壓電波形對噴墨打印電極的調控規律

寧洪龍， 朱鎮南， 陶瑞強， 陳建秋， 周藝聰， 蔡 煒，胡詩犇， 姚日暉， 徐 苗， 王 磊， 蘭林鋒， 彭俊彪

(高分子光電材料與器件研究所， 發光材料與器件國家重點實驗室， 華南理工大學 材料科學與工程學院， 廣東 廣州 510640)

壓電波形對噴墨打印電極的調控規律

寧洪龍， 朱鎮南， 陶瑞強， 陳建秋， 周藝聰， 蔡 煒，胡詩犇， 姚日暉*， 徐 苗， 王 磊， 蘭林鋒， 彭俊彪

(高分子光電材料與器件研究所， 發光材料與器件國家重點實驗室， 華南理工大學 材料科學與工程學院， 廣東 廣州 510640)

壓電噴墨打印是制備印刷電子器件的主要手段之一，其墨滴噴射狀態直接受壓電波形的影響，因而壓電波形對于器件打印具有重要意義。本文主要研究了壓電波形對薄膜晶體管(TFT)電極打印效果的影響，實驗通過改變壓電波形的加壓速率和脈沖持續時間，打印得到了一系列的電極樣品，并對其圖形效果及表面粗糙度進行了測量。實驗表明，隨著加壓速率和脈沖持續時間的增大，墨滴噴出動能增大，最終打印的圖形效果先改善后惡化，表面粗糙度則隨之增大。在加壓速率取值為0.08～1.65 V/μs、脈沖持續時間取值為1.216～2.688 μs的區間內得到了失真程度較小的電極圖形，在加壓速率及脈沖持續時間分別為0.25 V/μs、2.688 μs及0.65 V/μs、1.600 μs時，電極圖形化效果較好，表面粗糙度分別為59.04 nm和59.27 nm。通過對壓電波形參數的合理設置，能夠實現對打印圖形效果的優化。

噴墨打印； 加壓速率； 脈沖持續時間； TFT電極； 表面粗糙度

1 引 言

近年來，印刷電子因其低成本、綠色環保、柔性化可大面積生產等特點而體現出廣闊的發展前景[1]。其中噴墨打印技術因其非接觸、直接寫等優點在電子制造領域受到了廣泛的關注[2-4]。薄膜晶體管(TFT)作為有源矩陣顯示技術的核心器件，由于其傳統制備工藝均采用真空法，成本較高，工序復雜，且近年來顯示行業在柔性、可穿戴等方面表現出了巨大的發展潛力，故采用低成本、少工序、襯底兼容性高的噴墨打印技術制備TFT器件對于平板顯示產業具有重要意義。TFT電極對其器件性能有著重要影響[5]，因此研究如何提升電極的打印質量對打印制備TFT器件具有重要意義。

許多不同領域的研究人員針對打印電極進行了相關研究。Whittow等利用界面層修飾的方法來降低襯底的表面粗糙度，從而改善了器件導電層的打印效果[6]。Shukla等通過噴墨打印制備了不同鉑擔量的聚合物電解質燃料電池電極，并研究了鉑擔量對電池性能的影響規律[7]。Rho等利用噴墨打印及激光退火等工藝制備了NiO/Ni電極[8]。 Ma等利用噴墨打印在光面紙上制備了銀電極并測試了其阻抗[9]。Khan等在塑料襯底上打印制備了金電極及陣列，并研究其在生物電子領域的應用[10]。Qin等在玻璃襯底上打印制備了pH傳感器的電極并測試了其靈敏度等性能參數[11]。

上述研究從不同材料、不同工藝以及不同領域的應用等方面對打印電極進行了研討，并對電極打印效果或器件性能進行了表征與討論。在壓電噴墨打印中，墨滴噴射直接受壓電波形的控制，因而壓電波形必然會對最終打印結果產生很大影響。現階段針對壓電波形的研究大多集中在壓電波形對墨滴噴射及飛行過程的影響，而關于壓電波形對最終圖形化效果的影響的研究相對較少。本研究通過調整打印機的壓電波形，觀察其對電極打印的影響，并優化得到了良好的電極形狀。在此基礎之上，研究了加壓速率和脈沖持續時間對打印TFT電極表面粗糙度的影響。實驗中，打印材料及打印襯底未進行任何額外處理，僅對打印機壓電波形參數進行了適當調節，利用其對電極打印效果的作用規律，在一定范圍內實現了對打印電極圖形及其表面粗糙度的優化。

2 實 驗

實驗所用打印機為DMP-2800，是Dimatix公司的一款技術成熟，性能穩定的產品，被許多企業及科研機構用來進行噴墨打印相關研究[12-15]。其基本結構如圖1(a)所示，噴頭結構如圖1(b)所示。

圖1 DMP-2800示意圖。(a)DMP-2800打印機圖例；(b)噴頭結構示意圖

Fig.1 Schematic of DMP-2800 printer. (a)Legend of DMP-2800 printer. (b)Structure of nozzle

打印機噴頭是利用壓電陶瓷的壓電效應，通過在壓電陶瓷元件上施加電壓信號，使其按一定規律發生形變，引起墨水腔室中的壓力變化從而實現噴墨。

本次實驗所采用的壓電波形如圖2所示。打印機完成一次噴墨需要經歷4個波段的電壓變化。每個波段包含兩個主要參數，即加壓速率(Slew rate,Rslew)和脈沖持續時間T。每個波段的加壓速率為其斜線部分的斜率，其單位為V/μs；T為每個波段的時間長短，單位為μs，T1、T2、T3、T4分別為各個波段的脈沖持續時間。第一波段，壓電陶瓷因起始電壓V0而具有初始形變，隨著電壓減小，壓電陶瓷形變減小，墨水被吸入噴墨腔室；第二波段，電壓上升至V1，壓電陶瓷產生形變，墨水被擠出噴口；第三波段，電壓下降，壓電陶瓷形變減小，腔室壓力減小，墨水尾部斷裂，完成噴墨；第四階段，回復初始電壓，準備下次噴墨。可見墨水的噴出狀態主要受1、2波段的影響，故本次實驗重點研究1、2波段的加壓速率和脈沖持續時間對于電極打印的影響。

圖2 壓電驅動波形分段示意圖

TFT是由多層納米級薄膜組成的，包括電極、有源層、絕緣層等結構，其器件結構剖視圖如圖3所示。

圖3 TFT器件結構示意圖

TFT電極包括源、漏、柵極。本實驗打印電極為源漏電極，其平面圖形設計如圖4所示。其中，L為器件溝道長度，A部分為電極，B部分為引線，C部分為引腳，D、S分別為漏、源極。

圖4 打印電極圖形設計示意圖

實驗樣品采用ANP公司的納米銀墨水打印制備，產品型號為DGP 40LT-15C，打印基底為玻璃。打印機噴頭溫度為60 ℃，基板溫度為60 ℃，墨滴間距為35 μm。

實驗中第一、二波段的加壓速率和T取值分別保持一致，即兩波段的斜線斜率保持一致，且T1=T2始終成立。

實驗參數取值采用單變量方法，即固定加壓速率或脈沖持續時間值，改變另一參數從而得到兩組打印結果。

實驗樣品二維圖像測試所用儀器型號為NikonEclipseE600POL，裝載DXM1200F數碼相機，表面形貌測試所用儀器為白光干涉測試儀，型號Vecco NT9300，測量模式為PSI，放大倍數為2.5倍及10倍。

3 結果與討論

3.1 壓電波形參數對電極圖形的影響

打印電極圖形結果如圖5所示。圖5(a)為不同加壓速率的電極打印效果，T=2.688 μs，Rslew=0.08，0.10，0.18，0.25，0.35，0.45，0.65，0.95，1.65，2.00 V/μs。由圖可見，當加壓速率過小時，圖形發生橫向偏移；當加壓速率過大時，出現衛星墨滴，圖形失真嚴重，電極溝道發生粘連。當加壓速率取值為0.08～1.65 V/μs時，電極圖形失真程度較小。圖5(b)為不同脈沖持續時間的電極打印效果，Rslew=0.65 V/μs，T=1.216，1.280，1.472，1.600，1.920，2.112，2.368，2.560，2.688，2.880 μs。由圖可見，當脈沖持續時間減小時，圖形發生橫向偏移；當脈沖持續時間增大，同樣產生較多衛星墨滴，圖形失真嚴重。當脈沖持續時間取值在1.216～2.688 μs區間時，電極圖形失真程度較小，打印效果較好。

當外電場較小時，壓電陶瓷元件的形變量與所加電場強度成正比，其關系遵循公式：

(1)

其中x為形變量，E為外加電場，dt為逆壓電應變常數。

將公式兩端同乘以壓電陶瓷的電極間距d0，并將兩邊同時對時間求偏導，得到：

(2)

圖5 調整壓電參數得到的打印效果。(a)不同加壓速率的電極打印效果；(b)不同脈沖持續時間的電極打印效果。

Fig.5Printingresultsofdifferentdrivingwaveformparameters. (a)Printingresultsofdifferentslewrate. (b)Printingresultsofdifferentduration(T).

打印機工作時的運動會使噴出的墨水具有水平方向的速度分量，當加壓速率減小時，墨滴噴出速度減小，其飛行軌跡受橫向速度分量的影響更為明顯，圖形會向打印機工作時的運動方向發生偏移；反之，當加壓速率增大時，墨滴出射速度增大，首尾速度差增大，導致液柱易發生斷裂[16]，產生大量衛星墨滴。

在一定范圍內，當脈沖持續時間減小時，各波段在腔室中產生的壓力波發生抵消，墨滴速度及大小均減小[17-18]，墨滴出射動能減小，圖形同樣易發生橫向偏移；反之，墨水腔室中的壓力波未完全疊加，使得墨滴不同部分所受壓力波強度不同，因而產生較大速度差導致墨滴分裂，衛星墨滴增多[19-20]。

3.2 壓電波形參數對電極表面粗糙度的影響

對上述失真程度較小的電極樣品進行表面粗糙度的測量分析。利用白光干涉儀對這些樣品的表面形貌進行測量。

圖6中，不同顏色代表樣品表面高度。在上述區域中，選取源、漏電極部分，得到其輪廓算術平均偏差Ra測量值，以此來表征樣品的表面粗糙度。

圖6 打印電極白光干涉測試結果示例

Fig.6Testresultofprintingelectrodebywhitelightinterferometer

由測試結果作出Ra隨加壓速率和脈沖持續時間的變化曲線，如圖7所示。由圖7(a)可知，在打印電極圖形不失真的范圍內，Ra與加壓速率呈正相關；但在加壓速率增加到一定數值后，Ra的增長趨勢明顯放緩。由圖7(b)可知，在打印電極圖形不失真的范圍內，Ra與脈沖持續時間呈正相關。

圖7 Ra隨不同壓電波形參數變化曲線。(a) Ra隨加壓速率的變化曲線；(b) Ra隨脈沖持續時間的變化曲線。

Fig.7CurvesofthechangeofRawithdifferentdrivingwaveformparameters. (a) Ravs. Rslew. (b) Ravs. T.

墨滴的慣性力與表面張力的效應之比用韋伯數We表示，其定義如下：

(3)

其中ρ為墨滴密度，V0為撞擊速度，σ為墨滴表面張力，D0為撞擊前墨滴初始直徑。墨滴撞擊前的動能Ek、表面能Es分別如下所示[21]：

(4)

(5)

當We>30時，液滴在基板鋪展接近薄盤狀。本實驗所用墨水在該打印條件下的We數經計算約為37～65，其在鋪展過程中達到最大直徑時的表面能Em可表示為：

(6)

Dm為墨滴鋪展達到的最大直徑，θ為接觸角。由于墨滴在撞擊過程中動能只有約1/2轉化為了表面能[22]，因此有：

(7)

將Ek、Es、Em代入，可得：

(8)

即當We數較大時，最大鋪展直徑與We呈正相關。墨滴在接觸基底直至其鋪展達到平衡態的過程中，其動能轉化為表面能并被粘性力所耗散[23]。隨著加壓速率和脈沖持續時間的增大，墨滴出射速度和出射墨滴體積都會相應增大，進而使得墨滴出射動能增大。在這個過程中，動能較大的墨滴具有較大的We數，故其達到的最大鋪展面積越大，轉化得到的表面能也越大，同時，鋪展-回縮過程中固-液接觸界面因剪切應力產生的粘性耗散也增加[24]。

可以推測：雖然動能較大的墨滴在鋪展-回縮過程中粘性耗散較大，但其作用效果還是無法抵消動能差異而導致的墨滴的表面能差異。在一定動能范圍內，墨滴的最終平衡狀態主要與溶液以及基底性質相關[23]，因此不同條件下墨滴經鋪展-收縮和融合后最終形狀相近，故表面能的差異只能反映在膜層的微觀起伏上，即具有較大動能的墨滴組成的圖形最終具有較大的表面粗糙度。

相比脈沖持續時間而言，加壓速率對出射墨滴的大小沒有明顯的影響。隨著加壓速率的增大，壓電陶瓷的形變速率可能會達到極限。因此，墨滴的出射動能的增加受限，并最終反映為電極表面粗糙度的增加趨勢放緩。

4 結 論

當加壓速率和脈沖持續時間分別在0.08～1.65V/μs和1.216～2.688μs區間時，墨滴具有合適的出射動能，電極圖形無衛星墨滴且溝道清晰，失真程度較小。在此范圍內，電極表面粗糙度與加壓速率及脈沖持續時間呈正相關。隨著墨滴出射動能的增大，其鋪展過程中轉化得到表面能增大，最終使得表面粗糙度增大。在加壓速率及脈沖持續時間分別為0.25V/μs、2.688μs及0.65V/μs、1.600μs時，電極圖形化效果較好，表面粗糙度分別為59.04nm和59.27nm。

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寧洪龍(1971-)男，湖南株洲人，博士，教授，博士生導師，2004年于清華大學獲得博士學位，主要從事新型信息顯示材料與器件系統集成的研究。

E-mail: ninghl@scut.edu.cn姚日暉(1981-)，男，湖南漣源人，博士，副教授，2008年于中山大學獲得博士學位，主要從事光電材料與器件領域的研究。

E-mail: yaorihui@scut.edu.cn

Regulation Rules of Piezoelectric Waveform on Ink-jet Printing Electrode

NING Hong-long, ZHU Zhen-nan, TAO Rui-qiang, CHEN Jian-qiu, ZHOU Yi-cong, CAI Wei, HU Shi-ben, YAO Ri-hui*, XU Miao, WANG Lei, LAN Lin-feng, PENG Jun-biao

(InstituteofPolymerOptoelectronicMaterialsandDevices,StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices,MaterialCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Piezoelectric printing is one of the main processes of printed electronics. In this process, piezoelectric waveform has a direct impact on the spray regime of ink droplets, which will play an important role in the devices printing. In this text, effect of piezoelectric waveform on printing thin film transistor(TFT) electrode was studied. By changing slew rate and duration, the piezoelectric waveform parameters, a series of printing samples were obtained, and their patterning quality and surface roughness were measured. With the increasing of the slew rate and duration, the kinetic energy of the ink droplet increases, the patterning quality improves first and then deteriorates, and the surface roughness of final printing pattern gets higher. TFT electrodes with fine pattern are fabricated when the slew rate is from 0.08 V/μs to 1.65 V/μs, and the duration is from 1.216 μs to 2.688 μs. Fine-patterned TFT electrodes with surface roughness of 59.04 nm and 59.27 nm are fabricated when the slew rate and duration are 0.25 V/μs，2.688 μs and 0.65 V/μs， 1.600 μs, respectively. By adjusting the parameters of piezoelectric waveform, the optimization of printing quality can be achieved.

ink-jet printing; slew rate; duration; electrode of thin film transistor; surface roughness

2016-11-21；

2017-02-12

國家自然科學基金重大集成項目(U1601651)； 973國家重點基礎研究發展計劃(2015CB655004)； 國家重點研發計劃專項(2016YFB0401504，2016YFF0203603)； 廣東省自然科學基金(2016A030313459)； 廣東省科技計劃(2014B090915004, 2015B090914003,2016A040403037,2016B090907001，2016B090906002)； 中央高校基本科研業務費專項資金(2015ZP024， 2015ZZ063)； 廣東省高校珠江學者資助計劃(2016)資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China(U1601651); 973 National Key Basic Research and Development Program of China(2015CB655004); National Key R&D Program of China(2016YFB0401504,2016YFF0203603), Guangdong Natural Science Foundation(2016A030313459); Science and Technology Project of Guangdong Province (2014B090915004,2015B090914003,2016A040403037,2016B090907001,2016B090906002); Fundamental Research Funds for The Central Universities (2015ZP024,2015ZZ063); Project for Guangdong Province Universities and Colleges Pearl River Scholar Funded Scheme (2016)

1000-7032(2017)05-0617-06

TN41

A

10.3788/fgxb20173805.0617

*CorrespondingAuthor,E-mail:yaorihui@scut.edu.cn