绝缘衬底的电流体喷印高分辨率微米电极研究_佀萌.pdf

基金项目：国家自然科学基金面上项目（编号：51975104，62074138）；国防基础研究项目收稿日期：20220505绝缘衬底的电流体喷印高分辨率微米电极研究*佀萌，刘畅，张洁，戴恒震（大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁大连116024）摘要：基于电流体动力学喷射理论，建立了集控制、运动和成像于一体的电流体喷印设备。由函数发生器和高压放大器为打印提供正负交变电场，以银导电墨水为打印材料，通过空气压缩机、调压阀和喷头将打印材料喷出，并采用交流供电的策略，进行了绝缘衬底上微米级的图案化银电极打印成型研究。探索高绝缘玻璃基板上电流体喷射打印过程的机理，利用控制变量法明确了电压、打印速度和工作距离3个关键打印参量对银电极打印成型特征的影响法则。结果表明：银电极的尺寸与工作距离成正比，与电压、打印速度成反比。在此研发基础上，在5 mm的厚绝缘玻璃衬底上成功打印并制备了分辨率为70 m的银电极阵列结构和复杂图形，打印结构边缘清晰可见、表面平整平滑，显示出电流体喷射打印方法能够在毫米级别绝缘衬底上对微米级别结构进行高质高效按需生产。关键词：绝缘衬底；电流体喷印；银电极；交流电压中图分类号：TN05文献标志码：A文章编号：10099492(2023)02001604Research on High-resolution Micron Electrode by Electro-fluid Jet Printing onInsulating SubstrateSi Meng，Liu Chang，Zhang Jie，Dai Hengzhen（College of Optoelectronic Engineering and Instrument Science,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China）Abstract:Based on electrohydrodynamic jet theory,an electrohydrodynamic jet printing equipment integrating control,motion and imagingwas established.The function generator and high-voltage amplifier provided positive and negative alternating electric field for printing,and thesilver conductive ink was used as the printing material.The printing material was sprayed out through the air compressor,the regulator valveand the nozzle,and the AC power supply strategy was adopted to study the micron-level schematic silver electrode printing molding on theinsulating substrate.The mechanism of electro-fluid jet printing process on high insulating glass substrate was explored,and the influence lawof three key printing parameters,namely voltage,printing speed and working distance,on the forming characteristics of silver electrode printingwas clarified by using the control variable method.The results showed that the size of silver electrode is proportional to working distance andinversely proportional to voltage and printing speed.On the basis of this research and development,the silver electrode array structure andcomplex graphics with a resolution of 70 m were successfully printed and prepared on a 5 mm thick insulating glass substrate.The edge of theprinted structure is clear and visible,and the surface is flat and smooth,indicating that the electro-fluid jet printing method is highly efficientand on-demand for the production of micron-level structures on millimeter-level insulating substrates.Key words:insulating substrate;electrofluid jet printin;silver electrode;alternating voltage2023年02月第52卷第02期Feb.2023Vol.52No.02机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.02.004佀萌，刘畅，张洁，等.绝缘衬底的电流体喷印高分辨率微米电极研究 J.机电工程技术，2023，52（02）：16-19.0引言近年来，由于低廉、灵活可加工、大面积的电子元件对日常生活和工程方面的广泛应用逐渐增加，因此柔性电子领域也引起了众多专家学者的研究和关注。在许多柔性电子的图案化流程中，电流体喷印工艺能够利用溶液化工艺，在大规模打印中和卷对卷的制造兼容，从而极大地提高了制造效率，也降低了生产成本。2002年，Jayasinghe等1将电喷雾沉积应用于对陶瓷材料的微观构造，自此，电流体喷印技术在微米技术结构的制备方面，得到了大批研究人员的关注。研究人员对电流体喷印的产生机制、射流模型以及影响因素等进行了细致的剖析，并利用该工艺设计出各种功能墨水的微米技术点状和线形结构。在电流体喷印中，打印的射流的电荷密度比较高，主要由电场力来控制射流的运动，传统情况下，利用采集基质是导电性材料，由头部的采集基质内部的高压电场驱动溶液，直接打印到采集基质上。但是，因为绝缘基板在打印的过程中产生的极化现象和电荷积聚问题，而使得电流体喷印的稳定性遭到了破坏。随着柔性器件的快速发展，在绝缘基板上如何加工也是近年来研究的焦点。为了使图案连续平稳地转印柔性衬底上，相关学者进行了一系列研究。16Yanqiao Pan等3-5提出了一种多段式电压控制方式，即在喷针与衬底间加入一条与喷嘴共轴的环状电极，使环状电极的电压比喷口的电压低。该方法可以明显地减小电极环与衬底间的电压，并减少基板极化对打印效果的影响。Lee等6-8将一环状电极整合于喷嘴之下，通过喷嘴和环状接地电极间的高压电场，使喷流通过环状电极印刷在衬底上。然而，在喷嘴和环状接地电极间的电场中，存在着一个径向分量，该分量直接指向环状电极。所喷出的电射流很容易被打印在环状电极上，从而使其不能准确地打印在衬底上。Leo Tse等9开发了一种新型的双电极喷嘴，它可以准确地打印在曲面和绝缘衬底上。另外，Leo Tse10-11还介绍了一种通过在打印喷头与接地电极间增加辅助气流来进行打印的方式。以上方法在一定程度上实现了在绝缘衬底上的打印，但是其控制复杂、打印材料受限，限制了绝缘衬底打印技术的进一步推广。为了解决上述难题，实现绝缘衬底的高精度打印工艺的简化和普适性，本文搭建了交流供电电流体喷射打印平台，由函数发生器和高压放大器为打印提供正负交变电场，以银导电墨水为打印材料，通过空气压缩机、调压阀和喷头将打印材料喷出，并采用交流供电的策略，进行了绝缘衬底上微米级的图案化银电极打印成型研究，明确了电压、打印速度、工作距离对打印结果的影响机制。结果表明：打印的银电极的线宽与工作距离成正比关系，与电压、打印速度成反比关系，通过对参数进行优化，获得了最佳打印参数为：电压3 kV、打印速度10 mm/s，工作距离为0.2 mm，并在5 mm厚的绝缘衬底上实现了微米级银电极结构的可控打印，为大面积绝缘、柔性衬底稳定和可控打印提供了新的打印路径。1实验材料和方法1.1原理及实验装置搭建用于实验，本文中搭建了主要包括运动控制模块、电场控制模块、墨水供给模块以及喷印喷头模块这4个部分的电流体喷印平台。其中，使用MPC2810运动控制卡、高精度X-Y-Z三轴以及方形打印基板这3部分构成运动控制模块，功能是在进行电流体喷印时，调节喷头墨水的喷印位置、打印高度和运动速度，从而达到打印衬底沿着特定运动轨道移动的目的，进而得到所希望的打印图案。电场控制模块是电喷印的技术核心，是一个多波型高压开关电源，其由函数发生器和高压放大器构成，主要功能是建立一个交变电场，处于打印基板与导电喷针底座之间。墨水供给模块则由空气压缩机、调节压力阀和喷头构成，功能是使打印用墨水以特定的运动速度，平稳地从储液管中推进至喷针尾部，以确保电流体喷印的连续供液。喷印喷头模块主要由喷头装置和夹具形成，夹具功能主要是定位喷针与储液管，以确定喷针相对于打印基底的定位精度。开始打印时气压由调压阀进入电流体喷头，并通过调压阀控制气压大小，在压力的推动下墨水在电流体喷头尖端聚集，在电场作用下形成带电液滴，随着电压的增加液滴所带的电荷逐渐增加进而在喷头底部形成图1所示的泰勒锥12-14，当电压增加到一定值时，带电液滴会突破瑞利极限，从泰勒锥挤出微纳米级精细射流即电射流，当电场稳定后，射流也会随之稳定，并在打印衬底上被收集。实验采用交流脉冲电压可获得周期性正负电信号，交流脉冲波形示意图如图2所示。其中Vh代表脉冲高电平，Vl则代表脉冲低电平，Vh和Vl方向相反，Tp代表脉冲高压所占周期的宽度，而Td代表脉冲周期，此时Tp与Td的比是脉冲信号的占空比。在该交流脉冲信号中，其高低电平在周期内方向相反使得液滴所带电荷呈异性，产生吸引力有助于电喷打印的连续性和稳定性。带电液滴在这种周期性正负电场作用下，当电场方向朝下时，此时带正电荷的带电液滴受到朝下的电场作用力；当电场方向朝上时，此时带负电荷的带电液滴则受到朝下的电场作用力，带有异种电荷的液滴之间形成相互吸引作用力，这能够克服采用直流高压电源带来的液滴之间排斥作用从而形成稳定持续的打印效果。1.2实验材料本文采用的打印材料为纳米银墨水，为自己调制的某混合银墨水，该导电墨水具有颗粒细度小（约50 nm）、电阻率合适、黏度高、与绝缘材料结合力强、不易堵塞喷头的特点，较为适合本研究的电流体打印技术，墨水的详细参数如表1所示。图1电流体喷射打印实验装置示意图图2交流脉冲波形示意图粒径/nm50黏度/cPs12 000电阻率/(m)（25）E-8附着力/级0表1某混合墨水的性质佀萌，刘畅，张洁，等：绝缘衬底的电流体喷印高分辨率微米电极研究 17由函数发生器和高压放大器为打印提供正负交变电场，通过空气压缩机、调压阀和喷头将打印材料喷出，采用交流供电的策略以银导电墨水为打印材料在5 mm厚的绝缘衬底上进行了微米级的图案化银电极打印成型研究及可控打印。2结果与讨论2.1电压对打印结果的影响