噴墨打印技術的研究及其在電子器件產品中的應用

侯倩　陳君

摘 要：在這篇文章里，我們主要研究噴墨打印技術的過程、原理、分類以及在電子產業中的運用，比如有機薄膜晶體管、發光二極管、太陽能電池等。噴墨打印技術已經不在只限制于傳統印刷行業，這篇文章的目的就是闡述了噴墨打印在電子行業領域內的可行性。

關鍵詞：噴墨打印技術；連續式噴墨打印機；連續式噴墨打印機

1 概述

噴墨打印技術是一種非接觸的打印技術，它通過電腦控制，將墨水沉積到襯底上，形成事先設計好的圖案。這一技術已經被用來作為一個低成本的研究工具，正在促進多方面的印刷電子產品的初始研究。這項技術的吸引力在于：（1）它是完全電腦控制的，比常見的網版印刷技術具有更高程度的生產自動化。這使得這項技術的運用可以減少成本，更好的重復和提高將原始設計階段轉化為電路原型的速度。（2）考慮到材料和時間的消耗，噴墨打印技術將墨水的消耗量減小到最小并且在一定程度上減小整個過程的復雜性。（3）它具有直接寫的特性，這允許多種沉積薄膜，不需要額外的復雜的掩膜和昂貴的光刻膠。（4）噴墨打印技術作為一種與襯底不接觸的技術，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以及在電子器件中的應用。希望能夠為噴墨打印技術的研究及其在電子器件產品中的應用提供一些借鑒。

2 噴墨打印過程

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。噴墨打印的過程是于壓電行為，使室容積突然減少，引起腔體內一定量的墨水噴射物從一個噴嘴噴出。一個充滿液體的腔用來對外加電壓的反應。突容積減少在液體里引起一個震蕩波，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，從運動中獲得的動量使它撞擊在襯底，并在表面張力的作用下沿著襯底流動。液滴通過溶劑蒸發變干燥。研究表明[1]液滴流動過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量的函數表示[2]。

3 噴墨打印技術的分類

噴墨打印是一個涵蓋性術語，它包括很多種不同的小液滴形成和定位的方法。噴墨打印經常被歸類為連續式噴墨打印機和按滴噴性噴墨打印機，這是由液滴產生的物理過程來劃分。

3.1 連續式噴墨打印機

連續式噴墨打印是連續的液體流在表面張力的作用下形成從噴嘴噴射。在連續液滴打印機中，墨水是被一個高壓力泵控制的，用一個壓電晶體搖動這個噴嘴，產生連續的液滴。來自打印機的信號使產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再循環，然而沒有充電的液滴被噴射出來打印形成圖案。產生的液滴的直徑通常是孔徑的兩倍，150μm是液滴常見典型尺寸，它也可以小到20μm。這種類型的打印機的優勢是打印速度快，這種優勢對于工業關鍵是非常有用的。由于液滴連續不斷的產生必須使用的是易揮發墨水，使得快速蒸發，這樣打印機的噴頭不容易被阻塞。它的一些缺點為：（1）分辨率較低。（2）局限于那些容易帶電荷的墨水。（3）成本相對較高。

依據液滴的偏轉方法，可以被分類為四種：二進制偏轉打印機、多重偏轉打印機、赫茲偏轉打印機和微粒偏轉打印機。

3.2 連續式噴墨打印機

按需滴定噴墨打印是只有在需要的時候，墨水才會從噴嘴里噴射。每一個液滴的產生是對觸發信號的快速反應過程。一個按滴型打印機印刷頭經常包含多個噴頭（有時候專門的噴頭可能只包含一個噴頭）。按滴噴性噴墨打印機的液滴動能來自于打印頭的噴嘴之內。為了達到目的，很多打印頭的設計是用了變形的壓電陶瓷片，當然也有一些其它原理的設計，例如熱噴墨打印技機。壓電式打印頭可以處理更多種液體墨水，熱式打印機可以制作起來更簡單更便宜。

常見的按滴噴性噴墨打印機有以下五種：熱噴墨打印機、壓電式打印機、靜電式打印機、聲波打印機和閥噴墨打印機。

4 噴墨打印技術的應用

噴墨打印技術主要運用于傳統的專業印刷領域等，但是現在噴墨打印技術已經開始逐漸被運用于電子行業內的電子器件的制造。以下逐一介紹噴墨打印技術在電子器件中的運用。

4.1 薄膜晶體管

有機薄膜晶體管在有機電路是一個重要的有源元件。有機薄膜晶體管已經在一些不需要高遷移率和開關速度的低端產品被運用，比如射頻識別標簽[3]和顯示底板[4]。一個有機薄膜晶體管是有兩層電極材料（原極、漏極和柵極），兩層電解質活性有機材料的四層器件。盡管有機薄膜晶體管的基本結構看起來很簡單，但是在實際的每一層材料的打印過程中，卻是十分復雜的。當打印的有機薄膜晶體管的襯底為非平面襯底，那么問題的復雜性就更加突出了，比如說可折疊性電子產品。

4.2 發光器件

噴墨打印的一大優點就是它是一個直接打印的過程，不需要掩膜。這一優點使得噴墨打印這一技術，對于多種器件的研究，具有重要意義，包括有機電致發光二極管。有機電致發光二極管器件結構優化需要考慮不同器件的厚度，選擇最理想的器件設計。這個優化的過程需要多次試驗和測量不同器件的電致發光性能。這是一個耗時和耗費測量的過程。Singh et al[5]演示了可噴墨打印的有機電致發光二極管。

4.3 太陽能電池

太陽能電池作為一種新型能源給能源系統，還沒有得到廣泛使用，這是由于太陽能電池的價格成本和以礦物能源相比較起來沒有競爭優勢。缺點有：（1）昂貴的材料。（2）昂貴的制作過程。（3）用成本更高的解決方案和制作過程材料獲得的效率卻更低。噴墨打印技術改善了太陽能電池薄膜的制作過程，打印技術已經顯示出它對于改善工業降低成本提高效率的前景。

4.4 連接和導電結構

金屬和導電聚合物對于電路可作為導電和連接的重要的基礎結構。它們都可以作為像有機場效應晶體管等的組成結構。傳統的連接和導電線是用平板印刷技術。然而，噴墨打印技術可以用于非常復雜的導電線。被用于制造常見的連接和導電結婚的材料有：納米銀、納米金、納米金屬與納米粒子混合物和有機金屬。

5 結束語

噴墨打印技術已經逐漸被用于電子制造中。平板印刷工藝生產中的步驟繁多，噴墨打印技術提供了一個有吸引力，材料可選擇的對于多種圖案化運用，可以有效的減少生產步驟。在電子產品中運用噴墨打印技術極具潛力。

參考文獻

[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.

作者簡介：侯倩，女，碩士，深圳大學，研究方向：集成電路工程。

陳君，女，碩士，深圳大學，研究方向：集成電路工程。