基于SE-4四探針綠色柔性噴墨打印銀納米顆粒墨水燒結性能研究

劉 瀟，于志恒，李中燁，趙江浩，李天龍

（嘉興學院南湖學院機電與建筑工程系 浙江 嘉興 314000）

1 引言

打印電子作為印制電路領域的一門新興技術，逐漸顯示出領先于傳統工藝的優越性，在眾多的領域，例如信息、能源、醫療、國防等方面具有廣闊的應用前景[1-2]。作為打印柔性電子器件基礎的納米銀導電墨水，電子器件在低成本、低能量消耗、高效率生產與柔性方面需求日益增長[3-4]，推動導電銀納米墨水的制備不僅需滿足打印電子器件的高性能要求，同時還需滿足綠色環保、無毒安全、低溫燒結、高導電性等要求[5]。近年來，隨著噴墨打印技術的發展，相繼研發出了納米銀、納米銅、納米銀銅、碳納米管、納米金等不同種類的導電墨水。導電墨水合成制備和應用性能的提高及研究顯得尤為重要[6]，Wenjuan Cui[7]等開發了一種有兩層重疊聚合物（PVP和AR）保護的水性金納米油墨，用于各種基板上微電子器件導電圖案打印，以射頻和微波領域導電圖案為例，再在500℃下燒結3 h由金圖案轉變為導電圖案，并通過一條50層印刷線的實驗表明，電導率接近塊狀黃金金屬。Haijiao Zhan[8]等指出殘留在銀粒子上的表面活性劑對銀導電墨水有顯著影響，通過表面改性去除表面吸附劑，制備了一種含銀為48wt%的表面改性銀墨水，并在140 ℃下進行燒結實驗，結果表明導電圖案具有良好的導電性和墨水附著力。因此，納米導電墨水應用性能的提高顯得尤為重要。Long Tai[9-10]等通過研究發現制備的納米銀粒徑大小不均勻，易導致墨水出現團聚，影響墨水打印性能，同時還會造成噴墨打印噴頭堵塞，嚴重影響打印質量。

納米銀墨水是打印柔性電子器件的關鍵電子材料，不僅需滿足打印電子器件的高性能要求，且還需滿足綠色環保、無毒安全、低溫燒結、高導電性等要求。燒結是導電圖案固化的關鍵后處理工藝技術，針對柔性電子打印圖案化燒結過程目前主要集中在各種印刷電子領域，而在墨水燒結過程中，由于沒有相應設備和手段去監控墨水的實際燒結過程狀態，因此無法得到制備墨水的實際燒結狀態參數。本文針對柔性電子打印圖案化燒結過程目前主要集中在各種印刷電子領域，導線利用打印設備打印完成后，在較低溫度下經燒結處理使導線導通，將得到的與銀塊相近的導電性作為納米導電墨水的燒結性能，進而對導電線路打印質量進行研究。因此，導電墨水合成制備和應用性能的提高及研究顯得尤為重要。

2 研究基本思路和方法

研究思路是在當前柔性電子、噴墨打印制造技術及燒結技術的發展現狀基礎上提出的，主要是針對當前綠色納米墨水的燒結性能在研究中存在的不足，提出了納米銀墨水不同燒結溫度下墨水電阻值的動態測量與電阻、溫度的關系及綠色柔性噴墨打印銀納米墨水燒結機理等方面的研發問題[11]。

2.1 研究路線

在前期研究開發的基礎上，采用實驗設計、實驗裝置搭建、技術研究、理論方法和實驗研究與實際應用研究相結合的路線進行實驗。同時，根據測量過程中電阻值測量的精確度進行反饋修正實驗設計方法、實驗裝置布置，實現研究過程中研究問題間并聯與串聯并行，研究結果的反饋修正，從而研究出納米銀導電墨水在燒結過程中的燒結機理及墨水的實際燒結性能等關鍵技術與理論問題。制訂的研究技術路線見圖1。

圖1 研究技術路線圖

3 墨水燒結實驗

3.1 納米導電墨水的制備

以硝酸銀（AgNO3）為銀源，以乙二醇為溶劑和還原劑，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等為分散劑，采用微波法快速制備20～30 nm大小的銀納米顆粒，得到銀粒子含量為45%納米銀導電墨水。

3.2 燒結過程實驗裝置搭建

本實驗以SE-4四探針實驗設備為平臺，搭建與實驗平臺互相通信的實驗裝置，用于數據傳輸、實驗載體固定、測量、顯示等功能。裝置結構圖見圖2。

圖2 SE-4四探針實驗設備

該裝置可設置一個固定電流，并顯示出四探針電壓測試儀測得的電壓值，由歐姆定律：

可知當電流固定時，電壓值得變化趨勢與電阻是一致的。

3.3 納米銀導電墨水不同燒結溫度下墨水動態電阻測量

通過SE-4四探針加熱平臺對基板上微導電圖案進行加熱，并記錄相關數據，修正實驗裝置。測量結果見圖3。

圖3 溫度-時間-電壓關系曲線圖

由于電壓與電阻變化趨勢一致，因此該曲線圖可近似地被視為是動態電阻變化曲線。由曲線可知該墨水的動態阻值在220℃時動態阻值趨于平穩，此時，墨水中銀粒子已經開始比較好地熔化與連接。

4 結論

納米銀導電墨水制備時，墨水各溶劑的配比、含量、種類都具有一定的盲目性和不可掌控性，通過對納米導電墨水燒結性能研究，可為今后墨水制備提供依據，優化墨水的配比，大大降低墨水的市場價格，具有巨大的經濟效益[12]。此外，當前市場上缺乏納米銀墨水實際燒結性能的參數指標，通過研究，可為今后墨水制備時，提升墨水性能，提高墨水的打印燒結質量并可根據需要進行墨水的制備，降低墨水配置過程中的浪費，節約成本。同時，為墨水制備企業提供依據，降低墨水商業化成本，創新性地提出納米銀墨水實際燒結性能的研究，填補了墨水實際燒結性能的研究空白。