经验案例

喷墨打印效果不好?试试这样做!

发表日期:2021-11-24阅读量:16

在制定出合适的可打印油墨后,就可以在各种柔软的基板上通过打印获得所需的透明导电薄膜(TCFs)。然而,由于基底与导电油墨之间的不相容特性,印刷分辨率和基底附着力通常不尽如人意。想要喷墨打印得到高质量的打印结果,限制液滴体积至关重要,例如,喷墨打印的喷嘴孔减小,可以将喷射墨量减少到1 pL。然而,压电式印刷体的喷嘴孔往往不够小,不足以达到较高的印刷精度。印刷液体的特征尺寸取决于液体在表面的扩散,这种扩散是由底物的相对表面能量和粗糙度决定的,部分受像表面张力和粘度等流体性质的影响。因此,基底干净光滑的表面,以及合适的表面润湿性,对于实现高质量的图案和印刷精度是至关重要的。像化学处理、提高底物温度和氧等离子体处理这些技术,已广泛应用于不同的底物,来调节表面的润湿和干燥特性,以获得印刷特征的适当形态。

 

1. 调整基底温度

通过调整基底温度来改善图形质量,可以防止沉积液滴之间的融合现象,也可以减小印刷线的宽度,因为相比于油墨分散,溶剂蒸发的速度更快。已有学者研究了在疏水薄膜的表面喷墨打印Ag纳米粒时,调整喷头温度对打印效果的影响。在室温下,印刷出的线条约700 μm,这个宽度是可以通过增加基底的温度来降低的。如图1a、b所示,在60和90℃的温度条件下,打印得到的线宽分别为340和200 μm。由于其疏水性,水滴中心间的印刷间距在室温下为80 μm(图1 c),所以直径为47 µm的小圆形图案是可以在薄膜表面获得的,而当水滴中心间的印刷间距为50 μm时,由于两个液滴沉积时合并到一起,使得打印出的圆形图案直径约为70 μm。随着底物温度的增加,虚线开始形成(60℃,图1e),当底物温度上升到90℃时(图1 f),可以成功打印出一条宽为50 μm的连续直线。此外,在同样的印刷量下,加上疏水性氟碳(FC)膜涂层(图1 f)后,线宽可以从最初的200 μm减小到50 μm。这些结果表明,基底加热可以有效地防止沉积液滴之间的合并现象,对减少线宽至关重要。当聚酰亚胺(PI)底物在不同温度条件下(室温,45,65,和75 ℃)打印时,可以发现低表面能有利于在基底表面形成小的单个液滴,但同时也使得打印结果不稳定,会出现诸如合并和隆起等现象,因此打印平整连续的线条在低温条件下并不容易实现,就算相对亲水性基底也不易实现(图1 g)。基质温度的增加导致了蒸发率的提高,从而防止了打印过程中不稳定现象(合并或膨胀)的发生(图1 g-i)。此外,线宽也受到底物温度的影响(图1 j-m)。基底温度较高时,溶剂的蒸发率较高,液滴扩散现象减缓,使得打印出的线宽减小。实验结果表明,基底加热是一种有效的防止线胀,打印出连续线的方法,特别是对亲水性的基板。

 

2. 表面处理

尽管增高基底温度可以减小线宽提高沉积液滴的稳定性,但也会使得咖啡环效应增加,这是不利于打印光滑均质的表面的。因为液滴边缘的蒸发率相较中间而言更高,从而导致接触线的运动增强。此外,接触角也随着底物温度的升高而增加,这通常会导致液滴不易扩散,从而导致薄膜形态不均匀。自组装单层(SAM)方法通过修饰使基底具有合适的表面自由能,从而调整表面的润湿性。例如,PEDOT:PSS图案的打印,可以使用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷来对表面润湿性进行微调,从而控制打印质量。SAM表面处理使ITO表面略显疏水性,因此使润湿角减小,墨滴扩散增加。另一种提高液滴定位精度的方法是利用表面能量模式辅助的高分辨率打印工艺。这种技术通过精确控制墨滴流和墨水在基底上的扩散,使得不同区域表面能不同。以水基墨水为例,预先设计的疏水和亲水区将呈现不同的表面能量,推动液滴远离疏水区向亲水区域移动,从而实现有限的墨水流动。此外,在这两个区域上墨的接触角都可以控制,从而限制了油墨的扩散。瑟林豪斯等人研究了利用基底表面能来指导水基导电聚合物墨滴的流动,并成功打印出低至5 μm的通道长度。

 

3.氧等离子体处理

由于C-O、C=O和COO这样的亲水基团能够与水反应生成氢氧基,氧等离子体或UV/O3处理也可以有效改善底物的表面润湿性。在氧等离子体曝光不同时间后,在ITO涂层上喷墨打印PEDOT:PSS薄膜的效果会好很多。这表明氧等离子体处理导致接触角减少,从而提高了底物的润湿性。UV/O3处理也可以用来控制表面能。同时,在打印前可用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)层作为基底表面能的易湿性开关。通过UV/O3的最优处理,在PMMA缓冲层上形成了连续的抗掺杂氧化锡线条,同时对其边缘的咖啡环效应表现出明显的抑制作用。

 

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