印刷电子设备的制作方法

(a)领域

本发明涉及印刷电子设备(printedelectronics)。更具体地，本发明涉及使用分子油墨或片状油墨的印刷电子设备应用。

(b)相关现有技术

有一些油墨，如分子油墨或片状油墨，设计目的旨在为印刷的油墨提供特定的性能。

具有新的特性的可印刷油墨的出现为重新考虑导电表面的使用提供了可能性。

发明概述

根据本发明一个实施方案，提供了一种电子设备，其包括印刷基板，所述印刷基板上包含分子油墨迹线，所述分子油墨被烧结以形成构成所述电子设备的导电金属痕迹，其中所述分子油墨选自无片状可印刷组合物，所述组合物包含30-60wt％的c8-c12羧酸银、0.1-10wt％的聚合物粘合剂和余量为至少一种有机溶剂，所有重量均基于组合物的总重量，或无片状可印刷组合物，所述组合物包含5-75wt％的二(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(ii)、二(辛胺)甲酸铜(ii)或三(辛胺)甲酸铜(ii)、0.25-10wt％的聚合物粘合剂和余量为至少一种有机溶剂，所有重量均基于组合物的总重量。

本发明提供了一种电子设备，其中分子油墨是可拉伸的和可热成型的。

本发明提供了一种电子设备，基板是柔性的。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为电子组件。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为金属-绝缘体-金属(mim)器件。

本发明提供了一种电子设备，其中，油墨迹线在所述电子设备的绝缘体上。

本发明提供了一种电子设备，其包括电感器。

本发明提供了一种电子设备，其包括电容器。

本发明提供了一种电子设备，其包括电子滤波器。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为可焊接的印刷电路板。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为选自以下的一种：共面波导，超高频rf天线，超高频rf滤波器和混合rf设备。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为工程表面，用于频率选择性rf过滤，反射或定向。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为太阳能电池。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为半导体装置。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为透明电极。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为电致发光灯。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为可穿戴电子设备或模内电子设备。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为物理化学传感器和机电传感器的一种。

根据本发明第二种实施方式，提供了一种加热器，包含含其上具有痕量油墨的印刷基板的电子设备，所述油墨被烧结以形成构成电子设备的导电金属痕迹，其中油墨选自：分子油墨或片状油墨。

本发明提供了一种电子设备，其中所述分子油墨是可拉伸的和可热成型的。

本发明提供了一种电子设备，其中所述基板是柔性的。

本发明提供了一种电子设备，其被印刷为电阻电路。

本发明提供了一种电子设备，其涂覆在飞机的一部分中。

本发明提供了一种电子设备，其安装在飞机的机翼中以加热所述机翼。

本发明提供了一种电子设备，其用于维持飞机，应急系统，电动车辆，照明系统或建筑物自动化系统的性能。

本发明提供了一种电子设备，其安装在电池上以加热所述电池。

本发明提供了一种电子设备，其中所述电池是锂电池。

根据本发明第三种实施方式，提供了一种触摸界面，其包含其上含分子油墨迹线的印刷基板，所述分子油墨被烧结以形成构成透明导电膜的导电金属痕迹。

本发明提供了一种触摸界面，还包括印刷电容或电阻元件。

本发明提供了一种触摸界面，还包括电容微线。

本发明提供了一种触摸界面，其中，所述电容微线包括印刷银电极的网格或图案，并且所述基板是柔性的。

本发明提供了一种触摸界面，其中所述电容微线通过激光修整导电金属迹线而制成，并由此使微线具有电容性。

本发明提供了一种触摸界面，其中，电容微线通过对导电金属迹线进行选择性烧结而制成。

附图简要说明

通过以下详细描述并结合附图，可以清楚地理解本发明的进一步特征及优点，其中：

图1为一个实施例的曲线图和表格的组合，示出了印刷构成电路的痕迹生产的结果。

图2为一个实施例的俯视图，侧视图和表格的组合，示出了在印刷电子设备上使用astmf1683-02弯曲和折痕测试测得的机械性能进行。

图3为一个实施例的图片，表格和图表的组合，示出了丝网印刷分子银油墨的电学性能和痕量分辨率。

图4为一个实施例的图片，表格和图表的组合，示出了丝网印刷分子银油墨的剪切力性能和环境测试结果。

图5a为一个实施例的透视图，示出了一种金属-绝缘体-金属(mim)装置；

图5b为一个实施例俯视图和表格，示出了一种印刷mim电感器；

图5c为一个实施例俯视图和表格，示出了一种印刷mim电容器；

图5d为一个实施例的俯视图，示出了印刷mim低通滤波器；

图5e为一个实施例的曲线图，示出了印刷mim低通滤波器的电学行为。

图6a-e为一个实施例的直接印刷在kapton基板上的分子银油墨的轮廓仪图像比较，其中没有使用电介质(a)，使用印刷电介质封装(b)，和用作印刷电介质层上的第二层(c)，印刷在每个表面上的电感器性能(d)和电感器的代表性品质因数(e)；

图7a-c为一个实施例的在塑料基板(kapton)上使用分子银油墨的三层，全印刷金属-绝缘体-金属(mim)电容器的原理图(a)和照片(b)以及三个并联的mim的电容器与频率的测试结果(c)；

图8a-c：根据本发明一个实施例，图(a)右上角插图为tft光学显微照片和左下方的插图为转移的线性拟合，图(b)为晶体管的光学轮廓仪图，图(c)为通道宽度的横截面。

图9为一个实施例的超高频rf天线的俯视图。

图10为一个实施例的超高频rf天线的滤波行为的曲线图。

图11是一个实施例的透视图，示出了与rf信号交互的过滤类1和类2工程表面。

图12a-12d为一个实施例的图片，示出了印刷类1工程表面；

图13a-13b为一个实施例的图片和图表，示出了印刷类1工程表面的多层fss性能。

图14为一个实施例的俯视图和透视图，示出了与rf信号相互作用的2级反射阵列光栅的安装图。

图15为一个实施例的正视图，示出了类2fss-支撑的(fss-backed)反射阵列光栅合适的油墨迹线图案；和

图16a-16b为一个实施例的透视图和曲线图，示出了用于fss-支撑的反射阵列光栅性能的装置和结果。

图17a为一个实施例的俯视图和仰视图，示出了用于混合集成的选择性分立mmic芯片器件(单极，4投(sp4t)gaasmmic开关)；

图17b为一个实施例的用于混合集成的选择性分立的mmic芯片器件(单极，4投(sp4t)gaasmmic开关)的功能图和框架图；

图18a为一个实施例的俯视图和仰视图，示出了用于混合集成的选择性分立的mmic芯片器件(单刀双投(spdt)ganmmic开关)；

图18b为一个实施例的功能图和框架图，示出了用于混合集成的选择性分立的mmic芯片器件(单刀双掷(spdt)ganmmic开关)；

图19a为一个实施例的俯视图，示出了组装在柔性基板上的分立sp4t芯片器件；

图19b为一个实施例的仰视图和俯视图的放大图，示出了组装在柔性基板上的分立sp4t芯片器件；

图20a为一个实施例的俯视图，示出了组装在柔性基板(基于cpw探针版本)上的分立spdt芯片器件；

图20b为一个实施例的仰视图和俯视图的放大图，示出了组装在柔性基板(基于cpw探针版本)上的分立spdt芯片器件；

图21a-21b为一个实施例的俯视图和原理图，示出了组装在柔性基板(基于连接器的版本)上的分立spdt芯片器件；

图21c为一个实施例的仰视图和俯视图的放大图，示出了组装在柔性基板(基于连接器的版本)上的分立spdt芯片器件；

图22为一个实施例的图表，示出了组装在柔性基板上的分立sp4t芯片的性能。

图23为一个实施例的图表，示出了组装在柔性基板(基于cpw探针的版本)上的分立spdt芯片的性能；

图24为一个实施例的图表，示出了组装在柔性基板(基于连接器的版本)上的分立spdt芯片的性能；

图25a-25b为一个实施例的原理图和图片，示出了丝网印刷多层cpw传输线路；

图26a-26b为一个实施例的图表与pet基板规格，示出了丝网印刷多层cpw互连的宽带特征；

图27为一个实施例的图片和图表的组合，示出了在聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)基板上的丝网印刷rf滤波器；

图28a-28b为一个实施例的图片和图表，示出了柔性塑料基板pet上的丝网印刷毫米波cpw带通滤波器和性能结果；

图29为一个实施例的微线触摸界面的图片。

应注意，在所有附图中，相同的特征由相同的附图标记标识。

发明详述

下面介绍了片状和分子油墨及其制造方法。进一步地，描述了使用片状和分子油墨制造的印刷电子设备。下面将进一步讨论印刷电子设备的各种应用。

片状油墨

印刷电子设备，一种增材制造技术，它将电子材料与传统印刷工艺相结合，以实现ofet，薄膜开关，光伏，天线，显示器和传感器的大面积，柔性和/或低成本的制造。由于导电油墨可用于制造一些关键组件，如：电极，oled，天线，以及母线，可用于使用凹版印刷，气溶胶喷射，喷墨和丝网印刷制造的电流收集器，因此，其构成了印刷电子设备或器件的最大市场之一。

这些印刷技术中的每一种都各有其特点，但银片状油墨的丝网印刷是其中最成熟的技术之一，目前广泛应用于工业导电部件的制造。这些基于片状油墨可以生产具有良好的薄层电阻率值(10-15mohm/sq/mil)的迹线，并且厚度通常为～4-15微米。印刷电子工业受制造廉价功能器件的需求驱动，并且通过简单地降低银含量及生成的迹线(或痕迹)厚度是降低成本的主要手段。然而，使用片状油墨降低沉积的银量以减少材料消耗或成本通常不是一种可行的选择，因为在印刷导电迹线中实现高导电率(低体积电阻率)和高机械强度需要多层银片的重叠和～4μm的最小厚度。

丝网印刷是在柔性基板上产生导电特性的一种常用技术，并且印刷电子工业中最常用的油墨是基于金属片的。工业设施中通常存在的问题为产生的迹线宽度小于100μm和迹线厚度小于5μm。当银片油墨厚度小于4微米时，其不能产生足够的导电迹线。此外，当厚度小于4微米时，银片油墨不能产生柔性的导电迹线，也不会弯折。银片油墨也能产生有限粘附力的迹线，这需要封装以便用导电粘合剂强化接合。由于银片的尺寸(几微米)，印刷亚微米厚的导电迹线是不可能的，为了使窄迹线的纵横比最小，其是迫切需要的。此外，目前的丝网印刷油墨不能产生构造平坦的表面。

如上所述，大多数商业丝网印刷油墨使用银片制剂。这些片状油墨存在的问题源于它们的尺寸较大(几微米大小的片状物)。由于薄片大，因此难以通过小屏幕尺寸进行物理印刷并生产均匀迹线，其中所有薄片都很好地重叠以生产导电迹线。在将丝印油墨印刷在聚合物基板的情况下，油墨必须在较低温度烧结，因此，仅轻度烧结片状物，产生薄片电阻值通常为10-50mohm/sq/mil的迹线。此外，由于产生的迹线由大量重叠的银片组成，因此表面形貌通常是比较粗糙。粗糙表面问题在rfid应用中尤其突出，其中，天线的性能部分地由表面粗糙度决定。存在使用纳米颗粒(<100nm直径)以克服该问题的实例，但是纳米颗粒的生产相对昂贵，并且性能的提升不足以证明附加成本的合理性。

仍然需要能够产生柔性导电迹线的可印刷分子油墨，尤其是用于丝网印刷的分子油墨。

分子油墨

本发明描述了可用于在基板上印刷(例如丝网印刷，尽管存在其它合适的印刷方法，如下所述)导电迹线的无片状分子油墨，具有30-60wt％的c8-c12羧酸银或5-75wt％的二(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(ii)、二(辛胺)甲酸铜(ii)或三(辛胺)甲酸铜(ii)，0.1-10wt％的聚合物粘合剂(例如，乙基纤维素)和余量为至少一种有机溶剂。用所述分子油墨形成的导电迹线更薄，具有更低的电阻率，与金属片状油墨相比具有更大的基材粘附性，具有更好的印刷分辨率并且比金属片状油墨的粗糙度低高达8倍。此外，使用loctite3880去除附着到迹线上的发光二极管所需的剪切力至少是商业上可获得的片状油墨的1.3倍。

本发明的分子油墨包含三种主要组分：金属前体分子，粘合剂和至少一种有机溶剂。在油墨加工过程中，金属前体分子的分解产生导电金属颗粒，粘合剂将导电金属颗粒粘合在一起，并提供迹线对基板的足够的机械性能和附着力，溶剂主要用于提高油墨的可印刷性，尽管溶剂也可以溶解分子油墨以提供更均匀的油墨并由其制成迹线。当沉积在基板上以形成迹线并且通过适当地处理(例如通过加热或光照)时，金属前体分子形成由粘合剂粘合的导电纳米颗粒。生成的迹线由互连的金属纳米颗粒组成，但纳米颗粒是原位生成的，因此油墨的成本可与商业片基油墨的成本相媲美。此外，由于互连的纳米颗粒结构，电阻率值低于金属片基油墨。此外，分子油墨生成的迹线与金属片基油墨相比显示出与粘合剂的改善的粘合，具有比金属片基油墨更好的印刷分辨率，并且比金属片基油墨的粗糙度低高达8倍。

分子油墨是无片状的，其不使用金属片状物来提供导电性。相反，分子油墨包含金属前体分子，特别是金属羧酸盐，更具体地是c8-c12羧酸银盐或二(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(ii)，二(辛胺)甲酸铜(ii)或三(辛胺)甲酸铜(ii)。因为油墨不含有片状物，所以由油墨形成的导电迹线包含连通的金属纳米颗粒，其允许形成非常薄且狭窄的导电迹线。

分子油墨包含一组合物，所述的组合物包含约30-60wt％的c8-c12羧酸银或约5-75wt％的二(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(ii)，双(辛胺)甲酸铜(ii)或三(辛胺)甲酸铜(ii)，重量基于所述组合物的总重量。优选地，该组合物包含约45-55wt％(例如约50wt％)的羧酸银，或约65-75wt％(例如约72wt％)的二(2-乙基-1-己胺)甲酸铜(ii)、二(辛胺)甲酸铜(ii)或三(辛胺)甲酸铜(ii)。

尽管油墨可以配制用于任何类型的印刷，但其特别适用于丝网印刷。在这方面，油墨优选具有约1500cp或更高的粘度。此外，优选具有高沸点的溶剂，以便油墨在印刷过程中缓慢蒸发。众所周知，在必须减薄油墨之前进行增加印刷循环的次数以改善性能。

分子油墨可以沉积(例如印刷)到基板上，以在基板上形成油墨迹线。干燥和分解迹线内的银盐以形成导电迹线可以通过任何合适的技术来实现，其中，所述技术和条件由其上沉积迹线的基板的类型引导。例如，干燥和分解银盐可以通过加热和/或光子烧结来完成。

本发明的油墨可以通过任何合适的方法沉积在基板上，例如：丝网印刷，喷墨印刷，柔版印刷(例如印章)，凹版印刷，胶版印刷，喷涂，气溶胶印刷，排版或任何其他方法。沉积之后，可以干燥或固化油墨，例如通过使油墨在室温条件下或者将油墨加热适当长时间以蒸发溶剂来干燥。本发明的油墨特别适用于丝网印刷。

现有技术的分子油墨通常不能用于丝网印刷，且使得丝网印刷导电迹线对基板的粘附性有限。有限的粘附性导致开路断裂和电导率的总损失(即无限电阻率)，当迹线从基板表面分层或者当迹线形成宏观结构或微观结构裂缝时。相反，如上所述，本发明的导电迹线对基板具有良好的粘附性，并且在至少1天，优选至少1个月，更优选至少1年的时间内不会产生开路断裂。在方格附着力测试(cross-hatchadhesiontest)(astmf1842-09)后，本发明的印刷迹线达到5b级(没有发生剥落)。

用所述分子油墨形成的导电迹线更薄，电阻率更低，具有更好的印刷分辨率，并且比金属片状油墨的粗糙度低高达8倍。此外，使用环氧粘合剂去除粘合到迹线上的发光二极管(led)所需的剪切力至少是市售的片基油墨的1.2倍。基板可以是任何可印刷的表面。可印刷表面可包括，例如：聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)(如melinex^tm)，聚烯烃(例如二氧化硅填充的聚烯烃(teslin^tm))，聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚苯乙烯，聚碳酸酯，聚酰亚胺(例如kapton^tm)，硅酮膜，纺织品(如纤维素纺织品)，纸张，玻璃，金属，介电涂层等。优选柔性基板。

可将基板上的印刷导电迹线合并到电子设备中，例如电路、导电母线(例如用于光电池)、传感器、天线(例如rfid天线)、触摸传感器、薄膜晶体管、二极管、以及智能化包装(如智能药品包装)。本发明的分子油墨能够使此类电子设备微型化。

基于印刷电子设备的电子元件

用如上所述的分子油墨来印刷构成电路或其部分的油墨迹线。迹线生产的结果如图1所示。

使用astmf1683-02弯曲和折痕测试检测机械性能，如图2所示。

现在描述丝网印刷的分子银油墨的优点。本发明目的是开发一种丝网印刷的油墨，其能生产具有高导电性和强机械性能的功能化、薄且高分辨率的迹线。

丝网印刷分子银油墨的电学性能和迹线分辨率如图3所示。

剪切力性能和环境试验结果如图4所示。

各种设备均可从上述性能中获益。各种设备的基础包括构建通常如图5a所示的金属-绝缘体-金属(mim)器件(金属上有绝缘体，绝缘体上有金属)。图5b示出了由如上所述的油墨制成的电感器，其印刷在基板或介电材料(即，金属之间的绝缘体)上。结果表明通过印刷分子油墨可以成功地建立电感。

同样的结果适用于电容器(图5c)和电子滤波器(例如低通滤波器)(图5d)，它们也可以通过分子油墨印刷而成功构建。低通滤波器的电学行为如图5e所示。结果表明印刷低通滤波器的分子油墨具有尖锐的抑制斜率(即，比片状油墨的过滤性更强)，并且通带插入损耗很小(即，信号在有用频率下不衰减)。该装置的响应在高达20ghz时无杂散。由于装置本身的特性(即，以分子油墨允许的高电路密度印刷)，使得其特别紧凑。

图6a-e为一个实施例的直接印刷在kapton基板上的分子银油墨的轮廓仪图像比较，其中没有使用电介质(a)，使用印刷电介质封装(b)，和用作印刷电介质层上的第二层(c)，印刷在每个表面上的电感器性能(d)和电感器的代表性品质因数(e)；

图7a-c为一个实施例的在塑料基板(kapton)上使用分子银油墨的三层，全印刷金属-绝缘体-金属(mim)电容器的原理图(a)和照片(b)以及三个并联的mim的电容器与频率的测试结果(c)；

图8a-c为一个实施例的图(a)右上角插图为tft的光学显微照片和左下方的插图为转移曲线的线性拟合，图(b)为晶体管的光学轮廓仪图，图(c)为通道宽度的横截面。

分子油墨制成的电路

分子油墨可以用作高级用户界面，电路和设备的新导体。

印刷电子设备是一种颠覆性的制造技术，它结合了功能材料和印刷技术，赋予电子设备以新的形式，并实现了产品创新。印刷电子设备将会给传感，显示和无线通信方面带来技术性突破。

新型分子油墨可用于增强印刷电子领域的应用，其适用于上述的银分子油墨和铜分子油墨。

上述分子油墨牺牲片状油墨提供纳米颗粒油墨的电性能。

分子油墨可用于制造具有亚微米迹线厚度的油墨迹线，从而生产窄迹线。

电路中使用的分子油墨具有很强的机械性能。

分子油墨的使用还允许生产新或改进的聚酰亚胺柔性电路和用于聚酰亚胺柔性电路或刚性环氧树脂印刷电路板的新的可焊接表面抛光。

可以使用分子油墨的这些特性来制造具有这些分子油墨的现有电子产品以改进其性能，或提供全新产品。

现在将描述分子油墨的优点。这些特性适用于电路制造。

分子铜油墨具有低的烧结温度。尽管银墨具有易烧结和优异的电性能，但银的高成本是印刷应用领域的一个突出问题，该领域的主要驱动因素就是成本。因此，开发了具有以下特性的低成本铜丝网油墨：低成本铜前体；烧结温度为150℃，使其与pet(廉价柔性基板)兼容；电阻率为铜的2至5倍；良好的机械性能(astmf1683-02)。

铜墨具有强的氧化性。它们制备过程简单，稳定且适于丝网印刷。由分子铜油墨制成的电路具有以下特性：高分辨率(2-20mil线性特征)；可在pet和kapton上烧结；可在n2(500ppmo2)下热烧结；可在空气中光子烧结；电阻率为20-30mω/sq/mil；铜迹可抗氧化。

使用分子油墨和其他油墨的印刷电子设备的应用

在柔性或刚性基板上，使用银片，纳米颗粒或分子油墨及半导体，碳纳米管或介电油墨开发印刷电子电路，部件和装置。原因如下，对于大多数应用来说，优选分子油墨，其具有许多优点。在某些情况下(uhf过滤器)，它们是唯一合适的选择。

以下应用中，均可考虑使用分子油墨，例如：

·无源或有源刚性或柔性印刷电子元件

·柔性或刚性印刷电路板

·可焊接的印刷电路板

·印刷柔性的加热元件，例如航空航天应用中

·印刷共面波导，rf(射频)天线，rf(射频)滤波器和混合rf(射频)设备

·印刷rf(射频)工程过滤或以选定的频率反射或定向表面

·印刷柔性或刚性太阳能电池

·印刷半导体器件

·印刷微线柔性或刚性触摸界面

·印刷柔性或刚性透明电极

·印刷电容性或电阻性柔性或刚性界面

·印刷柔性电致发光灯

·印在柔性基板上的可穿戴电子产品

·印刷物理化学和机电传感器

如上所述，分子油墨具有优良的机械和电学性能，特别是具有较高的迹线分辨率，其允许电路密度更大和印刷迹线的均匀性和厚度更好。这些迹线具有更强的机械柔性，且可承受更高的电流密度。这些优点可用在例如制造滤波器(例如，低通滤波器，高通滤波器或带通滤波器)，其具有比使用片状油墨获得的那些更好的光谱分辨率。它还可用于制造天线，其可以承受远高于片状油墨所能承受的频率。

rf(射频)应用

丝网印刷的超高频(uhf)天线是分子油墨的一种应用。该天线的一个实施例如图9所示。具有电性能和对迹线的表面轮廓的良好可控性的分子油墨的使用，使其与其它类型的油墨(例如片状油墨)无法达到的频率信号相互作用。

天线实施例的频谱特性的实验结果如图10所示。

测量结果：图表顶部：tv频道在vhf-低，vhf-高和uhf频段的位置(以频率表示)。较低的s11值表示较高的接收功率(在指定频率接收频道的概率较高)

测量亮点：kapton(聚酰亚胺)和melinex(pet)基板上的天线在uhf频段中产生类似的性能。melinex上的天线在较高vhf频段具有更好的响应。

各种性能和结论如表1所示。

表格1：印刷天线的性能

电信应用

在未来几年，移动无线流量预计将增加一千倍。为了满足此需求，采用较小的单元并将它们封装在一起是其中的解决方法。这种方法的缺点包括所需的基站塔数量增加以及各单元间干扰增加。这些干扰会降低系统性能，从而导致数据包丢失和吞吐量降低，并且还可能损害系统的安全性和隐私性。因此，开发创新解决方案至关重要，其允许系统在存在干扰的情况下有效运行并实现移动宽带容量的增加。有两种方法正在被考虑：工程表面和环绕成形波束阵列。两者都涉及在选定的频段上使用上述油墨印刷rf工程过滤或反射或定向表面。

工程表面为单片或多片的大而薄的柔性电介质基板，其具有小型金属或电介质元件的周期性晶格图案，可由上述油墨方便地制成。

这些表面被设计以根据它们的频率选择性地反射或传输电磁信号，并可用于屏蔽、重定向或传输信号。这些工程表面可以部署在平面或曲面上，以减少干扰和/或提高无线覆盖和频谱效率。更具体地，它们可以部署在建筑物或城市基础设施上，以受控方式对电磁信号进行环境管理，以改善宽带流动覆盖范围。这为使用更高频带开辟了新的可能性，由于城市环境当前的传播模型，其表明在较高频带处信号性能较差，是基于电磁传播无法控制的假设。由于这些资源的剪切范围以及用具有优异电性能的低成本，耐用和柔性材料覆盖它们的技术复杂性，使得它们长期以来一直被忽视和未被充分利用。

由于其制造方法，印刷电子(pe)可以克服将工程表面整合到建筑物和城市基础设施中的技术障碍。此外，它们此后可以用来改变和管理覆盖区域内的信号环境。

环绕成形波束阵列可以用于室外环境(例如在灯柱上)，以将这种普遍且无处不在的基础设施转换为具有大角度覆盖的基站网络的主干，从而消除了在视觉上没有吸引力的基站塔的昂贵部署。由于目前各位置对房地产和电力供应的可获性，这样的开发将会是低成本的。另外，可以调整这些阵列的辐射束，以减少溢入相邻单元的量，从而减少干扰。对于室内环境，可以使用相同的策略将环绕成形波束阵列混合到基柱中，以将信号的范围扩展到死区，并通过调整覆盖范围来增加信道容量。

印刷电子设备(pe)可以方便地使用以设计并促进部署大面积工程表面和环绕成形波束阵列。这可以通过将大而柔的pe生成的片材作为壁纸部署到建筑物的正面和/或建筑物或城市基础设施的内表面上来实现。这些柔性pe生成的片材可以使用如上所述的各种油墨，例如片状油墨，但也可以使用分子油墨。

这方面的主要例子有安装频率选择表面(fss)以阻挡/允许某些频段或光学半透明的基于油墨的结构来控制信号进入建筑物，而不影响室内区域的自然光照射。pe生成的表面也可以设计成选择性地塑造覆盖范围以去除死区或阴影区域。这些先进技术的另一个相关且高度多功能的扩展需要排除某些覆盖区域，以符合网络安全要求。第二个目的是使用pe在灯柱或基柱周围部署环绕成型波束阵列，以减少对额外塔式基础设施的需求。由于pe产生的表面的柔软性，使得这种开发成为可能。在nrc和pe联盟成员的设施中进行了大量开发的新型半导体和铁电油墨将通过实现工作频率，覆盖范围和/或信号极化(这些是实现更高信道容量的关键特征)的动态变化，显着拓宽这些环绕成形波束阵列的功能。

对电磁环境的控制是通过pe的独特功能在柔性基板上实现工程表面和环绕天线阵列，其需要共形实现(与方向无关，这在传统平面对应物中是不可能的)，其可以覆盖大的印记。此外，该技术可以利用新兴的自适应材料(例如铁电体)来实现可调谐结构，成形波束阵列和可调谐工程表面。使用不同的印刷技术(例如丝网印刷和喷墨)在ism带或其他感兴趣的微波频带上开发出柔性工程表面。

该技术的实际实现将会用于5g移动无线通信的工程表面(es)。

为了可以在此种情况下使用，工程表面被安置在重要位置，以改变用于覆盖控制，安全性增强和/或干扰减轻的传播环境。对于覆盖控制，需要提供两种类型的工程表面：类1表面为是频率选择性的，其反射/传输特性是频率函数，通常用在建筑物的外壳上；和类2表面为是反射阵列光栅或重定向信号漫射器，通常用在建筑物内(例如，在墙壁上)。两类es的安装如图11所示。

印刷电子设备的独特性使得用上述油墨制造此两类工程表面成为可能。可以使用片状油墨，包含纳米颗粒的导电油墨和半导体油墨(有机或无机)。也可以选择如上所述的分子油墨。

类1：频率选择性表面(fss)可以安置在墙/窗上，以阻止/传输给定区域的信号(安全)。它们还可以减轻相邻区域之间的干扰。类1fss如图12a-12d所示，其示出了多种适当的油墨迹线图案。类1fss可以印刷在柔性基板上，包括透明基板，以便更精细或安装在窗户中。多层fss性能如图13a-13b所示。

类2反射阵列光栅或漫射器可以部署在关键位置上，以照亮建筑物中的盲点，增强多径信号传输，增大覆盖范围或创建静区。这种有益信号变化如图14所示。

类2反射阵列光栅的合适的油墨迹线图案如图15所示。

fss-支撑的反射阵列光栅性能用图16a中所示的装置来表征。得到的反射光谱如图16b所示。

印刷电子设备可以实现多种功能，可用于实现5g移动网络技术。例如，可以基于金属和介电油墨的组合来开发多层es，用于5g频段中的更高频率。使用印刷电子或机电技术也可以实现重构的es，以实现实时动态控制。

航空航天应用

如上所述，可以在各种基板上使用多种类型的油墨。例如，银片，纳米颗粒或分子油墨及半导体，碳纳米管或介电油墨均可应用于柔性或刚性基板上。

上述的机械性能和电学性能证明了由这种油墨和基板制成产品的潜在可靠性。

航空航天领域对产品集成到飞机子系统的可靠性要求很高。印刷电子设备在飞机中的应用的一个实例是在需要加热的部件中引入印刷和柔性加热元件。飞机的机翼是飞机子系统的一个实例，为了避免在暴露于非常低的温度中，机翼上积冰的情况，需要在行驶期间加热。

目前，飞机机翼使用铝管加热，铝管将热空气从发动机带入机翼，以防止机翼上形成冰。但是，这些铝管很重并且改变了机翼的重量分布。

如果机翼上没有这些铝管将会更好。

使用包括由上述油墨制成的印刷电子器件的印刷和柔性加热元件可以代替这些铝管。

此类加热元件的柔性特征使其能够非常容易地用这些加热元件涂覆机翼内部。

而且，这些加热元件的基板通常很薄而且很轻。由此避免了在飞机机翼中重量的显着增加。这对机翼和飞机的重量均产生有利影响，从而改善了整体性能。

此外，基板可以涂覆在机翼的内表面。由于电路占基板表面的很大一部分，因此机翼可以在其表面上被均匀地加热。由电路散热而产生的热量也可以对机翼的特定部位进行加热，从而使需要更多热量的机翼部件获得更多热量，以防止积冰。从而，热量能被更有效地利用并且减少能量浪费。

太阳能电池

根据本发明的一个实施例，如上所述的分子油墨可用于制造太阳能电池和太阳能电池板。由于所述的分子油墨具有高导电性和高分辨率，其特别适用于太阳能电池母线的印刷。

导电薄膜和触摸界面

根据本发明的一个实施例，分子油墨由于其高导电性和高分辨率可用于制造印刷透明导电电极或透明导电膜。这种透明导电膜使得制造印刷电容微线触摸界面成为可能。

该实施例的优点是能够快速设计和构建触摸屏的定制原型。例如，激光公司已经开发出一种能够实现电容触摸屏制造的ito激光蚀刻工艺。这种技术是基于ito膜的激光烧蚀，然后对母线进行印刷和/或修整。此处所述实施例是基于在柔性基板上印刷银电极栅格或图案，如果必要的话，可以在激光烧蚀工艺之前对印刷迹线进行修整以产生电容界面。其可以更有效地设计和构建快速定制的触摸屏原型。

本发明另一个实施例包括对使用ag分子油墨印刷的迹线进行选择性烧结。该实施例的优点为生产更为柔软。

因此，分子油墨可方便地应用于直接印刷和激光修整和/或印刷产生的导电迹线以及分子导电油墨的选择性烧结用于产生柔性或刚性微线电容式触摸界面的过程中。

离散有源开关的混合集成

本方案主要围绕现成的分立式mmic开关芯片和通过丝网印刷实现的柔性基板的异构集成平台展开。将传统的小面积低功耗与高性能片上系统(soc)，柔性基板和经济高效的印刷电子设备结合(图17-24)。

证明了传统的片上系统和印刷电子相结合的混合系统的概念，提供了两者的优点。初步测量结果表明印刷电极具有与商业电极相当的性能。soc和基于混合系统的印刷电子设备为下一代完全重构和自适应工程表面提供了一种很有前景的解决方案。

共面波导(cpw)线和过滤器

在塑料基板上应用的共面波导(cpw)线和滤波器的宽带材料表征(图25-28).

微线

电容技术“场耦合”与“印刷微线”如图29所示。这是一个印刷导电迹线网格连接到x和y一个或多个共同的迹线的丝网印刷过程。印刷迹线的宽度在10μm和50μm之间，因此器件的导电性和透明度是可接受的。

热成型高温分子银油墨

结果证明银分子油墨可以在kapton基板上进行光子烧结以产生导电迹线片电阻率值约为8.3mmω/υ/mil⁷。相比于热处理方法的数十分钟，光子烧结能够在几毫秒内对迹线进行处理。同样证明了光子烧结能够在低温基板材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚萘二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯和二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)上加工分子油墨。由于它开启了研究生产模内电子电路的独特方法的潜力，使得使用ipl在petg上处理油墨是很有价值的。使用分子油墨和光子烧结的组合来制造模内电子器件的潜在优点在于，迹线可以在被转换为导电迹线之前被模制，并且随后使用光子能量被转换为导电3d迹线。这是一种只能使用分子油墨进行的独特工艺，银片油墨无法实现。

在产生导电3d模制迹线时，首先理解特征(features)的几何形状如何形成迹线将对基板产生影响是重要的，但更重要的是，印刷到基板上的迹线。如表2的总结，当形成椭圆形和圆形圆顶时，在基板上施加的平均和最大应变分别为～16％和40％。当在基板上形成具有更高级几何形状的物体(例如具有55至75°偏离垂直角的直角棱镜)时，施加在基板上的平均和最大应变可分别高达40％和75％。另外，基于角度和圆的组合的凹坑的物体也对基板上施加的应变产生显著影响。基于对感兴趣的物体热成型后施加在基板上的应变的了解，我们接下来研究热成型/光烧结过程如何影响迹线的电性质。

表2用于将3d形状塑造到petg基板中的物体的几何形状以及由于热成型过程而施加到基板上的实测应变。

如表3中所示，将椭圆形和圆顶特征模制成分子油墨迹线时与未成形迹线相比，相对电阻增加(r/r0)小于1.4。还值得注意的是，在产生导电迹线之前热成形迹线的过程使得产生的功能迹线的线宽窄至160μm。在扩展几何形状范围时，该过程还能够将生成导电3d直角棱镜特征用在银迹线中。如表3中所示，与未形成的迹线相比，160至550μm特征的相对电阻增加也低于1.4。更加值得研究的是，迹线在平均应变为～20-40％以下，而可承受的最高应变高达75％(表2)。在文献中很少有例子表明高导电迹线可以承受大于50％的应变而不会显着降低电性能。最后，具有角度和圆特征的凹坑结构也被模制到迹线中。虽然在迹线上施加的平均应变不像直角棱镜那样高，由于大面积的迹线正在承受应变(面积为2/3)，这些结构值得研究。尽管的大部分区域的迹线都在承受应变，与未形成的迹线相比，160至550μm特征的相对电阻增加在1.5和2.8之间(表3)。

表3对已印刷到petg上的迹线(热成型和光子烧结以产生导电银迹线)测试的相对电阻变化。

综上所述，在将油墨转换成其金属态之前，分子油墨印刷迹线的热成型能力，使其能够生产出线宽窄至164μm具有优异的电学性能的窄、模制迹线，其成形为形状相当复杂并且大面积承受应变(迹线面积的2/3承受应变)。

尽管上面已经描述了优选实施例并且结合附图进行了说明，但在不脱离本发明公开的情况下，对本发明进行修改，对于本领域技术人员来说均是显而易见的。这些修改均被认为是包含在本公开范围内的可能的变形形式。