泛亚电竞华沙理工大学通过Aerosol Jet 打印技术实现了纳米银墨水打印高导电性电子电路

2023-06-21 00:07:05

　　泛亚电竞泛亚电竞原标题：华沙理工大学通过Aerosol Jet 打印技术实现了纳米银墨水打印高导电性电子电路

　　云尚智造是Aerosol Jet 3D 打印技术发明者和专利拥有者（Optomec公司）在中国教育及科研领域的唯一授权总代理。

　　我们在北京总部建立了Aerosol Jet 3D 打印应用和服务中心，可为国内用户提供按需打印、技术咨询、设备安装和技术支持等相关服务泛亚电竞。欢迎各位老师和同学咨询，我们将竭诚为您服务。

　　近年来在轻质、柔性和3D形状基板上打印的低成本电子产品在可穿戴设备和智能封装市场中越来越重要。然而，印刷电子器件不能满足减法技术的电学性能，因为金属印刷图案的电阻率仍然远高于大块材料。为满足这一需求，需要低阻且易于打印的高分辨率印刷电子技术油墨。在本工作中，纳米银油墨用于微细印刷电子技术，喷墨印刷的参数得到了改进。为了提高导电性和改善适印性，使用表面活性剂和分散剂来提高超声雾化效率，获得打印线条的均匀结构，并缩小打印图案的宽度。电学测量表明，与最初制备的油墨相比，阳离子和非离子表面活性剂增强的样品的电阻率值降低了95%。表面活性剂添加到纳米银喷墨油墨中，在现代电子技术中有广阔的应用前景。

　　在电子行业应用领域，高分辨率打印以确保产品的精细尺寸和高导电性以降低能耗至关重要。为实现这种应用的规模化生产，需要采用高沉积速度的打印技术。印刷电子产品需要通过直接书写技术来满足，允许无接触、增材且环保，其中，材料损耗低，高分辨率、高打印速度与均匀的几何形状相结合，并引入多种功能材料的技术就是气溶胶喷射打印。

　　图1。气溶胶喷射打印原理图(1)油墨雾化过程(2)雾化气体雾化引起的材料颗粒流向沉积头(3)鞘状气体喷射材料沉积在基材上。

　　气溶胶喷射打印(AJP)原理图如图1所示，一种利用雾化墨水的集中喷射来创造作为互连的线条和图案，打印制备无源甚至有源电子元件。它是专门为3D基材创建的，因为创建精细的气溶胶射流确保打印在从喷嘴尖端到基材的10毫米范围内具有几乎相同的分辨率。这种技术可以创建最小宽度为8微米的互连导线，与大块银的电导率相同的数量级。

　　喷墨印刷技术需要适合于制造含有低直径、均匀液滴的浓雾的油墨，与使用的基材具有高附着力。浓雾允许使用较低的总气流率，适当的鞘雾比，减少路径宽度尺寸，实现低电阻率的窄线，专用的工艺参数至关重要，同时调节油墨的流变性能。

　　图2。超声雾化原理图(1)超声换能器(2)液体墨水(3)气泡(4)驻波(5)大液滴受重力作用落回容器内(6)气溶胶雾。

　　将超声波能量传递给油墨的超声源的振幅值需要高于阈值才能将液体打碎成液滴。尽管超声波雾化不像气动雾化那样支持各种各样的材料(油墨粘度需为超声波0-20cP, 0-1000cP气动)，它会产生含有小水滴的雾。制造尽可能小的液滴，需要满足关键参数，比如墨水的粘度和表面张力，雾化效率也至关重要。表面张力和剪切可见度(shear vis cosity)的增加不仅增加了雾化阈值(定义为声强W·㎝ˉ²)，在此阈值下，雾化在10 ms脉冲内持续发生，而且还增加了驻波稳定的持续时间，这可以从粘性流体的实验中理解。Tomotika在该研究中提出不可压缩圆柱射流中这些参数的关系为:

　　其中：τ -射流稳定持续时间；D-jet直径；ρ密度；η剪切粘度系数；σ -液体的表面张力。

　　超声波雾化喷绘用油墨含有三种成分:溶剂、功能材料和添加剂。油墨的粘度主要取决于所用的溶剂，即酒精或去离子水泛亚电竞，作为主要液相。功能材料需要小尺度的粒子，以允许产生含有功能材料粒子的溶剂液滴。由于溶剂中含有直径较大的功能材料颗粒较重，因此它们更容易落回墨容器中。印刷电子产品的最佳导电材料是银、金和铜粉末，因为它们具有良好的导电性，而且直径在0.2 μm以下的纳米粉末大量可用。此外，碳基微纳米材料，如石墨烯和碳纳米管，也适用于这些应用。墨水中的Teir浓度必须精确地选择，以实现低粘度墨水中与驻波形成相关的雾化和墨水中高浓度导电颗粒之间的权衡。添加剂用于提高油墨性能，例如在银墨水中使用碳纳米管以获得更高的导电性。为了改变油墨的表面张力，提高粉末的分散性和油墨的稳定性，添加了表面活性剂。

　　表面活性剂是一种能够改变混合物中气体、液体和固体相之间表面张力的化合物。表面张力是测量单位长度的力倾向于收缩表面，防止小部分液体分子蒸发。表面活性剂是两亲性分子，由亲水的头基结构连接到疏水的碳氢化合物或氟碳链。亲水部分可为阴离子、阳离子、两性和非离子型。在水溶液中，表面活性剂放置在溶液表面，因为头部被液体分子吸引，而链被气体粒子吸引，降低了表面张力。

　　本文对几种气溶胶喷射打印油墨的电导率/电阻率进行了评价。用A.Mahajan和E.Cantu分别测定了常用商业油墨UTDAgX的平均电导率，结果分别为1.12·10⁷S/m和8·10⁶S/m。其他最常用的墨水是科莱恩preect TPS50G2，其平均电导率由Ch. Oakley达到1.2·10⁷S/m, m.m morales - rodrigues甚至达到2.38·10⁷S/m。几项研究对商业油墨进行了改性以提高其导电性，而添加溶剂并没有降低低温烧结油墨(140-160℃)的电阻率，而在350℃烧结油墨中添加SWCNT则降低了商业油墨的电阻率，达到2.8·10ˉ⁸Ωm。用活性银墨水溶液代替纳米颗粒，可获得更高的电导率4.6·10ˉ⁷S/m。然而，商业油墨的成分是其生产商的秘密，目前还没有关于利用表面活性剂改善银NP油墨导电性的详细研究报道。该论文旨在开发性能更好的油墨，以打印具有最高导电性的窄线。本文研究了几种市售表面活性剂，研究了表面活性剂浓度对低温烧结气溶胶喷印银线导电性的影响。导电性增强将使气溶胶喷射打印（AJP）技术更好地满足市场需求，从而使该技术更广泛地应用于印刷电子行业。

　　银纳米粉(Silvercon nAg，图3)与表面活性剂混合并分散在甲苯中。银纳米粉(Silvercon nAg，图3)与表面活性剂混合并分散在甲苯中。使用500 W Sonics vibracell 534在40%的功率下对混合物进行4次声波处理30 s。10机械搅拌5分钟2次，使用Retsch RM200。在每道工序后，甲苯的损失用醇基溶剂进行回流，以达到油墨中纳米银颗粒浓度为24 wt.%。在墨水中使用的溶剂混合物1和2是在以前的工作中详细描述的有机溶剂混合物。

　　图3。PAL银纳米颗粒的SEM图像，由供应商提供。LEO 1530扫描电子显微镜进行观察。

　　表1。油墨样品进行表面活性剂浓度试验(S0-S2)和表面活性剂类型试验(CA、TR、D2、SP)。

　　油墨雾化，用M3D Optomecs气溶胶喷射打印系统打印，并在室温下沉积在Kapton HN flm上(杜邦，表面粗糙度与其他论文报道的顺序相同)。空气被用作载气。图4为四点电阻率试验的标准图样设计。每个回路沉积4层，护套气长40±5sccm，载气长26±4sccm，打印速度1.5 mm/min。各组样品分别打印，用500w卤素灯在2 cm距离下进行低温光子烧结1 min。

　　图4。四点电阻率试验图(a)图设计;(b)印花图案在Kapton flm和IR烧结。

　　四点法电阻测量使用Ketley 2001万用表，该方法在低电阻测量中具有精度高的优点。电阻率由式计算:

　　用于计算电阻率的截面积来自Auriga 60上的SEM观察数据，由线宽和线高乘以额外的剖面因子计算得出，也由SEM观测数据计算得出。通过将气溶胶液滴沉积在滤纸上，用最小的气体流量测量了液滴直径和可以携带雾滴通过气溶胶系统的最小载气流量。气体流量采用Bronkhorst EL_FLOW F-201CV-100-AGD-33-V流量控制器测量，液滴标记的存在采用50倍光学显微镜观察，液滴标记直径采用VHX-900F Keyence显微镜测量。

　　图5。图案的测量，使用S2墨水打印，使用扫描电子显微镜图像(Auriga 60) (a)线宽;(b)线。显微镜图像(Auriga 60)中，样品S2可见，气溶胶喷射印刷图案元素。

　　利用扫描电镜对打印线试验油墨打印图案的观察样品结果。测量的平均线宽与光学显微镜获得的结果不同，图6所示的喷射。平均线 μ m)，利用这些参数计算图案的电阻率。

　　用于计算电阻率的有效截面积是根据打印路径的轮廓来估计的，在打印样品的侧面用SEM显微镜观察(图7)。利用图像编辑软件，我们计算出路径的有效导电面积仅为由层宽和层高相乘计算出的轮廓的57%，这与其他研究人员获得的结果相当。

　　表面活性剂浓度试验表明，添加2 wt.% AKM-0531表面活性剂可使电阻率降低95%。添加0.5 wt.%、1 wt.%和1.5 wt.%的Te也分别提高了电阻率。图8显示，表面活性剂添加量在1.5 wt.%到2 wt.%之间，测得的平均路径宽度增加。由于这一事实和这项工作的目标是实现更窄的线，更高的表面活性剂浓度将不进行测试。

　　表面活性剂型试验结果表明，含AKM-0531的印制线电阻率比含Triton X100的印制线打印的线线路，但低于Triton X100线路，Capstone线样品液滴标记直径测量示例;(b) S2样品。

　　D2样品墨水的测试结果(电阻率4.5·10ˉ⁸Ωm或电导率2.22·10⁷S/m)与商业墨水的最佳结果相当，比在类似温度下烧结(2.3·10ˉ⁷Ωm)对商业墨水进行改性的研究结果(2.3·10ˉ⁷Ωm)好5倍。在研究中，作者使用活性银墨水溶液而不是纳米颗粒(4.6·10ˉ⁷S/m)的替代方法获得了较高的导电性值，在研究中，作者将碳纳米管添加到商业墨水中并在350°C下烧结(2.8·10ˉ⁸Ωm)，获得了较低的电阻率值。

　　表2还显示了测量的液滴标记直径(图9)和最小载气气流值。表面活性剂浓度越高，平均滴痕直径越小。测量了“Triton X100”墨水滴痕的最小直径。

　　在图5中，银图案是多孔的，因此可以认为是空气分散在银中。在这种银-空气系统中，较小的液滴会减少空气量。根据卡萨普提出的电阻率-混合规则，如果分散相的电阻率至少是基体的十倍，则：

　　其中：ρeff 为整个材料的电阻率；ρc为连续相的电阻率；χd为分散相体积分数。

　　对于电阻率最低的S2样品，χd-计算多孔图样中的空气体积，考虑ρeff作为印刷图案的电阻率，ρc是大块银的电阻率：

　　本文介绍了几种表面活性剂(Triton X100, Capstone, Span 85, AKM-0531)以0、0.5、1、1.5、2 wt.%的浓度制备和印刷银NP油墨。对打印的图案进行测试，以确定哪种表面活性剂浓度和类型会导致电阻率的最低值。S2样品的最佳电阻率值为4.5·10ˉ⁸Ωm(油墨中含有2 wt.% AKM-0531和溶剂的混合物1)。扫描电镜观察允许测量横截面面积，并揭示了广泛的过度喷涂的存在，这是由于添加表面活性剂导致的颗粒直径更小。然而，它增加了超声雾的密度，减小了液滴的直径，从而导致更均匀的图案。我们证明了阳离子和非离子表面活性剂，即使浓度很小，也要降低印刷图案的电阻率。它为高导电性、柔性电子产品的银NP喷墨油墨提供了有前途的表面活性剂。