用於印刷電子的噴墨印刷
Ashok Sridhar1, Thomas Blaudeck2§, Reinhard R. Baumann1,2*
1Fraunhofer Research Institute for Electronic Nano Systems (ENAS), 2Chemnitz University of Technology, 3University Linköping
Material Matters Volume 6 Article 1
Introduction
在過去的十年中，數位印刷技術系列已經從單純的資訊視覺化工具演變成功能的產生器。超越色彩的印刷」一詞恰如其分地總結了這一轉變。儘管這一系列的印刷技術仍被廣泛用於滿足視覺需求，但其在功能性生成方面的發展，尤其是在印刷電子領域，已導致新想法和製造方法的爆炸性增長，從而實現精益生產。數位噴印的基本前提，即微小體積的液體 (墨水) 液滴或固體 (碳粉) 粒子的定位，直接與所要製作圖像或文字的每個像素的資訊存在相關，這使得昂貴的材料 (功能性或其他) 僅能在基板上所需的位置進行經濟性沉積，也就是選擇性沉積。
本文將詳細介紹最重要的數位製造技術之一 - 噴墨噴印，因為它是印刷電子的關鍵使能技術之一。除了討論噴墨印刷技術的分類之外，還討論了與材料（油墨、基板）相關的各個方面，以及各自的前處理和後處理步驟。
以功能性材料和高科技印刷設備為重點的研究與開發仍在進行中，幾乎每天都有新的創新。
背景
傳統印刷
印刷技術是最重要的發明之一，透過可靠的傳輸、交流和知識保存，加速了人類的進步。儘管古登堡發明的凸版印刷機與可移動的鉛活字已存在超過半個世紀，但自從攝影術演變成圖像藝術複製的基礎，以及更重要的是自從印刷與電腦化資訊技術強力結合的黎明來臨後的數十年，印刷技術的範圍有了顯著的演變，並導致其廣泛的應用。1
柯式印刷、凹版印刷、網版印刷和柔版印刷是傳統印刷技術的主要類型。它們通常需要印刷母版或印版來複製每種類型的資訊（文字、圖形和圖片）。因此，在實施這些技術之前，需要進行精心設計且有時非常繁瑣的印前處理。
數位印刷
與傳統印刷技術不同的是，數位印刷 工作時不需要實體的、預先製作好的主印版，而且印刷時不會對承印物或底層造成顯著的衝擊力。2 數位印刷的基本前提是液滴或固體（碳粉）微粒的精確定位，其微小的體積與要重現圖像的每個二進位單位的資訊存在直接相關。因此，數位印刷沒有傳統印刷的主要缺點，即複雜的工作步驟，通常需要大量的財務和時間投資來產生母版和建立流程。儘管數位印刷也有一定的缺點，特別是與高端傳統印刷技術相比，其平均產量較低，但其優點在於它精心設計了多種技術和製程設計，讓更多人可以使用印刷。這種多樣性和適應性解釋了數碼印刷技術與現有工業生產線（如印刷電路板）的高度整合潛力，就像它進入工業印刷廠（用於按需書籍）或用桌面印表機徹底改變小型辦公室/家庭辦公室一樣。數位印刷技術的特點大致可分為兩類：(1) 直接到基板，包括直接將資訊傳輸到印刷媒體（即基板）上的印刷技術（例如噴墨印刷和熱轉印印刷）；以及 (2) 直接到印版，包括印刷技術（例如、2
數位印刷的基本前提，即在要重現的影像或文字的每個像素上有或沒有資訊，可讓材料（功能性或其他）僅沉積在基板上所需的位置上，產生選擇性的經濟沉積。
印刷電子
儘管詞彙 印刷電子 和 有機電子 有時會交替使用，但它們不一定是指同一群技術。儘管如此，它們確實共享許多使能技術和方法。嚴格來說，印刷電子 是指應用印刷技術（包括傳統和數位）來製造電子結構、裝置和電路，無論使用的是哪種功能材料（油墨）和基板。唯一的先決條件是功能材料必須可以從液相加工。在相同的意義上， 有機電子 涉及有機材料的應用，例如，在剛性或柔性基板上製造電子結構、裝置和電路的導電聚合物。因此， 柔性電子 強調由塑膠或紙張製成的可彎曲基板。
印刷製程的添加性、可用作油墨的材料範圍，以及滿足從原型到大規模等各種生產規模的可能性，都是促使印刷製程在電子製造中得以部署的一些關鍵因素。雖然幾乎所有的印刷技術 (尤其是傳統印刷技術) 都曾在某個階段應用於印刷電子產品，但網版印刷和噴墨印刷仍是主流3. 圖 1 描述了印刷電子產品所需的印刷技術及其特性。
圖 1.對印刷電子有興趣的印刷技術及其重要特性。
值得注意的是，除了噴墨印刷之外， 圖 1. 中列出的所有其他技術均屬於傳統性質。儘管如此，基於下一節列出的原因，數位噴墨印刷仍被視為印刷電子技術的關鍵使能技術。本節將詳細討論噴墨技術的分類、特點和要求，並提供應用範例，說明此類技術對印刷電子產品的適用性。
噴墨噴印技術
噴墨噴印技術可產生包含在流體通道中的墨水液滴，其直徑範圍為 10 到 150 μm，6 大約相當於噴嘴的直徑。液滴的體積在皮升範圍內。由於以下原因，此技術被認為適合印刷電子產品：
- 它是一種非接觸製程，可以逐滴方式選擇性地將各種材料沉積到各種基板上。
- 與其他大多數印刷技術相比，噴墨印刷設定運行所需的車間空間、初始投資和調試時間都較低。
- 它適用於從原型設計到大規模工業生產的各種生產規模。
- 墨水消耗量和材料浪費量極低。7a
最後，使用噴墨印刷在已經有使用任何其他技術製造的電子結構和裝置的基板上增加功能是可能的。其非接觸、無掩模和無主件的特性，以及可將噴頭直接定位在基板的任何 3D 坐標之上的自由度，使這方面成為可能。
分類
根據液滴產生的機制，噴墨技術大致可分為兩大類。6 它們是 連續噴墨 (CIJ) and Drop-on-demand inkjet (DOD)。 DOD 印刷又分為三種類型，即 熱噴墨、 壓電噴墨 和 靜電噴墨。 圖 2 描述了噴墨印刷技術的整體分類，以及各個技術的突出特點。
圖 2.最常見噴墨印刷技術的分類。
儘管 CIJ 印刷具有非常高的液滴生成頻率 (20-60 kHz)，但由於暴露於環境中後的回收過程可能會導致油墨污染，因此尚未在印刷電子產品中廣泛使用。此外，CIJ 是一種潛在的浪費製程，因為不論圖像或要重現的文字的每個像素是否存在資訊，都會持續產生墨滴。然而，CIJ 在處理非平面幾何形狀的基板時有其優勢。
就 DOD 噴墨技術而言，熱噴墨和靜電噴墨遠遠落後於壓電噴墨，9 主要原因如下：
- 熱噴墨會因循環熱負載而導致墨水中的功能材料降解。另一方面，壓電噴墨是一種等溫製程。儘管如此，熱噴墨技術已成功證明適用於製造以無機量子點為基礎的發光二極體。7,8
- 與熱噴墨和靜電噴墨相比，壓電噴墨可使用的油墨溶劑範圍更廣。
- 靜電噴墨所需的投資和運行成本遠高於壓電噴墨。
壓電噴墨
壓電噴墨系統，顧名思義，是由壓電換能器 (PZT) 組成，透過電壓脈衝驅動。這稱為 反壓電效應。在商用印刷系統中，電壓脈衝的頻率通常在 1 kHz 到 20 kHz 之間。由於壓電驅動的結果，壓力 (聲波) 會在油墨通道內產生和傳播，並產生聲波頻率的液滴。6
圖 3a 說明常用的雙極波形，10-12 以及波形各區段重要性的簡要說明。這只是一個範例 - 噴墨噴頭通常可以使用許多不同類型的波形來產生液滴。應用波形的輪廓和幅度取決於噴嘴尺寸、所使用墨水的流變性，以及所需的液滴大小和速度。圖 3b 顯示一連串圖片，描述壓電式噴墨噴嘴形成液滴的過程。
圖 3.a) 壓電驅動的示範雙極波形；b) 壓電噴墨噴頭噴嘴的液滴形成順序。
噴墨印刷的要求
儘管前面提到的不同類型的噴墨印刷技術或多或少在材料、基板的前處理和印刷結構的後處理方面有類似的要求，本節特別著重於壓電噴墨的要求。
基板：如前所述，噴墨印刷本身並不取決於基材。我們可以使用任何類型的基材，例如：剛性、柔性、強化和非強化基材。然而，噴印油墨與基材的互動在決定噴印結構的精確度和堅固性方面起著決定性的作用，油墨特性和基材特性必須很好地匹配。因此，基材表面通常會在印刷前進行處理，以改善濕潤度、附著力等。電漿處理和電暈處理被廣泛用於此目的。對於高解析度的結構，則會使用基板圖案化技術，也就是將基板表面分割成親水區域和疏水區域。10-12
油墨：13 溶劑的作用是提供一種載具，藉此功能材料可穿過噴頭並透過噴嘴噴出。在列印電子產品中，功能性材料具有電子/電氣功能，例如導電性、半導性、電阻性和介電性。
壓電噴墨墨水的主要特徵為：動態黏度低於 20 mPa.s，11a 表面張力值低於 80 mN.m-1，14-16 墨水在溶液中的穩定性/在噴頭中的懸浮，以及墨水成分的顆粒大小最好遠低於噴嘴孔口（幾個數量級）。11c這些值只是指引，特定值可能因系統而異。微粒載量也是決定印刷製程穩定性的關鍵因素。
燒結/固化：與圖形印刷不同，在圖形印刷中，功能性光吸收（因此：顏色）或多或少會在沉積過程和層乾燥後立即實現，而使用「超越顏色」的功能性油墨則需要對沉積的油墨層進行適當的轉換，使其具有功能性。這是為了去除溶劑和其他添加劑，如表面活性剂、分散劑、保濕劑、附著力增強劑等，這些都存在於油墨中。以（類顏料）金屬奈米粒子油墨為例，印刷結構必須經過燒結，這樣奈米粒子才能結合在一起，形成連續的滲透結構，允許導電。對於（yelike）金屬-有機分解（MOD）油墨，分子複合物必須被分解，以形成金屬簇。在這兩種情況下，燒結通常都是透過加熱來完成。為了讓這項技術適用於熱度不穩定的柔性塑膠基材，其他燒結技術如連續、17-23 閃光 UV 放射、17-23 電漿處理、17-2317-23 微波輔助燒結,17-23 直流或交流電場17-23 或化學燒結12h 已被提出。金屬奈米粒子油墨因加熱而產生的燒結順序描繪於 圖 4。
圖 4.金屬奈米粒子油墨的燒結順序。
燒結的品質是一個重要的問題。由於殘留物的存在，即使在燒結之後，印刷結構的密度幾乎總是低於 100%。此外，熱燒結並不適合所有類型的基材，因為燒結溫度通常大於 150 °C - 許多聚合物基材無法承受這樣的溫度。就有機聚合物油墨而言，印刷結構是經過固化而非燒結而成。固化是指聚合物因交联而硬化。
应用示例
有许多应用示例可以证明喷墨打印适用于印刷电子产品；这里仅介绍其中的几个示例。
圖 5 顯示了其中一項應用：在柔性和剛性基板上噴墨印刷的平面偶極子天線，適用於超高頻 (UHF) 範圍。25 相同頻率範圍的濾波器、傳輸線和貼片天線也經由噴墨印製而成，並已有相關報告。
圖 5.德國開姆尼茨工大/Fraunhofer ENAS 使用銀墨噴印共振頻率為 868 MHz 的平面偶極子天線。
噴墨印刷已成功用於製造無源電氣元件。它也已超越旋轉塗層，成為製造有機或聚合物發光元件 (OLED/PLED) 的有效製造方法。事實上，利用噴墨印刷技術製造全聚合物薄膜電晶體 (TFT) 的高解析度圖案已經實現。然而，這些裝置目前僅限於低階應用，例如無線射頻識別標籤 (RFID)，因為它們所使用的主動材料具有低遷移性。此外，它們的開關速度也很低。27-28 另一個活躍的研究領域是太陽能。Konarka Technologies Inc.展示了噴墨印刷有機太陽能電池。目前正在進行使用無機材料噴墨印刷高效率太陽能電池的研究活動。28
結論與展望
噴墨印刷在徹底改變電子製造方式方面大有可為。
噴墨印刷在電子應用領域的成功中扮演著決定性的角色，其中一個最重要的因素就是材料開發（即油墨開發）的進步。除了可靠的高打印性之外，墨水中包含的功能材料還能在較低的燒結溫度下提供高性能（例如高遷移性），這將使噴墨打印能夠在各種基底材料上打印出高性能的電子設備。噴墨印刷的成功也可能取決於替代性燒結和固化技術的成熟速度，這樣才能將印刷柔性基板上的熱量保持在最低水平。最後，噴墨印刷的解析度遠低於光刻技術，這將會是其應用於高密度電路製造的限制因素。
參考資料
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