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柔版印刷可为电子产品实现近1μm分辨率

日期:2016-12-15

为了突破柔版印刷解析度仅几十微米的限制,MIT研究人员开发出一种新型的压印材料,可搭配常见的电子油墨实现近1μm的解析度。

美国麻省理工学院(MIT)的研究人员在《Science Advances》期刊中发表最新研究成果——“利用奈米孔隙压印实现超薄的高解析度柔版印刷”(Ultrathin high-resolution flexographic printing using nanoporous stamps),重新探讨柔版印刷技术,期望实现高解析度、低成本且大尺寸的印刷电子。

由于压印期间的液体不稳定性以及油墨扩散等问题,利用橡胶压印的柔版印刷解析度通常受限于几十微米;研究人员因而开发出一种新型的压印材料, 使其适用于搭配许多常见的电子油墨实现近1μm的解析度。

这种材料必须具有足够大的孔隙,才能在以电子油墨润湿时容纳胶体油墨颗粒,但又不能太大以避免对于印刷特性造成负面影响。此外,它还必须具有抗溶性以及机械相容性,才能形成均匀的接触,而又极其耐用。

研究人员在微影图案化的矽基板上生长垂直排列的碳奈米管(CNT),创造出99%多孔隙且可重覆的微结构。在经过不同的化学表面处理和适形pPFDA聚合物涂层后,印模即适用于此目的,支援毛细管驱动的油墨载入,以及奈米级触点介导的油墨转移。

 

 

压印微结构的SEM影像,25μm x 25μm (左);以及(右)该结构阵列的光学和原子力显微镜影像,及其所取得的银(Ag)印刷油墨图案 (来源:MIT)

接着在刚性和软性基板上,研究人员为ZnO、WO3与CdSe/ZnS等各种不同功能的奈米粒子油墨印刷许多微米级图案。其执行时的解析度与印刷速度(0.2m/s)远远优于当今业界所采用的技术。研究人员并在文中指出,如果将这一制程转换为卷对卷制造,就可能让低成本量产电子成为现实。

例如,MIT研究团队印刷了透明电极的导电网路——这是连接至LCD、LED、触控萤幕面板或太阳能电池等应用的关键层。在利用蜂巢图案化奈米多孔隙压印的单一柔版印刷步骤中,研究人员能以相邻孔隙之间至少3μm的线宽印刷薄层的Ag蜂巢图案,并达到94% (从200-800nm)的透明度,以及3.6Ω/sq的电阻。印刷图案表现出相当均匀的奈米级厚度,大约从5至50nm。

 

 

(左上)最小内部线宽为3μm的蜂巢结构CNT压印放大像。配合光学显微镜影像的机制显示各种不同条件下的CNT压印,干燥的、涂染油墨的以及溶剂蒸发后在玻璃基板上形成的印刷图案。 (来源:MIT)

 

 

压印特性(左上)的影像图,以及线宽约20-150μm花状图案的印刷Ag NP油墨图案(左下)光学影像图。右边是印刷QD油墨(CdSe/ZnS,5-6nm)图案的萤光显微镜影像图像,具有5μm的最小内部线宽以及11 μm的孔隙大小。 (来源:MIT)

另一项展示是印刷胶体量子点油墨(CdSe/ZnS),具有5μm的最小内部线宽以及直径11μm的孔隙尺寸。

为了确保精确的印刷,以及施加施加合适的印模压力以实现纤薄均匀的结果,研究团队开发出一种模型,考虑压印和基底的粗糙度以及油墨中的奈米颗粒浓度。

在此研究中,印刷图案的解析度可能受限于所使用的微影设备解析度,研究人员认为,采用单壁CNT明显较小(1-2nm)的直径与间距,可望有助于将柔性印刷推向次微米的特性。

研究人员期,多层的卷对卷印刷途径可望以低本的工业规模实现完整的电路与能量采集解决方案。其应用领域包括从食品包装上无所不在的感测器,到印刷在玻璃窗上的天气监测解决方案。(eettaiwan)

 

 

在整个印刷过程中,将油墨从奈米多孔压印转移到目标基板

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