基于文献计量的印刷电子研究进展

曾敬

1 引言

印刷电子学，是利用传统印刷技术制造电子器件与系统的科学与技术[1]。印刷电子学起源于有机电子学。有机电子学之所以获得材料学界广泛关注，其原因之一就是有机聚合物材料有可能制备成溶液，并通过印刷实现大批量、低成本的制造[2]。除了有机电子学以外，与印刷电子学有联系但又相对独立的领域还有塑料电子学、柔性电子学与纸电子学。印刷电子制造工艺与传统印刷工艺的差别就在于所使用的“油墨”是具有导电、介电或半导体性质的电子材料，这些材料可能是有机的，也可能是无机的。从衬底材料看，可以是刚性的也可以是柔性的。比较来看，印刷电子范围更广，它包含了大部分的有机电子、柔性电子和全部的塑料电子、纸电子（表1）。

印刷电子技术制成的电子产品具有区别于硅基微电子芯片的鲜明特征，即大面积、柔性化、低成本。不过，在性能上，其精度与最小图形尺寸分辨率还远不及传统集成电路加工技术。因此，印刷电子技术与传统的电子制造不是竞争关系，而是相互补充的关系[4]。

2021年，34位科学家联合发表了《The 2021 flexible and printed electronics roadmap》[5]，不难看出，印刷电子将在全球未来电子信息产业发展中承担重要角色。有必要分析揭示当前全球的印刷电子研究现状，为今后我国印刷电子领域的研发布局和产业发展提供参考。

2 印刷电子SCI论文计量分析

期刊论文刊载了70%～80%的科学研究成果，对期刊论文的计量分析可以反映某一领域的研究趋势。“Web of Science”的“SCI-expanded”数据库（SCIE），收录了全世界150多个学科领域的6 000多种期刊，能全面覆盖全球科学界的主要成果。本研究以该数据库为数据源，检索分析近10年间，即2010—2021年，印刷电子学的研究态势变化。检索框架如表2，检索时间为2021年9月17日，文献类型为全部类型，共检索到相关论文13 089篇。

2.1 发文趋势分析

从印刷电子的宏观趋势上看（见图1），2010年以来，印刷电子相关的研究论文处于明显的上升趋势。2019年更是达到了前所未有的顶峰，数量达1 652篇。由于出版的滞后性，2021年暂不做趋势判断。

2.2 发文国家/地区分析

从文献的全球分布来看（见表3），美国、中国、韩国明显领先于其他国家，位居第1梯队。德国、日本、英国、意大利、法国、印度和加拿大位居第4～10位。被引频次是文章质量的重要指标，从平均被引频次看，美国和英国领先。

2.3 研究机构

对论文的发文通讯单位进行统计分析（见表4），前20名活跃机构主要来自欧美和东亚的主要国家。我国的活跃研究机构包括中国科学院、清华大学、华南理工大学、华中科技大学等。美国佐治亚理工大学、加州大学伯克利分校、伊利诺伊大学、西北大学是主要科研力量。韩国也在TOP 20中占得4个席位，分别是汉阳大学、韩国先进技术研究院、首尔大学和成均馆大学。

2.4 主要作者分析

对相关论文的作者进行统计分析发现（见表5），Tentzeris Mananos M以160篇成果位居榜首，远超第2位。对发文量超过25篇的58位专家进行作者合著网络分析发现，Tentzeris Mananos M，Mantysalo Matti度中心性最高，在顶尖专家中具有相当的影响力。欧美日韩顶尖学者之间形成了较大规模的合作网络。

我国主要研发团队如表6所示，他们代表了中国印刷电子研究的前沿力量。值得一提的是，华人著名科学家汪正平（佐治亚理工大学）、鲍哲南（斯坦福大学）等人分别与香港中文大学和北京大学进行了印刷电子研究合作。高水平合作的开展将进一步促进我国该领域的研究和发展。

3 印刷电子在华专利态势分析

专利文献作为技术文献的一种，其申请量的分布与变化直观地反映了相关技术的发展现状与变化趋势。本研究采用Incopat专利信息分析平台对印刷电子在华专利进行分析。经检索，印刷电子在华发明专利申请共计5 089件，其中发明专利授权有2 280件，实用新型790件。

3.1 在华专利申请与公开趋势

从近15年的专利申请量来看（见图2），专利申请呈波动上升趋势，申请数量在2019年达到了高点。专利公开量一直稳步上升，速度有所加快。考慮到专利申请公开有18个月的迟滞，2020与2021年的趋势暂不判断。

3.2 在华专利的申请人主要情况

从专利申请人排序来看（见表7）是以企业为主，京东方科技集团有限公司位列第1。从专利权人的技术分布看，专利集中在国际分类代码H01L51（使用有机材料印刷的半导体器件）；H01L27（共用衬底的多个半导体组成的器件）；C09D11（印刷电子用油墨）；B41J2（喷墨印刷机喷嘴）；H01L31（印刷太阳能电池）。

3.3 在华高价值专利

权利要求数量是专利价值的直接反映。在华有效发明专利中，权利要求数量在30项以上的专利如表8所示，可以看出日本厂商的高价值专利已经在中国率先布局，这些专利主要是印刷电子用油墨，在应用上瞄准显示技术。

4 印刷电子产业化现状与前景

印刷电子的价值链可简单概括为5个不同的环节：基材与墨水材料开发与制造、印刷电子装备开发与制造、功能组件开发与制造、系统集成与制造、终端产品开发与制造。

基材，即衬底材料，是电子产品中最基本的物件之一，用于支撑整个产品，并作为各元件贴合的主体。电子产品轻便化、薄型化成为未来电子产品的发展趋势，基材必须顺应这个趋势。另一方面，采用印刷工艺要求减小基材厚度、降低收缩率、改善收缩变形均匀度、提高平坦度、改进清洁度、适应更多的表面类型和处理方法。杜邦作为全球领先基材供应商，其Kapton 聚酰亚胺薄膜基板，具有卓越的高电气绝缘属性、弹性韧性和光滑度。2018年，沙特基础工业公司（SABIC）推出LEXAN CXT耐高温薄膜，为印刷电子基板提供了高温稳定和高透明解决方案。目前，印刷电子的薄膜基材品种已经相当丰富。

作为印刷电子产业的关键上游材料，导电油墨市场竞争活跃，据知名咨询公司预测，全球导电墨水2020—2027年间的复合增长率为4.1%[6]。美国陶氏杜邦（DowDuPont）、德国汉高股份（Henkel AG & Co.KGaA）、德国贺利氏控股集团（Heraeus Holding GmbH）、英国庄信万丰（Johnson Matthey）、法国多墨（Poly—Ink）、美国太阳化学公司（Sun Chemical Corporation）、创意材料公司（Creative Materials Inc）、应用油墨解决方案公司（Applied Ink Solutions）和沃贝克材料（Vorbeck Materials）等是全球领先的导电油墨制造商[7]。2018年12月，杜邦公司推出第2代模塑电子材料，使触摸控制和照明等功能能够直接嵌入塑料部件内部。2020年8月，汉高股份与美国创业公司CHASM先进材料（CHASM Advanced Materials）达成战略合作协议，共同加速印刷电子领域的创新。贺利氏近期推出了新型高分子材料CleviosHYE，此种材料是导电聚合物和银纳米丝制成的新一代混合材料，具有高耐久性和可靠性，可在1mm半径内实现至少30万次弯曲，它将可能成为可折叠触摸显示器的关键材料。

虽然印刷设备的外观与传统印刷设备在外形上相似，但是两者在本质上又有诸多不同，例如印刷电子产品的印后处理环节所要求的烧结温度有别于传统印刷。印刷电子的产业化急需发展印刷机械和设备。2019年，全球首款结合量子点（QD）与OLED双重优势的喷墨打印H—QLED显示样机首次面世，该样机由广东聚华印刷显示技术有限公司、TCL集团及旗下华星光电技术有限公司等联合成立的“国家印刷及柔性显示创新中心”共同研制。美国Optomec公司持有气溶胶喷墨打印專利，对外供应Aerosol Jet 沉积系统，该公司近期宣布推出新系列混合金属3D打印机：LENS系统大幅面机床系列。可以预见，3D打印与印刷电子技术的融合发展还会带来革命性的创新成果。

5 结语

从当前的论文和专利的统计分析来看，我国在印刷电子研究虽然起步略晚，但并未落后太多，未来我国印刷电子技术大有可能后来居上。

从产品开发与制造环节来看，印刷电子在可穿戴设备、柔性显示器、柔性太阳能电池、传感器、智能包装等方面有广泛的应用前景。其中，有机发光二极管（OLED）和有机光伏（OPV）在过去数年间，性能稳步提升且成本稳步下降，它们将是印刷电子最先走向成熟的子领域[8]。随着物联网、人工智能的快速发展，对低成本传感器的需求量大幅增加，印刷电子产业将迎来发展机遇期。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.06.015

致谢：本课题获广东省科学院院属骨干科研机构创新能力建设专项“广东科技信息资源与技术情报服务平台建设”（项目编号：2018GDASCX-0118）支持。

参考文献

[1] 崔铮.印刷电子发展回顾与展望[J].科技导报，2017，35（17）：14—20.

[2] 崔铮，王展.柔性印刷电子技术解析及发展趋势[J].集成电路应用，2019，36（2）：26—29.

[3] 崔铮.印刷电子学：材料、技术及其应用[M].北京：高等教育出版社，2012.

[4] 丁瑜，王晓宇，王慰.印刷电子的研究进展与产业应用[J].数字印刷，2019（Z1）：1—8.

[5] Bonnassieux Y，Brabec C J，Cao Y.The 2021 flexible and printed electronics roadmap[EB/OL].（2021—06—01）[2021—09—15]. https：//escholarship.org/content/qt4xz53786/qt4xz53786.pdf t=qu50fp.

[6] The Manomet Current.Conductive Inks Market CAGR to Grow at 4.1% from 2020 to 2027[EB/OL].（2021—08—30）[2021—09—15].https：//manometcurrent.com/conductive-inks-market-cagr-to-grow-at-4-1-from-2020-to-2027/.

[7] MarketsandMarkets.Conductive Inks Market[EB/OL].（2021—07）[2021—09—15].https：//www.marketsandmarkets.com/MarketReports/conductive-ink-market-154484169.html#utm_source=IcrowdNewswire&utm_medium=PaidPR-MS-190321.

[8] IDTechEx.Materials for Printed/Flexible Electronics 2021-2031：Technologies，Applications，MarketForecasts[EB/OL].（2020—11）[2021—09—15].https：//www.idtechex.com/en/research-report/materials-for-printed-flexible-electronics-2021-2031-technologies-applications-market-forecasts/785.