基于环形电极电场驱动喷射3D打印微细银网格的制造方法及应用研究

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透明电极是指具有良好光电性能(透光率和导电性)的薄膜电极,其在触摸屏、薄膜太阳能电池(OSCs)、OLED、透明显示等方面具有广泛应用。目前工业中主要使用铟锡氧化物(ITO)透明电极,但是ITO成本高,并且不易弯曲,不能用于柔性透明电极。基于金属(银)网格的透明电极与ITO相比,不仅光电性能良好,同时还兼备柔韧性强、价格低廉等突出优点。然而,如何实现高分辨率(高透光率)金属银网格的低成本批量化制造是当前学术界和产业界面临的一项挑战性难题。我们设计并提出了一种新的打印工艺——基于环形电极电场驱动喷射3D打印技术,为稳定打印高分辨率银网格提供一种可行的方法。本论文将从原理介绍、仿真模拟、实验研究等方面展开,创新点以及完成的工作主要如下:(1)本文提出一种基于环形电极电场驱动喷射3D打印技术,不同于传统电喷印的对电极和本实验室电场驱动现有的喷嘴单电极,本技术同时取消了基板电极与喷嘴电极,只通过固定在绝缘(玻璃)喷嘴外侧的金属环作为提取电极与高压电源连接,从而形成自激发静电场来提供打印所需电场力。因此,打印过程中打印材料与电极不再直接接触,避免了传统电喷印中从电源转移到打印材料的残余电荷导致的排斥、干扰等问题,同时还具有喷嘴与衬底材质不受限制、绝缘喷嘴无需繁琐的导电化处理等优点。针对以上打印原理,设计了喷头系统,将自制玻璃喷嘴同轴套在商用不锈钢喷嘴外侧,并在玻璃喷嘴外侧安装一个环形金属来作为提取电极;优化了供料系统,在供气模块中接入二位三通电磁换向阀,在高气压推动打印材料克服玻璃喷嘴尖端毛细力后,使用换向阀快速释放气管中的高压气体,快速减小管道内压力,保证供料稳定。(2)通过仿真和对比实验对本技术进行研究。仿真结果证明在不同衬底情况下环形电极与衬底之间均能形成静电场;同时对金属环形电极的材质、尺寸参数进行优化,确定材料为铜,尺寸越小的环形电极提供的场强越大,参数为厚度0.05mm、长度2mm、铜环下边缘衬底的距离为2mm。实验结果表明,相对于传统电喷印技术,本技术使用导电材料(银浆)在导电衬底(硅片)上打印时无放电现象,并且可以实现小周期线珊稳定打印,例如银线线宽20μm,间距5μm,光刻胶线宽5μm,间距10μm。(3)为了将本技术更好的应用于银网格制造,研究了工艺参数对结果的影响规律并确定了工作窗口。实验表明,当电压从540V增加到615V,线宽从0.8μm增加至4.2μm,当电压过大时,泰勒锥稳定性遭到破坏,银线线貌变差;当气压从14k Pa增加至22k Pa,线宽从1.7μm增加至5μm,当气压过大时,供料过多导致打印结果中存在较大的液滴;当频率从600Hz增加到2000Hz,线宽从6.1μm减小到0.4μm,频率过大时,每个周期内聚集于弯液面的电荷数量过少,不能维持稳定的泰勒锥,打印结果不连续;当打印高度增加时,线宽先降低后保持不变;当衬底移动速度增加时,线宽持续降低。最终各参数确定为:电压565V-615V、频率1000Hz、气压14kPa-22kPa、打印高度40μm、衬底移动速度0.5mm/s-3.5mm/s。通过该工艺参数窗口制作出线宽300nm-7μm,高宽比0.39-1的银线。(4)应用展示:为了展示高分辨率的制造能力,基于优化的工艺参数窗口,并综合考虑光电性能,制作了线宽3.5μm,周期90μm,方阻1.34Ωsq-1,透光率92%(550nm波长条件下)的银网格,并进行加热测试,在3V电压情况下,20s可达85℃高温;另一方面为了体现小周期打印能力,制作了线宽、周期均为15μm的叉指电极,并用于含铜离子的饮用水检测,检测限为10nmol/L-1μmol/L。
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