浅谈功能性喷墨印刷的技术创新及其应用

    【集萃网观察】喷墨印刷，是一种革命性的非接触式数码可控的印刷方式。与传统印刷技术相比，它具有节能环保、个性化等特点。如今，喷墨印刷能够运用的行业和领域越来越广，从编码及标识、户内外广告牌与指示牌、销售点展板、商业印刷与包装，到邮政信息、可变数据印刷（VDP）、装饰、纺织品、墙面和地板装潢，再到屏幕外罩、软性电路、射频标签、印刷电路板光掩膜、太阳能和燃料电池、平板液晶或有机电致发光显示器、彩色滤光片、显示器底板等，喷墨印刷都发挥着它的独特作用。

    喷墨印刷在诸多领域不断取代传统印刷的同时，还在不断拓展新的应用范围，甚至正突破常规，进入到许多神奇的和我们所不熟悉的市场里。生物技术与工程、法学、金属沉淀学、微结构制造、电子制造、网络连接、制药、玻璃、陶瓷装饰及显示器制造等领域，都已被喷墨印刷技术所涉及。喷墨印刷应用范围如此广阔，以至于我们与其说喷墨印刷可以涉及到哪些行业，还不如说，它还有哪些行业无法涉及！

    喷墨印刷墨水及技术的创新：喷墨印刷墨水的“颠覆性”力量

    喷墨印刷技术之所以能够运用于如此广泛的领域，是因为该技术可以在各种材料上印刷。各种纸张、塑料、玻璃、陶瓷、硅材料、食品，甚至各种柔性基材（从各种膜、凝胶体、薄膜到纸张），都可以成为喷墨印刷的印刷介质。而印刷介质类型的广泛性，源于喷墨印刷墨水的“颠覆性”力量。为什么这么说呢？因为喷墨印刷墨水已经彻底颠覆了人们对墨水的传统认识——除了用来印刷图像或者文字的传统油墨外，喷墨印刷墨水的性质和类型已经拓展到各种功能性的液体，比如，黏合剂、涂料、耐刮墨、防伪和防眩光墨，UV固化发光聚合物、导电和绝缘墨，有机“墨”、液态银、酶、DNA等。

    上述功能性的喷墨印刷墨水因其各自不同的性能，使得喷墨印刷这种生产方式向不同的行业领域进行渗透成为可能，我们统称为“功能性喷墨印刷”。举个例子，喷墨印刷仅仅应用于影像表现的时候，染料型墨水占据主要地位，喷墨印刷只适合办公应用和低端影像市场。而水性纳米颜料墨水的出现，因其具备优异的耐光、防水性能，将喷墨印刷拓展到能跟银盐照片保存时间相抗衡的高端影像领域。那么这个特定的“耐光、不退色”功能，就是打开喷墨印刷影像全面替换银盐冲洗照片广阔领域的敲门砖。再比如，热转印墨水的出现，由于其在加热时可以升华转印到其他介质上，从而完成图像的完全转移，就能将打印在纸张上的图像转印到纺织品、皮革和塑料上，更能转印到凹凸不平的介质表面。这个墨水的功能性就表现在其“可热升华”的特性上面。此外，活性染料墨水，因为其“具备跟棉、真丝、羊毛等纤维可化学反应”的功能性，是喷墨印刷能够完成大多数纺织品数码印花的内在原因。

    显微材料沉积技术

    功能性喷墨印刷，其中一个应用领域是“高技术显微尺度操作材料沉积图像制作方法”。这种“显微材料沉积技术”具有充分的通用性，可以广泛应用在柔性印刷电子、光电结构、平板显示、底板、RFID、智能标签、基因材料序列，或者化学和生物传感器的生产制造方面。与一些用功能性液体覆盖基材表面的沉积技术不同，喷墨沉积方式既精确又具有添加特性，能够在需要的精确位置上沉积精确数量的材料，可以获得精确的制图、覆盖、蚀刻和弥补。这种精确性避免了不必要的材料浪费，大大增强了喷墨技术在采用腐蚀性液体、导电液体和化学活性液体沉积方式领域的应用价值，这使得喷墨印刷就像美军的精确打击和定点清除技术一样，经常在需要精确位置上用精确控制数量沉积涂层的领域大显身手。

    例如，富士公司Dimatix材料打印机（DMP）是一款台式材料沉积系统，设计用于微精细喷射各种功能性液体到几乎任何表面上，包括塑料、玻璃、陶瓷和硅材料，以及柔性基材（从各种膜、凝胶体和薄膜、到纸张产品）。作为一个完整的喷墨打印系统，DMP使产品原型的开发和生产制造过程的测试变得容易起来。它也可以用于小批量产品制造，包括柔性电路、RFID电子标签和显示、DNA阵列、可穿着的电子产品等。由于使用了研究人员可以自己装填液体材料的专用墨盒，DMP系统可以将昂贵材料的浪费减到最小，不仅降低了成本，又简化了传统上的产品开发过程和原型样机的制造过程。

    这些打印技术和功能性墨水的出现，使得打印任何立体造型的物件成为可能。美国ZCorp.公司基于麻省理工学院开发的3DP打印技术，通过3D打印机和功能性墨水可以打印出各种立体模型。

    功能性喷墨印刷应用无所不能：应用于尖端制造领域

    功能性喷墨印刷可以用于尖端制造领域。在微电子行业，利用喷墨打印技术来形成细微的电路是很多厂商和科研机构大力开发的课题。与传统的光刻掩膜法相比，喷墨印刷技术非常适合少量、多品种的制造工作，而且喷墨打印可以一次性在柔性薄膜上形成微电路，这是目前在柔性材料上形成电路的最简便方法。我们把银颗粒分散于溶剂墨水中，制作成为“功能性墨水”，把它喷墨打印在使用特殊性能环氧树脂材料的绝缘隔离层上，当纳米银颗粒布线后，在230℃下烧结使布线固化，制造出完整的模块电路。EPSON公司也使用含有纳米银颗粒的墨水，在聚酰亚胺基板上制作了20层电路板。

    应用在医疗领域

    在医疗领域，功能性喷墨印刷产生了喷墨注射器和器官打印技术。早在2007年，媒体报道了惠普公司和一家爱尔兰公司合作开发了一种“微贴片药剂注入系统”。这实质上是一种喷墨注射器，它由许多微贴片组成，每个微贴片内包含大约1000个微针头，每个微针头内都含有药剂，它们可以是同类的，也可以是不同类的。这种贴片可以根据微处理器的控制，定时定量地向人体体内注射药品。如此一来，糖尿病患者可能会得益于这种注射胰岛素的方式，再也不用自己控制剂量和采用令人痛苦的注射方式了。糖尿病，一贴了之！

    器官打印技术，是功能性喷墨印刷在医疗领域更为辉煌的应用。2008年，一则“器官打印技术登陆广州”的报道见诸报端，让人看到喷墨技术应用在医疗行业的曙光。所谓“器官打印技术”，就是用特殊的喷墨打印机，以人造细胞为主要内容的液体作为功能性墨水，“打印”出三维的人造器官，用以取代人体衰败的天然器官。医学科学家预测，器官打印技术将成为组织和器官再生领域的热门话题，人体器官终于可以“打印”了。

    器官打印技术来自这样的构想：三维人体器官是由二维的许多个剖面构成的，假如预先从电脑中扫描出人体器官每个二维剖面的细胞数据，将之“打印”出来，重叠起来就构成了一个三维器官。而每个剖面的细胞从何而来？目前干细胞的培养及诱导分化技术已比较成熟，原则上病人的干细胞可以培养成任何细胞。

    器官打印的介质不是普通的纸张，而是一张“生物纸”。每一层细胞、生长因子及其他器官要素，都将被精确、高效地打印在一个“生物支架”上，构建成能够替代病变器官功能，并且可供移植的组织和器官，包括皮肤、血管、骨、软骨、神经导管等，甚至心脏。

    美国克莱姆森大学生物工程系的托马斯·波兰教授首创了器官打印技术，他的中国学生袁玉宇等人将这项技术引进到了中国，并成立了生物科技公司。目前器官打印技术已形成了第一批样品，如简单的血管、皮肤和软骨等。同时，他们与南方医科大学、中山大学等共同开展系统动物实验，并积极开始将各类样品送到国家食品药品监督管理局（SFDA）指定的检测机构进行产品安全性检测。据称，第一批进行临床实验的将是生物膜及人工皮肤产品，接着将是新型整形外科系列产品及三维打印的骨组织。

    应用在太阳能硅电池的制造中

    功能性喷墨印刷还应用在太阳能硅电池的制造中。硅吸收光并转换成电子，印在硅表面的银导线阵列收集这些电子，产生电流。在传统制造工艺中，这些银导线是利用丝网印刷工艺印在硅片上。喷墨打印工艺使用的“银墨水”比丝网印刷工艺使用的银膏导电性强得多，喷墨打印工艺也更加精确。因此，相较于丝网印刷工艺银导线宽度达100-125μm，新工艺印制的银导线宽度窄得多，仅为35-40μm。银用量的减少也降低了电池的成本。此外，由于更窄的导线挡住的吸光面积更小，喷墨打印工艺还能够提升太阳能电池的性能。美国能源部可再生能源实验室（NREL）的科学家Maikelvan Hest表示，喷墨打印工艺的最大优点是不接触硅片，不会对其施加压力。这使得利用更薄的硅片成为可能。在传统太阳能电池中，硅片通常约有200μm厚，更薄的硅片可能会在丝网印刷过程中破裂。而对于非接触的喷墨打印工艺而言，不需要担心硅片的厚度，可以达到100μm甚至更低。这意味着可以节省50%的硅成本。由于硅占到传统太阳能电池约3/4的成本，因此该工艺可大幅度降低太阳能电池的成本。

    这就是功能性喷墨印刷，一个发展永无止境、将为人类带来无限光明的朝阳科技！

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