和引領(lǐng)作用。該技術(shù)榮獲第二屆全國印刷行業(yè)重點(diǎn)創(chuàng)新成果（特別突出成果，全國共兩項）。

在先導(dǎo)科技專項支持下，研發(fā)人員突破納米綠色版基技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和批量化生產(chǎn)工藝，并與企業(yè)合作，完成了納米綠色印刷六百萬平方米版材生產(chǎn)線的建設(shè)工作。納米綠色版基生產(chǎn)線是世界上第一條沒有電解氧化工藝的版基示范生產(chǎn)線，在生產(chǎn)線建設(shè)過程中沒有前例可循，沒有實(shí)物參考，也沒有建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，所以整個建設(shè)過程困難重重。研究人員與建設(shè)傳統(tǒng) PS 版生產(chǎn)線經(jīng)驗(yàn)豐富的“中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所”和傳統(tǒng)版基生產(chǎn)廠家“承德天成印刷科技股份有限公司”合作，從 2013 年開始采購納米綠色版基中試生產(chǎn)線建設(shè)用部件，經(jīng)過和兩家合作者的多次溝通、實(shí)地考察及數(shù)次修改調(diào)整，最終形成了具有自動化控制、廢氣處理、余熱回收、空氣凈化等多功能的節(jié)能環(huán)保示范生產(chǎn)線及具有 28 項具體工藝步驟（其中包含 13 項獨(dú)有功能）的生產(chǎn)線設(shè)計方案，2015年在合作廠家進(jìn)行整體組裝聯(lián)機(jī)調(diào)試。2016年 4 月19日，中科院與承德天成印刷科技股份有限公司合作的納米涂層綠色印刷版材生產(chǎn)線項目正式在承德天成股份科技園區(qū)簽約，同時舉行了“納米綠色印刷產(chǎn)業(yè)基地承德綠色版材生產(chǎn)示范線”揭牌儀式。該項目將推動納米綠色印刷版材實(shí)施規(guī)模化生產(chǎn)，加速納米綠色制版技術(shù)體系的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)印刷行業(yè)的顛覆性技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐。

4.2 綠色印刷油墨技術(shù)

針對目前廣泛使用的苯或甲苯系塑料印刷油墨的嚴(yán)重危害和食品安全隱患，中科院化學(xué)所通過系統(tǒng)研究成膜樹脂分子結(jié)構(gòu)設(shè)計及水溶性控制、顏料納米粒子均勻分散以及規(guī)模放大等關(guān)鍵技術(shù)，制備出能在不同塑料表面實(shí)現(xiàn)良好印刷效果的環(huán)保油墨。并通過中試放大試驗(yàn)，對綠色油墨樹脂制備過程中的物料比例、物料滴加方式、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等制備工藝條件進(jìn)行系統(tǒng)考察，最終制備出合格的綠色油墨樹脂，確定了綠色油墨樹脂的中試制備工藝條件。與四川省成都托展新材料股份有限公司合作，建設(shè)了“納米綠色印刷產(chǎn)業(yè)基地成都綠色油墨示范線”，進(jìn)一步加強(qiáng)納米先導(dǎo)專項科技成果與生產(chǎn)企業(yè)的合作，將相關(guān)產(chǎn)品推向國內(nèi)和國際市場。

4.3 新型印刷金屬網(wǎng)柵觸摸屏技術(shù)

觸摸屏已成為現(xiàn)代社會人們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵罚纾藗兺ㄟ^手機(jī)觸摸屏上輕輕一點(diǎn)，就可以獲得所需的信息。但很多人不知道的是，觸摸屏也可以像報紙一樣印刷出來，這利用的便是印刷電子技術(shù)。這種新型“印刷術(shù)”與傳統(tǒng)意義上的印刷技術(shù)原理大體相同，但使用的“油墨”是具有導(dǎo)電、介電或半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，印刷對象則是電子產(chǎn)品。

作為觸摸屏中最核心的材料，透明導(dǎo)電薄膜一直主要采用氧化銦錫（ITO）制作，然而，隨著近年來觸摸屏的大規(guī)模普及應(yīng)用，該材料中的稀土材料銦出現(xiàn)了巨大的供應(yīng)缺口。除ITO材料外，碳納米管、石墨烯和導(dǎo)電高分子等也可以制作透明導(dǎo)電薄膜，但透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性與透光性“此消彼長”的弊端一直得不到消除。此外，目前已開發(fā)的透明導(dǎo)電膜都存在電阻過大、在大尺寸顯示屏中觸控靈敏度下降的問題。傳統(tǒng)觸摸屏制作都離不開導(dǎo)電層沉積、光刻腐蝕制作觸控圖形電極和邊緣引線印制這 3 個基本步驟，非常依賴光刻與腐蝕工藝，金屬導(dǎo)電圖案附著于基底材料的表面。由于制備在表面的金屬層厚度有限，要增加金屬網(wǎng)柵的導(dǎo)電性，就必須增加金屬網(wǎng)線的寬度。這一方面會降低導(dǎo)電膜的透光性，另一方面會影響觸摸屏的外觀。

在先導(dǎo)科技專項支持下，中科院蘇州納米所研發(fā)的嵌入式納米材料印刷金屬網(wǎng)柵柔性透明導(dǎo)電膜則不存在這些問題。通過嵌入式印刷技術(shù)，可以在不增加網(wǎng)線寬度的情況下，通過控制納米銀的埋入量控制導(dǎo)電性，其導(dǎo)電性比傳統(tǒng)ITO柔性透明導(dǎo)電膜高百倍以上，而且透光性與可撓性均更為優(yōu)秀。從制備工藝上來看，嵌入式金屬網(wǎng)柵制備技術(shù)也是別具一格，開發(fā)的金屬網(wǎng)柵制備技術(shù)可以將3個基本步驟合并為一步完成，而且可以實(shí)現(xiàn)卷對卷連續(xù)印刷制備。從機(jī)器的一端輸入基底膜材料，就能像打印報紙一樣從另一端打印出專為各種觸摸屏定制的透明導(dǎo)電膜。該項技術(shù)被觸摸屏業(yè)界認(rèn)為是一項“革命性”技術(shù)，徹底顛覆了傳統(tǒng)觸摸屏的生產(chǎn)方式，獲得 2014 年中國專利金獎。

為了迅速推動該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，研發(fā)團(tuán)隊直接與國內(nèi)觸摸屏龍頭企業(yè)“歐菲光”合作，利用“歐菲光”雄厚的資本、豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與成熟的市場渠道，在一年時間內(nèi)即實(shí)現(xiàn)新型金屬網(wǎng)柵觸摸屏的批量化生產(chǎn)，并已大批量應(yīng)用于國內(nèi)外知名電腦產(chǎn)品中。共同申報的“應(yīng)用于觸摸屏的混合印刷金屬網(wǎng)柵技術(shù)”在全球30個國家近400項創(chuàng)新技術(shù)的競爭中獲得了制造類的年度創(chuàng)新提名獎。目前這項新技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)億元的銷售。

4.4 印刷射頻標(biāo)簽技術(shù)

印刷電子技術(shù)以其產(chǎn)品柔性化、透明化和輕薄化的特點(diǎn)，近年來引起國際上的廣泛重視。據(jù)NanoMarkets2010年預(yù)測，2020年全球印刷電子的市場將達(dá)570億美元，而其中75%為柔性產(chǎn)品。納米銀導(dǎo)電油墨是印刷電子技術(shù)的核心材料，納米銀導(dǎo)電油墨的難點(diǎn)在于高固含量（銀含質(zhì)量百分比≥50%）和低黏度（黏度≤20 cp）。目前國際上只有日本哈利瑪化工基于物理氣相沉積方法制備了高固含量低黏度的導(dǎo)電油墨，而且與英國賽爾（XAAR）聯(lián)合開發(fā)工業(yè)數(shù)字印刷電路技術(shù)正在進(jìn)行中。中科院化學(xué)所基于化學(xué)濕法技術(shù)制備了超細(xì)納米銀（＜10 nm）,并基于積累的納米材料分散技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高固含量低黏度導(dǎo)電油墨的制備，并經(jīng)過第三方測試。與北京中科納通電子科技有限公司合作，共同建立了卷到卷印刷射頻天線平臺，并改進(jìn)進(jìn)料和收料的表面張力，避免了在收放料過程中紙張的變形，同時改進(jìn)印后燒結(jié)工藝，避免在燒結(jié)后變形和收縮，顯著提高了印刷射頻標(biāo)簽天線的良品率。成功實(shí)現(xiàn)綠色印刷射頻標(biāo)簽在北京科技周入場券、北京APEC峰會綠色安全門票的應(yīng)用；采用綠色印刷工藝制造的新型地鐵票通過考核并應(yīng)用。

4.5 超快速連續(xù)數(shù)字投影打印技術(shù)

2015 年，獲得谷歌1 億美元投資的Carbon 3D 公司其滾雪球式的成功傳奇將連續(xù)液面生產(chǎn)技術(shù)[7]（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）推向3D打印業(yè)界視野。2016年，中科院福建物構(gòu)所在國內(nèi)首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的連續(xù)打印數(shù)字投影3D打印原理樣機(jī)。采用一種特殊的透光、透氣元件，作為樹脂槽內(nèi)底面的一部分，固定于打印光源的照射路徑上，在通入氧氣或空氣條件下，均可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的3D打印，最大打印速度超過 650 mm/h，在質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下打印速度上已經(jīng)超過美國Carbon 3D的500 mm/h。可在 6 分鐘內(nèi)打印出一個高度為60 mm的三維物體，而同樣物體采用傳統(tǒng)的立體光固化成型工藝（SLA）打印則需要約10個小時，采用流技術(shù)速度提高了100倍，比美國Carbon 3D公司發(fā)布的連續(xù)3D打印設(shè)備速度快約30%。此外，連續(xù)打印數(shù)字投影3D打印技術(shù)采用自主研發(fā)的3D打印樹脂，與國外進(jìn)口樹脂相比，成本從 1 000元/公斤降至50元/公斤，且打印強(qiáng)度比國外高 1 倍，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)打印數(shù)字投影3D打印技術(shù)的全自主研發(fā)和供給，擺脫了對國外的依賴，為我國塑料行業(yè)的使用和推廣奠定可行性基礎(chǔ)。截至2016年 2 月4日，該項研究成果已被多家媒體報道和轉(zhuǎn)載，包括《光明日報》《科技日報》《中國青年報》《經(jīng)濟(jì)日報》以及“科學(xué)網(wǎng)”等眾多媒體，引起國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

4.6 金屬 3D 打印技術(shù)

2016年 1 月美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)連同美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，3D打印鈦合金存在致命的缺陷，難以達(dá)到制造各種航空航天部件或醫(yī)療植入物的要求，極大地限制了增材制造鈦合金的發(fā)展[8]。

中科院福建物構(gòu)所通過激光 3D 打印工藝和微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，通過控制β相含量及其內(nèi)部α’/α’ ’相特征，突破增材制造鈦合金強(qiáng)韌化制造問題，在屈服強(qiáng)度不低于 780 MPa 下，3D打印鈦合金延伸率＞10%，疲勞極限 ≥450 MPa（107周），性能全面達(dá)到 ISO5832-3 標(biāo)準(zhǔn)要求，從而突破 3D 打印鈦合金強(qiáng)韌、高疲勞性能這一國際難題，為在高承力要求的航空航天部件和醫(yī)療植入物等領(lǐng)域應(yīng)用掃清了技術(shù)障礙。這一研究結(jié)果，引起原中國航空航天工業(yè)部部長林宗棠及國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注。

中科院福建物構(gòu)所在金屬 3D 打印產(chǎn)品應(yīng)用方面也取得可喜進(jìn)展：在飛行器重要模型研制方面，獲得中國空氣動力研究與發(fā)展中心高度評價；個性化醫(yī)療器械獲得國家食品藥品監(jiān)督管理總局頒發(fā)的許可證，個性化種植基臺等產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用，打破 BEGO、ITI 等國際巨頭對技術(shù)、專利和產(chǎn)品壟斷。一系列高強(qiáng)韌鈦合金、抗菌鈦合金 3D 打印材料、梯度模量種植體、低模量剛性多孔結(jié)構(gòu)植入物等研究，將可帶動航空航天、生物醫(yī)療等行業(yè)定制化產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。

4.7 噴墨 3D 打印技術(shù)

（1）完成壓電式高密度多噴口實(shí)驗(yàn)型噴墨打印頭，墨滴穩(wěn)定噴射。其分辨率達(dá)到100dpi，發(fā)射頻率1—40kHz，墨滴大小1—20pL。MEMS噴墨打印頭成功開發(fā)，將解決多年阻礙我國噴墨打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，打破國際壟斷，已受到國內(nèi)噴墨制造企業(yè)的廣泛關(guān)注，將帶動我國噴墨設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

（2）推進(jìn)MEMS噴墨打印頭生產(chǎn)線建設(shè)。與蘇州銳發(fā)打印技術(shù)有限公司、蘇州納米城MEMS中試線、無錫華潤上華半導(dǎo)體有限公司和蘇州晶方半導(dǎo)體有限公司商談，在噴頭封裝、測試、MEMS制造技術(shù)、CMOS制造技術(shù)等環(huán)節(jié)開展全方位合作，力爭打通噴頭制造產(chǎn)業(yè)鏈，建成國內(nèi)首個 MEMS 噴墨打印頭生產(chǎn)基地。

4.8 GaN 基激光器

GaN 基激光器是氮化物光電子器件領(lǐng)域難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所突破了GaN 基藍(lán)光激光器的關(guān)鍵技術(shù)，研制成功輸出功率大于1W的藍(lán)光激光器。基于隧道結(jié)理論和超晶格應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，設(shè)計了新型的GaN基激光器結(jié)構(gòu)，降低了串聯(lián)電阻，提高了發(fā)光效率；研究了MOCVD原子層外延生長機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了GaN襯底的切向角是影響材料質(zhì)量的關(guān)鍵因素，解決了同質(zhì)外延表面易出現(xiàn)Hill-Lock形貌和表面條紋狀形貌的問題；優(yōu)化InGaN材料的生長溫度和生長速率，提高了InGaN材料的光學(xué)質(zhì)量，減小了InGaN/GaN量子阱中的 V 型坑缺陷；提出了量子阱壘層In組分階梯式漸變的量子阱結(jié)構(gòu)，改善了大注入電流密度下量子阱發(fā)光效率；研究了C雜質(zhì)并入的機(jī)理，通過優(yōu)化生長條件，降低了AlGaN材料中的碳雜質(zhì)，提高了其空穴濃度；通過采用P-InGaN/P-GaN的表面接觸層結(jié)構(gòu)，在表面形成二維空穴氣，獲得了性能良好和穩(wěn)定的 P 型歐姆接觸電極工藝；采用激光器腔面等離子清洗和離子束輔助腔面鍍膜技術(shù)，激光器的腔面膜系黏附牢固，膜系致密，提高了激光器的可靠性。

中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生所在開展GaN基藍(lán)光激光器研究的同時，積極開發(fā)GaN基藍(lán)光激光器的工程化技術(shù)，吸引社會資本，成立了蘇州納睿光電有限公司推進(jìn) GaN 基激光器的產(chǎn)業(yè)化，目前產(chǎn)品已經(jīng)上市。

4.9 高密度相變存儲器

中科院上海微系統(tǒng)所研制的TiSbTe新型相變材料擁有中國和美國專利，和傳統(tǒng)GeSbTe材料相比，其操作速度可提升一個數(shù)量級且操作功耗可降低80%，理論和實(shí)驗(yàn)揭示了在TiSbTe材料相變過程中，被釘扎的Ti中心八面體基團(tuán)是實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的有序—無序可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的主要原因，基于該體系優(yōu)選組分的PCRAM實(shí)驗(yàn)芯片整體性能完全優(yōu)于傳統(tǒng)GeSbTe基芯片。12英寸40 nm PCRAM芯片的集成創(chuàng)新水平大幅提高，在材料、工藝、設(shè)計和器件結(jié)構(gòu)方面都應(yīng)用了多項自主創(chuàng)新技術(shù)，其中PCRAM關(guān)鍵的驅(qū)動二極管性能得到大幅度提升，達(dá)到國際先進(jìn)水平；經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化后，PCRAM芯片的1T1R集成工藝完全打通，容量為64 MB的PCRAM芯片晶圓級良率～40%，為進(jìn)一步研制基于28 nm新型CMOS器件的 GB 量級芯片奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

通過材料創(chuàng)新帶動生產(chǎn)方式創(chuàng)新，取得產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重大進(jìn)步和變革，是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”的關(guān)鍵突破點(diǎn)。納米綠色印刷制造技術(shù)突破后覆蓋的行業(yè)非常廣泛，包括印刷、電子、醫(yī)療、航空等，是一種基礎(chǔ)平臺性的創(chuàng)新，將從根本上顛覆現(xiàn)有的生產(chǎn)方式，從源頭解決眾多產(chǎn)業(yè)的嚴(yán)重污染和資源浪費(fèi)問題。相信遵循“綠色印刷制造”的大印刷發(fā)展理念，在眾多領(lǐng)域開展更深層次的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研究，將積極推動傳統(tǒng)印刷技術(shù)向“綠色化、功能化、立體化、器件化”發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)中國在一些重要產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革和跨越式發(fā)展。

1 王國彪,黎明,丁玉成,等.重大研究計劃“納米制造的基礎(chǔ)研究”綜述.中國科學(xué)基金，2010, 24(2)： 70-77.

2 沈湘,宋秀芳.納米制造研究領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展—基于Inspec數(shù)據(jù)庫分析.現(xiàn)代情報, 2015, 35(7)： 126-130.

3 劉宇宏,雒建斌.納米制造科學(xué)與技術(shù)中的基礎(chǔ)問題研究進(jìn)展.中國基礎(chǔ)科學(xué), 2013, (3)： 4-13.

4 國家自然科學(xué)基金委員會工程與材料科學(xué)部. 機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報告.北京：科學(xué)出版社, 2010.

5 王巖鑌. 2014年我國印刷業(yè)總產(chǎn)值繼續(xù)向上. [2015-10-12]. http：//data.chinaxwcb.com/epaper2015/epaper/d6116/ d001/201510/60914.html

6 李大慶.中科院選出25項重大科技成果及標(biāo)志性進(jìn)展.[2016-1-16]. http：//news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/1/336389.shtm

7 Tumbleston J R, Shirvanyants D, Ermoshkin N, et al, Continuous liquid interface production of 3D objects. Science, 2015, 347(6228)： 1349-1353.

8 Cunningham R, Narra S, Ozturk T, et al, Evaluating the Effect of Processing Parameters on Porosity in Electron Beam Melted Ti-6Al-4V via Synchrotron X-ray Microtomography. Journal of Minerals, Metals & Materials Society, 2016, 68(3)：765-771.

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Nanotechnology Guides New Age of Green Printing Manufacture—Progress of Green Printing Nanomanufaturing Techniques and Devices

Green Printing Nanomanufaturing Techniques and Devices Team of Strategic Priority Research Program on Industrial Nanomanufacturing Focus1,2,3,4,5,6
（1 Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 2 Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences, Jiangsu 215123, China; 3 Fujian Institute of Research On the Structure of Matter, Chinese Academy of Sciences, Fujian 350002, China; 4 Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 5 Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 6 National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, China）

Up-scale manufacturing of nano-materials and nano-devices is essential for the practical application of nanotechnology. Conventional printing technology causes serious pollution and resource waste, thus it is imperative to upgrade this technology. As an additive technology, green printing manufacturing is unique in its low energy consuming and ultralow pollution. Moreover, green printing has potential to provide new venues for the assembly and fabrication of nano-devices via combining other micro- and nano-processing techniques. Therefore, green printing manufacturing is of strategic importance to the sustainable development of related industry sectors in China. In this article, we introduce the background, aim, and implementation of green printing nanomanufaturing techniques and devices of Strategic Priority Research Program on Industrial Nanomanufacturing Focus as well as the achievements obtained so far.

up-scale manufacturing, green printing, nanotechnology, printed electronics, 3D printing, nano-devices

*資助項目：中科院變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項納米綠色印刷與器件制造技術(shù)項目（XDA09020000）修改稿收到日期：2016年8月18日