納米銀油墨（UTDAg）在PI膜上高速噴墨打印的特征研究

2021-06-09 14:43 睿度光電RUIDU
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萊特州立大學(xué)Ahsan Mian課題組通過使用MicroFab的Jetlab 4xl噴墨打印系統(tǒng)對波形電壓進(jìn)行了相關(guān)研究。通過改變壓電驅(qū)動(dòng)器的脈沖波，以產(chǎn)生**速度、理想尺寸和形狀均勻的納米銀墨水液滴（UTDAg），沒有衛(wèi)星液滴和拖尾現(xiàn)象。最后還研究了高速沉積對聚酰亞胺（PI膜）基板上打印線材和液滴質(zhì)量的影響，得到了具有不同液滴間距和不同級速度的均勻?qū)щ娋€材。




近年來，噴墨打印技術(shù)由于可以在柔性基材上制備低成本、輕重量和快速成型電子器件，而越來越受到關(guān)注。在電子印刷領(lǐng)域有*多種工藝，如噴墨印刷，絲網(wǎng)印刷，氣溶膠噴射，柔印和凹印。其中，噴墨印刷技術(shù)被認(rèn)為是一種最精密的微分配工藝，在噴墨印刷技術(shù)中，不同種類的油墨通過微米級噴射裝置（噴嘴）沉積在基材上并形成圖案。

在噴墨技術(shù)中，噴射性能必須得到精確控制，以適用于多種應(yīng)用。因此，在印刷電子設(shè)備中，必須*好地控制幾個(gè)參數(shù)約束，以增強(qiáng)它們的電控制作用。除制備窄、均勻、平滑的直線此外，具有小特征的高密度集成電路更需要高分辨率印刷。為了使用噴墨技術(shù)來打印穩(wěn)定的線條，單個(gè)液滴被打印在承印物上，以便它們合并。這些液滴必須保持穩(wěn)定并且能夠形成連珠，直到變成固化成線。為了增加器件的性能，印刷出的導(dǎo)電線必須均勻且寬度狹窄。以前的工作考慮的是油墨特性對滴形的影響，而不是波形的影響。這些研究大多集中在對承印物進(jìn)行處理以提高印刷質(zhì)量，而忽略了噴嘴形成油墨的過程以及噴射液滴在承印物上的行為。壓電式噴墨印刷是一種精度更高應(yīng)用更廣的工藝，用于沉積各種納米材料。此外，印刷液滴在承印物表面的擴(kuò)散行為必須得到*好的控制，以獲得**的印刷質(zhì)量。因此，美國萊特州立大學(xué)Ahsan Mian課題組通過使用MicroFab的Jetlab*4xl噴墨打印系統(tǒng)對波形電壓進(jìn)行了相關(guān)研究，改變壓電驅(qū)動(dòng)器的脈沖波，以產(chǎn)生**速度、理想尺寸和形狀均勻的銀納米墨滴（UTDAg），沒有衛(wèi)星液滴和拖尾現(xiàn)象。最后還研究了高速沉積對聚酰亞胺（PI膜）基板上印刷線材和液滴質(zhì)量的影響，得到了具有不同液滴間距和不同級速度的均勻?qū)щ娋€材。

本文主要研究了標(biāo)準(zhǔn)波波形對液滴調(diào)試的影響。為了獲得較好的印刷質(zhì)量，液滴的形狀，大小，下落速度及無衛(wèi)星液滴和拖尾現(xiàn)象必須得以控制。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，課題組可以通過改變油墨的特性，如粘度和表面張力，或者改變驅(qū)動(dòng)電脈沖的波形電壓，以控制噴墨微液滴的形成。一般，粘度比較高的墨水需要較高的電壓來驅(qū)動(dòng)，而且對于高粘度的油墨，產(chǎn)生的液滴的重量和速度都較低。這些特性同時(shí)會(huì)抑制產(chǎn)生衛(wèi)星液滴的聲波，使噴嘴噴出的液滴變得更加穩(wěn)定。圖1所示的Jetlab*4xl噴墨打印系統(tǒng)，其中配置了60μm的直徑噴頭，提供了三種波形電壓來控制油墨液滴的形成：雙極（標(biāo)準(zhǔn)波），單極（多波）和正弦波。在這項(xiàng)操作中，使用雙極波形來控制銀納米墨水（UTDAg）的液滴形成。設(shè)置該波形時(shí)，應(yīng)在有效頻率處合理確定8個(gè)參數(shù)中的5個(gè)時(shí)間參數(shù)“Rise”、“Dwell”、“Fall、“Echo”和“Final rise”，以及3個(gè)電壓參數(shù)“Idle”、“Dwell”和“Echo”三個(gè)電壓等級，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)波形電壓由兩個(gè)方波脈沖序列的正和負(fù)與一個(gè)*長的空閑時(shí)間水平。正負(fù)電壓之間較高的差值能夠避免將電壓推到高值，特別是當(dāng)使用高粘度油墨時(shí)，需要高電壓產(chǎn)生和噴射液滴。雙極波形的負(fù)部分作為吸力來收回剩余壓力，以抑制由剩余流體壓力產(chǎn)生的衛(wèi)星和韌帶。根據(jù)停留時(shí)間與停留效率的關(guān)系，正的部分影響液滴形成的上升和下降部分所產(chǎn)生的壓力波。停留效率是指增加產(chǎn)生的液滴速度的停留時(shí)間。停留時(shí)間改變了射流的相位壓力波，停留時(shí)間與停留效率之間的差異會(huì)產(chǎn)生輕微的非相壓力波，從而影響射流的性能。

▲ 圖1   Jetlab 4xl噴墨打印系統(tǒng)示意圖及60μm噴頭

▲ 圖2 標(biāo)準(zhǔn)波形參數(shù)生成液滴的原理圖

為了理解停留時(shí)間和停留效率之間的關(guān)系，如圖3所示的三種情況進(jìn)行說明。情形（a）：當(dāng)停留時(shí)間小于停留效率時(shí)，下降段產(chǎn)生正壓力波。這個(gè)波表示到達(dá)驅(qū)動(dòng)器的**壓力，然后是上升部分產(chǎn)生的**壓力。注意生成的液滴由圖3（a）所示的兩部分組成。**部分代表主液滴，受**正壓影響較大，可能有較高的速度。液滴的第二部分代表衛(wèi)星液滴，受上升時(shí)間產(chǎn)生的**壓力的影響更大，因此速度較慢。在這種情況下，主液滴和衛(wèi)星之間的合并不能發(fā)生，所以這種情況不是**的打印。在（b）情況下，當(dāng)停留時(shí)間等于停留效率時(shí)，所產(chǎn)生的壓力波同時(shí)到達(dá)壓電驅(qū)動(dòng)器，壓力**，所產(chǎn)生的液滴均勻，噴射速度高。因此，這種情況被認(rèn)為是**的印刷。（c）當(dāng)停留時(shí)間大于停留效率時(shí)，上升時(shí)間產(chǎn)生的負(fù)壓波首先到驅(qū)動(dòng)器，然后下降時(shí)間產(chǎn)生的負(fù)壓波更強(qiáng)。因此，**壓力波對主液滴的影響更大。因此，它的噴射速度較低，而衛(wèi)星的速度較快，因?yàn)樗?*壓力的影響。在這種情況下,會(huì)發(fā)生合并主要液滴和衛(wèi)星之間形成一個(gè)液滴,所以停留時(shí)間增加會(huì)增加，這是一種有效的打印方式，因?yàn)樗梢苑乐剐l(wèi)星和韌帶的發(fā)生。

▲ 圖3 停留時(shí)間對生成液滴的影響。（a）停留時(shí)間小于停留效率。（b）停留時(shí)間等于停留效率。（c）停留時(shí)間大于停留效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析


實(shí)驗(yàn)中用與臺式電腦相連的Wild M400顯微鏡來拍攝打印線條的光學(xué)顯微照片。如圖5-7顯示了在未經(jīng)過任何表面處理的聚酰亞胺基板上分別以20mm/s、30mm/s和40mm/s底臺運(yùn)動(dòng)速度，液滴間距分別為50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm進(jìn)行打印的結(jié)果。所有打印線條在實(shí)驗(yàn)室的烘箱中在140℃加熱1小時(shí)。

▲ 圖4 底臺速度為20mm/s，點(diǎn)間距為50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm進(jìn)行打印的結(jié)果。

▲ 圖5 底臺速度為30mm/s，點(diǎn)間距為50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm進(jìn)行打印的結(jié)果。

▲ 圖6 底臺速度為40mm/s，點(diǎn)間距為50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm進(jìn)行打印的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)中其他打印結(jié)果如下圖所示，在此不詳細(xì)列舉。


結(jié)論


在本研究中，使用由Jetlab程序控制的Jetlab 4xl噴墨打印平臺，在不同的噴射參數(shù)下，使用兩種標(biāo)準(zhǔn)波形電壓在聚酰亞胺上打印高導(dǎo)電性納米銀油墨線條。波形電壓對噴頭產(chǎn)生液滴的速度等有顯著影響。與短時(shí)間的停留相比，長時(shí)間的停留會(huì)增加液滴的尺寸和速度。當(dāng)階速度增加時(shí)，印刷線條顯示出更多的穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼘?dǎo)致印刷液滴與基材接觸的角度更低，并且它們在基材上擴(kuò)散的時(shí)間更短。打印線條隨著點(diǎn)間距的增加而變窄。此外，印刷線的電導(dǎo)率隨著固化溫度的增加而增加，因?yàn)楣袒罅粝碌恼澈蟿┎牧系臄?shù)量在較高的固化溫度下會(huì)降低，從而導(dǎo)致納米銀顆粒之間的接觸面積增大。

參考文獻(xiàn)：

[1] Aamir Hamad, Adam Archacki, Ahsan Mian. Characteristics of nanosilver ink (UTDAg) microdroplets and lines on polyimide during inkjet printing at high stage velocity [J].Mater. Adv., 2020, 1, 99- -107

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