噴墨打印技術(shù)的研究及其在電子器件產(chǎn)品中的應(yīng)用

侯倩　陳君

摘 要：在這篇文章里，我們主要研究噴墨打印技術(shù)的過(guò)程、原理、分類以及在電子產(chǎn)業(yè)中的運(yùn)用，比如有機(jī)薄膜晶體管、發(fā)光二極管、太陽(yáng)能電池等。噴墨打印技術(shù)已經(jīng)不在只限制于傳統(tǒng)印刷行業(yè)，這篇文章的目的就是闡述了噴墨打印在電子行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的可行性。

關(guān)鍵詞：噴墨打印技術(shù)；連續(xù)式噴墨打印機(jī)；連續(xù)式噴墨打印機(jī)

1 概述

噴墨打印技術(shù)是一種非接觸的打印技術(shù)，它通過(guò)電腦控制，將墨水沉積到襯底上，形成事先設(shè)計(jì)好的圖案。這一技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)作為一個(gè)低成本的研究工具，正在促進(jìn)多方面的印刷電子產(chǎn)品的初始研究。這項(xiàng)技術(shù)的吸引力在于：（1）它是完全電腦控制的，比常見(jiàn)的網(wǎng)版印刷技術(shù)具有更高程度的生產(chǎn)自動(dòng)化。這使得這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用可以減少成本，更好的重復(fù)和提高將原始設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)化為電路原型的速度。（2）考慮到材料和時(shí)間的消耗，噴墨打印技術(shù)將墨水的消耗量減小到最小并且在一定程度上減小整個(gè)過(guò)程的復(fù)雜性。（3）它具有直接寫的特性，這允許多種沉積薄膜，不需要額外的復(fù)雜的掩膜和昂貴的光刻膠。（4）噴墨打印技術(shù)作為一種與襯底不接觸的技術(shù)，襯底表面的光滑和彎曲程度不再是重要的影響因素，這使沉積的薄膜的厚度更均勻。

這篇文章，主要介紹噴墨打印技術(shù)以及在電子器件中的應(yīng)用。希望能夠?yàn)閲娔蛴〖夹g(shù)的研究及其在電子器件產(chǎn)品中的應(yīng)用提供一些借鑒。

2 噴墨打印過(guò)程

噴墨打印所用的材料為液相材料。這些材料稱為墨水，主要有兩種形式，一種為溶液，另外一種為分散液。噴墨打印的過(guò)程是于壓電行為，使室容積突然減少，引起腔體內(nèi)一定量的墨水噴射物從一個(gè)噴嘴噴出。一個(gè)充滿液體的腔用來(lái)對(duì)外加電壓的反應(yīng)。突容積減少在液體里引起一個(gè)震蕩波，使得液滴從噴嘴射出。液滴在重力和空氣阻力的共同作用下下降，從運(yùn)動(dòng)中獲得的動(dòng)量使它撞擊在襯底，并在表面張力的作用下沿著襯底流動(dòng)。液滴通過(guò)溶劑蒸發(fā)變干燥。研究表明[1]液滴流動(dòng)過(guò)程和最終打印的形狀很大程度上是受墨水的粘性影響，這可以被高分子聚合物摩爾質(zhì)量的函數(shù)表示[2]。

3 噴墨打印技術(shù)的分類

噴墨打印是一個(gè)涵蓋性術(shù)語(yǔ)，它包括很多種不同的小液滴形成和定位的方法。噴墨打印經(jīng)常被歸類為連續(xù)式噴墨打印機(jī)和按滴噴性噴墨打印機(jī)，這是由液滴產(chǎn)生的物理過(guò)程來(lái)劃分。

3.1 連續(xù)式噴墨打印機(jī)

連續(xù)式噴墨打印是連續(xù)的液體流在表面張力的作用下形成從噴嘴噴射。在連續(xù)液滴打印機(jī)中，墨水是被一個(gè)高壓力泵控制的，用一個(gè)壓電晶體搖動(dòng)這個(gè)噴嘴，產(chǎn)生連續(xù)的液滴。來(lái)自打印機(jī)的信號(hào)使產(chǎn)生的墨水液滴有選擇性的帶電。帶電的液滴被打入排水溝用來(lái)再循環(huán)，然而沒(méi)有充電的液滴被噴射出來(lái)打印形成圖案。產(chǎn)生的液滴的直徑通常是孔徑的兩倍，150μm是液滴常見(jiàn)典型尺寸，它也可以小到20μm。這種類型的打印機(jī)的優(yōu)勢(shì)是打印速度快，這種優(yōu)勢(shì)對(duì)于工業(yè)關(guān)鍵是非常有用的。由于液滴連續(xù)不斷的產(chǎn)生必須使用的是易揮發(fā)墨水，使得快速蒸發(fā)，這樣打印機(jī)的噴頭不容易被阻塞。它的一些缺點(diǎn)為：（1）分辨率較低。（2）局限于那些容易帶電荷的墨水。（3）成本相對(duì)較高。

依據(jù)液滴的偏轉(zhuǎn)方法，可以被分類為四種：二進(jìn)制偏轉(zhuǎn)打印機(jī)、多重偏轉(zhuǎn)打印機(jī)、赫茲偏轉(zhuǎn)打印機(jī)和微粒偏轉(zhuǎn)打印機(jī)。

3.2 連續(xù)式噴墨打印機(jī)

按需滴定噴墨打印是只有在需要的時(shí)候，墨水才會(huì)從噴嘴里噴射。每一個(gè)液滴的產(chǎn)生是對(duì)觸發(fā)信號(hào)的快速反應(yīng)過(guò)程。一個(gè)按滴型打印機(jī)印刷頭經(jīng)常包含多個(gè)噴頭（有時(shí)候?qū)ｉT的噴頭可能只包含一個(gè)噴頭）。按滴噴性噴墨打印機(jī)的液滴動(dòng)能來(lái)自于打印頭的噴嘴之內(nèi)。為了達(dá)到目的，很多打印頭的設(shè)計(jì)是用了變形的壓電陶瓷片，當(dāng)然也有一些其它原理的設(shè)計(jì)，例如熱噴墨打印技機(jī)。壓電式打印頭可以處理更多種液體墨水，熱式打印機(jī)可以制作起來(lái)更簡(jiǎn)單更便宜。

常見(jiàn)的按滴噴性噴墨打印機(jī)有以下五種：熱噴墨打印機(jī)、壓電式打印機(jī)、靜電式打印機(jī)、聲波打印機(jī)和閥噴墨打印機(jī)。

4 噴墨打印技術(shù)的應(yīng)用

噴墨打印技術(shù)主要運(yùn)用于傳統(tǒng)的專業(yè)印刷領(lǐng)域等，但是現(xiàn)在噴墨打印技術(shù)已經(jīng)開始逐漸被運(yùn)用于電子行業(yè)內(nèi)的電子器件的制造。以下逐一介紹噴墨打印技術(shù)在電子器件中的運(yùn)用。

4.1 薄膜晶體管

有機(jī)薄膜晶體管在有機(jī)電路是一個(gè)重要的有源元件。有機(jī)薄膜晶體管已經(jīng)在一些不需要高遷移率和開關(guān)速度的低端產(chǎn)品被運(yùn)用，比如射頻識(shí)別標(biāo)簽[3]和顯示底板[4]。一個(gè)有機(jī)薄膜晶體管是有兩層電極材料（原極、漏極和柵極），兩層電解質(zhì)活性有機(jī)材料的四層器件。盡管有機(jī)薄膜晶體管的基本結(jié)構(gòu)看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是在實(shí)際的每一層材料的打印過(guò)程中，卻是十分復(fù)雜的。當(dāng)打印的有機(jī)薄膜晶體管的襯底為非平面襯底，那么問(wèn)題的復(fù)雜性就更加突出了，比如說(shuō)可折疊性電子產(chǎn)品。

4.2 發(fā)光器件

噴墨打印的一大優(yōu)點(diǎn)就是它是一個(gè)直接打印的過(guò)程，不需要掩膜。這一優(yōu)點(diǎn)使得噴墨打印這一技術(shù)，對(duì)于多種器件的研究，具有重要意義，包括有機(jī)電致發(fā)光二極管。有機(jī)電致發(fā)光二極管器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化需要考慮不同器件的厚度，選擇最理想的器件設(shè)計(jì)。這個(gè)優(yōu)化的過(guò)程需要多次試驗(yàn)和測(cè)量不同器件的電致發(fā)光性能。這是一個(gè)耗時(shí)和耗費(fèi)測(cè)量的過(guò)程。Singh et al[5]演示了可噴墨打印的有機(jī)電致發(fā)光二極管。

4.3 太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池作為一種新型能源給能源系統(tǒng)，還沒(méi)有得到廣泛使用，這是由于太陽(yáng)能電池的價(jià)格成本和以礦物能源相比較起來(lái)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)有：（1）昂貴的材料。（2）昂貴的制作過(guò)程。（3）用成本更高的解決方案和制作過(guò)程材料獲得的效率卻更低。噴墨打印技術(shù)改善了太陽(yáng)能電池薄膜的制作過(guò)程，打印技術(shù)已經(jīng)顯示出它對(duì)于改善工業(yè)降低成本提高效率的前景。

4.4 連接和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

金屬和導(dǎo)電聚合物對(duì)于電路可作為導(dǎo)電和連接的重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。它們都可以作為像有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等的組成結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的連接和導(dǎo)電線是用平板印刷技術(shù)。然而，噴墨打印技術(shù)可以用于非常復(fù)雜的導(dǎo)電線。被用于制造常見(jiàn)的連接和導(dǎo)電結(jié)婚的材料有：納米銀、納米金、納米金屬與納米粒子混合物和有機(jī)金屬。

5 結(jié)束語(yǔ)

噴墨打印技術(shù)已經(jīng)逐漸被用于電子制造中。平板印刷工藝生產(chǎn)中的步驟繁多，噴墨打印技術(shù)提供了一個(gè)有吸引力，材料可選擇的對(duì)于多種圖案化運(yùn)用，可以有效的減少生產(chǎn)步驟。在電子產(chǎn)品中運(yùn)用噴墨打印技術(shù)極具潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]J.Perelaer，P.J.Smith， E.van den Bosch， S.S.C.van Grootel，P.H.J.M.Ketelaars， U.S.Schubert， Macromol.Chem. Phys.2009，210，495.

[2]J.Perelaer， P.J.Smith， M.M.P.Wijnen， E.van den Bosch， R Eckardt，P.H.J.M.Ketelaars， U.S.Schubert， Macromol.Chem. Phys.2009， 210， 387.

[3]A.Dodabalapur， Mater. Today 2006，9，24.

[4]J.Jang， Mater. Today 2006，9，46.

[5]M.ingh， T.Kondou， H.Chae， J.D.Froehlich， S.Li，A.Mochizuki，G.E.Jabbour， Mater. Res. Soc. Fall Meeting 2008， G13.7.

作者簡(jiǎn)介：侯倩，女，碩士，深圳大學(xué)，研究方向：集成電路工程。

陳君，女，碩士，深圳大學(xué)，研究方向：集成電路工程。