【百年化學 日本篇】 【百年化學 日本篇 No.84】銀與墨的變奏曲：日本印刷電子的逆襲之路

1998年深秋 東京都臺東區凸版印刷珠石會社的防僞工廠裏 資深技師山田正雄盯着一張剛剛下線的全息防僞標籤 標籤上微縮文字細如文足 光變油墨在熒光燈下流轉出彩虹般的干涉文 這套他從師傅手裏接班的技藝代表着人類精密印刷的巔峯 畢竟連日本銀行券上的凹版前影都能完美復刻的設備和工藝放在全世界也屈指可數 山田當時絕不會想到再過十年同一臺印刷機的子孫後代將不再印製鈔票和郵票 而是會在一張塑料薄膜上刷刷刷的印出晶體管二級管和射頻識別天線 印出來的東西不但能看還能導電運算驅動屏幕 這就好比一個做了80年川菜的老師傅突然用同一把菜刀雕出了芯片 不是轉行是升維 要理解這出升維大戲得先回到1900年 那年明治時代還沒過完 兩位印刷匠人大川平八郎與打田周次郎在東京創立了圖版印刷 從最早的石板教科書 商業海報到戰後的凹版包裝證券印刷 圖版印刷一路做到了日本安全印刷的扛把子 鈔票上的全息圖 護照上的激光穿孔 郵票上的微縮文字全是他們的看家本領 業內流傳着一句半開玩笑的話 圖版印刷的防僞技術能讓造假者懷疑人生 這背後是一套極其苛刻的工藝體系 功能性油墨的流變控制 維米級圖案的套印精度 大面積薄膜的均勻塗布 卷對卷連續生產的張力管理 這些功夫隨便哪一項單拎出來都是幾十年磨一劍的硬功夫 然而到了2000年 互聯網像一場颱風 把傳統印刷業吹得七零八落 報紙發行量斷崖式下跌 紙質廣告被谷歌和雅虎按在地上摩擦 圖版印刷的年報雖然還能看 但明眼人都知道 這是老母雞孵鴨蛋一倍不如一倍的西洋產業 怎麼辦 董事會那幫穿西裝的老頭子們開了三個月的會 最後拍板轉型 往哪轉 電子 這個決策在當時看來簡直是張飛繡花 粗中有細的反差萌 一家印鈔票的公司憑什麼搞電子 但仔細一想邏輯硬的像鋼板 印鈔票和印電路本質上都是在基底上精確沉積功能性材料 凹版印刷的網學深度控制 和印刷電子的油墨轉移率用的是同一套流體力學 防僞油墨的低溫固化配方和導電油墨的低溫燒節工藝走的是同一條材料化學的路子 圖版印刷一拍大腿 咱不印鈔票了 咱印晶體管 這叫外甥打燈籠照舊 手藝還是那套手藝 只是印的東西從錢變成了電 光有印刷機沒有墨水 這戲還是唱不起來 這時候 另一家日本老牌企業登場了JX能源 這家公司的祖上是正兒八經挖礦鍊金屬的 對銀 銅的脾氣比對自己家的狗還熟 進入2000年代 JX能源的材料科學家們琢磨出一個大膽的想法 如果把銀塊打成納米級顆粒 分散在溶劑裏 不就是導電墨水嗎 傳統快體銀的熔點是961攝氏度 想讓它融成一片連續的導電膜得燒到紅熱 但納米銀顆粒有個反常識的物理特性 尺寸效應 當顆粒小到幾十納米 表面原子佔比會急劇飆升 快體銀就像一座富士山 表面原子只是山皮上的幾棵樹 納米銀顆粒卻像一粒沙 幾乎整個都是表面 表面原子的化學鍵不飽和 能量高 活性強 用個接地氣的比喻 快體銀是80歲的老大爺 坐在沙發上穩如泰山 你要讓它流動得燒到961攝氏度 納米銀顆粒是800個三歲小孩 各個精力過剩 你只要稍微加熱到120攝氏度 他們就互相擁抱融合 在固態下通過原子擴散連成一片緻密的銀膜 這個過程叫低溫燒結 不是融化了再凝固 而是像雪球越滾越大 最後變成無縫的銀層 JX能源利用電解精鏈和粉體控制技術 做出了次微米到數百納米的微細銀粉 配置成導電油膜後 在120攝氏度左右就能燒結出電導率達到同50%的導電層 2023年JX金屬更是聯合日本產業技術綜合研究所 用screen offset印刷實現了線寬六微米的銅配線 六微米是什麼概念 人類頭髮直徑約70微米 這條線比頭髮絲還細十幾倍 堪稱世界最細等級 JX這手絕活相當於把煉礦的手藝升級成了煉墨的手藝 這是田忌賽馬換道超車的經典案例 但單兵突進成不了氣候 2010年 日本政府旗下的NEDO嗅到了風向 啓動了次世代印刷電子材料及機盤技術開發國家項目 這個項目從平成22年一直幹到平成30年 前後八年分兩期推進 參與名單堪稱日本材料界的全明星 圖板印刷負責連續印刷工藝和基板技術 日曆化成搞銅導電油墨 並拿了printed electronics USA2009最佳材料開發獎 DIC開發反向印刷用的導電絕緣半導體材料 續簫子做透明電極磨出 光星產出有機EL材料 駐有化學工高分子有機半導體 半導體工學研究所和TDK合作 在塑料基板上實現了EUHF頻段CPU動作 項目目標極其宏大 用卷對卷印刷法連續製造薄膜晶體管 把電子紙 柔性傳感器 柔性顯示從實驗室推向工廠 第一期先解決能不能印材料配方 印刷精度 低溫工藝 第二期解決能不能量產 生產節拍 良率控制 可靠性測試 日本政府這招是典型的國家隊打法 不讀某一家企業 而是讀整條產業鏈 用句歇後語形容 這是三個臭皮匠頂個諸葛亮 只不過這三個皮匠全是百年老店 湊在一起直接奔着工業革命去了 現在該深挖原理了 畢竟科學文章不能光靠故事撐場面 印刷電子的核心材料分兩大門派 導電油墨負責修路 有機半導體負責造閘 先說導電油墨 jx能源和塗版印刷主攻的銀納米顆粒油墨爲什麼能在120攝氏度燒結 這裏涉及表面能和熔點降低的納米物理 納米顆粒的曲率半徑極小 表面原子配位數不足 導致表面能極高 根據熱力學 系統總是趨向於降低表面能 就像氣泡總是圓的 因爲球形的表面積最小 納米銀顆粒在加熱時 表面原子獲得足夠的熱振動能量 就會開始向相鄰顆粒擴散 顆粒之間的井部逐漸長大 最終融合成連續導電網絡 燒結溫度遠低於塊體熔點 是因爲納米尺度下表面擴散和經濟擴散的激活能大幅降低 形象的說 這像冬天裏的一堆積雪 大塊冰坨子你捏不動 但一把細雪稍微一握就能團成雪球 燒結後的銀層電導率能達到銅的50% 你可能會撇嘴 才一半不如銅啊 但別忘了這是印出來的 傳統光刻做電路流程堪比宮廷菜 先在銅箔上塗光刻膠 紫外線曝光 顯影 化學時刻 去膠 清洗 十幾道工序 廢料一堆 還要超鏡間和真空設備 印刷電子就像街頭攤煎餅 油墨上去 刮刀一抹 烘箱裏走一圈 齊活 成本只有傳統光刻的五分之一 這叫四兩撥千斤 或者更直白點是殺豬用牛刀 大材小用的反面 殺雞不用牛刀 用菜刀就行 而且菜刀還更快 再說有機半導體並無本 這玩意名字聽起來像某種中藥 其實是五個本環手拉手排成一條直線 化學式碳22 氫14 它的核心祕密在於π電子共餓體系 每個本環裏有六個碳原子 以sp2雜化形成平面六邊形 每個碳還剩一個p軌道垂直於分子平面 這些p軌道兼併兼重疊形成離域的派件 電子就在這些離域軌道上自由移動 像一條沒有收費站的高速公路 普通絕緣體裏的電子像被關在各自牢房裏的囚犯動彈不得 導體裏的電子像在廣場上閒逛的市民 自由但混亂 而並無本這樣的有機半導體電子像在一條有護欄的單行道上行駛 有方向 有規則 而且可以通過外接電廠精確控制通斷 具體怎麼做晶體管 在塑料機板上先用銀納米油墨印出兩個電極 一個叫圓極 一個叫漏極 這像是水庫的入水口和出水口 然後在中間印一層並無本薄膜作爲水渠 最後在上面蓋一層絕緣層 再印一個山極 這是閘門 山極不加電壓時 並無本里的派 電子高速公路是堵住的 水渠沒水 圓極和漏極之間不導電 晶體管關 山極加上負電壓後 電廠穿透絕緣層 在並無本和絕緣層的界面處又導出一層可移動的空穴電荷 高速公路通車 空穴從圓極流到漏極 晶體管開 一個開 一個關 就是二進制裏的1和0 無數個這樣的晶體管排列起來就能做邏輯電路 驅動像素 讀寫 射頻 識別信號 2009年 日本東北大學的研究人員用液象外延工藝成功生長出近乎無缺陷的並無本單晶 製成的有機場效應 晶體管遷移率達到0.4到0.6平方釐米每幅秒 這個數字跟歸晶體管的上百相比 確實像自行車追高鐵 但對於印刷電子專攻的柔性顯示和物聯網標籤來說已經足夠用了 畢竟不是每個應用都需要驍龍8-3的算力 電子只刷新個頁面能跑就行 這叫螺絲殼裏做道場 方寸之間顯神通 2010年後 這些技術開始從實驗室的車間裏爬出來 跌跌撞撞的走向市場 射頻識別標籤是最先商業化的領域 傳統射頻識別天線用銅箔石刻 成本高的像在電路板上鍍金 用銀納米油墨卷對卷印刷 像印春聯一樣批量生產 嘩啦嘩啦一天跑出幾公里 柔性顯示屏是另一個戰場 凸版印刷利用其在顯示材料方面的百年積累 配合印刷晶體管陣列 做電子紙和柔性屏的背板 想象一下 未來的報紙不是紙 是一張能捲起來塞進口袋的塑料瓶 上面的每一個晶體管都是印上去的 看完往兜裏一揣 比折傘還方便 成本方面 印刷電子把電路製造成本壓到傳統光刻的五分之一 這意味着電子製造不再是隻有臺積電 三星才能玩的萬億俱樂部遊戲 中小企業 甚至大學實驗室都可以設計自己的柔性電路 傳統半導體廠商看着這一幕 大概是啞巴吃黃連有苦說不出 我花幾十億美元建的晶圓廠 你一臺印刷機就敢來搶生意 當然印刷電子不是萬能藥 它的圖案精度目前到微米級別 而硅芯片已經卷到三納米 差了三個數量級 所以印刷電子很識趣 不跟cpu搶飯碗 它專攻大面積 柔性 低成本 中低速的領域 智能包裝的防僞傳感器 可穿戴設備的心電電極 柔性光伏的山線 物聯網的環境監測標籤 這叫田忌賽馬 找到自己的賽道 不跟別人擠獨木橋 而是在塑料薄膜上另開一片天 回望日本這條印刷電子路線 你會發現一個極其日本的規律 它不是從硅谷車庫裏的天才少年開始的 而是從兩家老掉牙的傳統企業 印鈔票的凸版印刷和挖礦鍊金屬的jx能源轉型而來 日本政府也沒搞顛覆式創新的噱頭 而是踏踏實實做了八年國家項目 把材料 設備 工藝 標準一套一套配齊 這像什麼 像日本料理裏的出汁 不用猛火爆炒 用昆布和鮮魚花慢慢熬 熬出鮮味 凸版印刷那臺印過無數鈔票的凹版印刷機 jx能源那套煉了百年金屬的電解槽 在2010年代的NEDO項目裏相遇 老手藝碰出了新火花 印刷電子或許不會登上科技媒體的頭條 因爲它不夠酷 不夠顛覆 沒有馬斯克式的火箭回收那麼抓眼球 但它悄然改變了電子製造的底層邏輯 從雕刻變成印刷 從減法變成加法 從重資產變成輕資產 在這個意義上 山田正雄師傅當年盯着的那張防僞標籤 和十年後塑料機板上那層銀納米導電膜用的是同一套哲學 把極其精微的功能用最高效的方式複製億萬份 而這一次複製的不只是圖案 而是電子製造業的另一種可能 一種更便宜 更柔性 更普惠的可能 如果印鈔票是爲了讓經濟流通 那麼印電路或許是爲了讓未來流通 而這顯然比印鈔票更有意義