柔性襯底的電流體噴射按需打印研究

錢江紅，杜致遠，杜召亮，趙奎鵬，王大志

（大連理工大學遼寧省微納米技術與系統重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

印刷技術作為一種微納電子結構和器件的制作方法，它的發展越來越受到研究者的關注[1-3]。不同于傳統的噴墨技術[4]采用“擠”的打印方式，電流體噴射打?。╡lectrohydrodynamic jet printing）技術以“拉”的方式從泰勒錐頂端噴射出微小液滴[5]，由于其分辨率高、材料適應性廣等優勢，在柔性電子器件[6]、生物醫療[7]等領域具有廣泛的應用前景。

隨著柔性電子工藝的不斷發展，電子器件的制備不再局限于傳統硅基等襯底上，更多地采用柔性、曲面襯底，這些柔性襯底多采用聚合物絕緣材料，而絕緣材料具有非常慢的電荷衰減率，打印液滴的電荷將殘留在襯底上，這些殘留電荷將改變靜電場的分布進而影響后續的打印行為。為了在柔性襯底上穩定噴印圖案，Lee 等[8]設計了一種環形電極，其原理是使環形電極附近的電場指向電極的中軸線，來抑制帶電液滴或射流的徑向運動，使液滴運行路徑電場力增強，從而克服累積電荷的影響。Leo[9]使用雙層環形電極來重塑噴針周圍靜電場分布，以大幅削弱電場徑向分量。此外，Leo[10]設計了一種氣流輔助的靜電噴頭，通過引入額外的氣流來約束帶電液滴的運動。Dong 和Lee[11-12]采用交流脈沖電壓的方法，通過改變帶電液滴中的電荷轉移特性，在柔性襯底上打印了銀圖案。雖然以上方法在一定程度上彌補了柔性襯底電流體噴射打印的不足，但是其制造成本高、控制復雜、打印材料受限，限制了柔性襯底電流體噴印技術的進一步推廣。

本文通過COMSOL 軟件仿真分析了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底上的電流體射流行為，并采用電流體噴射按需打印的工藝，以熱固化膠為打印材料，以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為襯底，研究了工藝參數對打印微結構的影響，實現了在柔性襯底PET上按需打印微圖案。

1 實驗

1.1 實驗裝置

電流體噴射打印硬件設備由4 個子模塊組成，如圖1 所示，包括電場控制模塊、流體供給模塊、運動控制模塊和視覺模塊。其中，電場控制模塊與噴針連接，用于提供噴印電場。流體供給模塊由微量注射泵、導管、連接件和噴針組成，將流體以所需的流速供應到噴針處。運動控制系統由三軸位移平臺構成，其中，Z 軸導軌用于調節打印高度，X、Y軸導軌用于控制噴針和襯底的相對運動以實現按需打印的需求，柔性襯底作為噴針的對電極放置于Y 軸導軌滑座的支撐座上。視覺模塊主要由CCD 相機構成，用于實時觀測射流狀態，便于及時調整工藝參數以實現穩定噴印。電流體噴射打印軟件控制系統是基于Labview 軟件開發環境開發的，通過電場控制模塊、流體供給模塊和運動控制模塊的協調控制來實現柔性襯底電流體噴射的按需打印。

圖1 電流體噴射打印實驗裝置示意圖

1.2 實驗材料

本文采用的打印材料為熱固化膠UF3808，該膠多用于電子產品的密封加固，具備優良的絕緣和填充性能。實驗采用的石英噴針（美國New Objective 公司）內徑50 μm，外徑365 μm。PET 由于其良好的柔性和絕緣性，是柔性電子的重要襯底材料，因此選用柔性襯底PET 進行打印實驗，實驗所用的PET 的電導率為7.3×10-17S/m，相對介電常數3.6，厚度為500 μm。

2 結果與討論

2.1 仿真分析

在相同的實驗參數的情況下，分別仿真了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底PET上的電流體射流行為，仿真結果如圖2所示，當采用金屬噴針時，帶有高壓電的金屬噴針、具有相同極性的帶電液滴以及柔性襯底之間的相互作用使原始電場扭曲，導致射流發散和液滴偏離預期運動軌跡，并且液滴在接近襯底的區域很容易由于庫倫斥力而破碎產生衛星液滴，引起斷流現象，極易破壞電流體噴射打印的穩定。另一方面，在強電場作用下，柔性襯底PET 能長久保持電極化狀態，具有較慢的電荷衰減率[13]，已滴落的液滴不能借助柔性襯底釋放液滴所帶的電荷，后續滴落的液滴與已滴落的液滴帶有同種極性的電荷而產生庫倫排斥力從而導致液滴變形。而當采用石英噴針時，石英噴針本身不帶電，帶有高壓電的噴針座離襯底相對較遠，因此噴針末端離襯底很近也不會誘發帶電液滴的破碎，削弱了襯底對靜電場的影響，保證了電流體噴射的穩定進行。

圖2 相同實驗參數下PET襯底的仿真結果

2.2 電壓

在電流體噴射打印的過程中，電壓控制模式和彎液面處的應力對液滴的形成至關重要。直流高壓控制模式下電壓對液體作用時間較長，液滴容易積聚大量帶電電荷導致噴印不穩定。為了在柔性襯底可以穩定持續地噴印并精確地控制液滴的噴射位置，可以采用直流脈沖模式，產生間斷的電場力，實現按需打印。隨著脈沖電壓的增大，彎液面逐漸變形，最后當電壓達到液滴噴射的最小閾值時液滴噴射。值得注意的是，電壓值過大會使液滴破碎引起噴印的不穩定，所以電壓幅值需要在一定的范圍內。實驗中保持流量0.1 μL/min、工作距離 400 μm 和移動速度 3 mm/s 等工藝參數固定不變，研究脈沖電壓的幅值對柔性襯底PET 電流體噴射打印的影響。從實驗結果可以清楚地看到脈沖電壓的幅值主要影響液滴的尺寸，如圖3 所示，在一定范圍內，隨著脈沖電壓幅值的加大，液滴尺寸逐漸減小，即液滴的直徑與所施加的電壓大小成反比，原因是隨著所加電壓幅值的增大，電場強度的切向分量逐漸加大，射流直徑減小，從而導致液滴直徑減小。

圖3 不同電壓大小對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響

圖4 不同工作距離對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響

2.3 工作距離

工作距離是影響電流體噴射打印穩定性和打印圖形質量的又一個重要的工藝參數。當電壓保持不變時，工作距離過大會削弱彎液面處的電場強度，導致沒有足夠的電應力克服液體表面張力，泰勒錐無法形成。所以為了在柔性襯底PET上可以持續穩定地噴印，實驗中必須保證工作距離在一定范圍內。實驗中保持電壓1 870 V、流量0.1 μL/min 和移動速度3 mm/s 等工藝參數固定不變，研究工作距離對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響。從實驗結果可以看出工作距離對液滴質量至關重要，如圖4所示，隨著工作距離逐漸加大，出現了不規則的液滴和衛星液滴，而且液滴噴射頻率也變慢。出現這種現象的原因是：噴針和襯底表面距離的增加使得噴針朝向襯底的軸向電場力變弱，一方面影響了彎月面的穩定性從而產生不規則液滴和衛星液滴，另一方面電場強度的降低使得液滴的噴射頻率也降低。由實驗結果可知，噴針離襯底表面的距離在300～400 μm的范圍內時可取得較好的打印效果。

2.4 柔性襯底PET微結構的按需打印

根據所施加電壓類型的不同，電流體噴射技術可以分為連續打印模式和按需打印模式。如果在導電噴針座和襯底之間施加的電壓為恒定的直流電，通常將獲得連續打印模式，而如果施加的電壓是脈沖電壓，則可以得到按需打印模式，按需打印模式的最大優勢在于可精確控制射流的噴射頻率和位置精度，可實現定域微納米圖案，并且提高了打印的靈活性。為了實現復雜圖形的按需打印，本實驗采用Labview編程集成協調各功能模塊，通過上位機對打印路徑進行規劃。打印結果如圖5所示，采用電流體噴射按需打印的工藝，使射流僅在需要的區域噴射，在0.5 mm 厚的柔性襯底PET 上按需打印了微圖案“DUT”，噴印液滴的最小尺寸在100 μm以下。

圖5 采用電流體噴射按需打印在PET 襯底上打印的圖案DUT

3 結束語

本文通過COMSOL 軟件仿真分析了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底PET 上電流體噴射打印的不同射流行為，并實驗驗證了石英噴針更有利于柔性襯底的電流體噴射打印，研究了工藝參數對打印微結構的影響，最后利用優化后的打印參數，在柔性襯底PET 上按需打印了微圖案。實驗結果表明：采用石英噴針可以提高打印的穩定性，打印液滴的尺寸與電壓的大小成反比，工作距離需要在合適的范圍內以保證射流的穩定性。