柔性襯底的電流體噴射按需打印研究

錢江紅，杜致遠，杜召亮，趙奎鵬，王大志

（大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

印刷技術(shù)作為一種微納電子結(jié)構(gòu)和器件的制作方法，它的發(fā)展越來越受到研究者的關(guān)注[1-3]。不同于傳統(tǒng)的噴墨技術(shù)[4]采用“擠”的打印方式，電流體噴射打?。╡lectrohydrodynamic jet printing）技術(shù)以“拉”的方式從泰勒錐頂端噴射出微小液滴[5]，由于其分辨率高、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢，在柔性電子器件[6]、生物醫(yī)療[7]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著柔性電子工藝的不斷發(fā)展，電子器件的制備不再局限于傳統(tǒng)硅基等襯底上，更多地采用柔性、曲面襯底，這些柔性襯底多采用聚合物絕緣材料，而絕緣材料具有非常慢的電荷衰減率，打印液滴的電荷將殘留在襯底上，這些殘留電荷將改變靜電場的分布進而影響后續(xù)的打印行為。為了在柔性襯底上穩(wěn)定噴印圖案，Lee 等[8]設(shè)計了一種環(huán)形電極，其原理是使環(huán)形電極附近的電場指向電極的中軸線，來抑制帶電液滴或射流的徑向運動，使液滴運行路徑電場力增強，從而克服累積電荷的影響。Leo[9]使用雙層環(huán)形電極來重塑噴針周圍靜電場分布，以大幅削弱電場徑向分量。此外，Leo[10]設(shè)計了一種氣流輔助的靜電噴頭，通過引入額外的氣流來約束帶電液滴的運動。Dong 和Lee[11-12]采用交流脈沖電壓的方法，通過改變帶電液滴中的電荷轉(zhuǎn)移特性，在柔性襯底上打印了銀圖案。雖然以上方法在一定程度上彌補了柔性襯底電流體噴射打印的不足，但是其制造成本高、控制復(fù)雜、打印材料受限，限制了柔性襯底電流體噴印技術(shù)的進一步推廣。

本文通過COMSOL 軟件仿真分析了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底上的電流體射流行為，并采用電流體噴射按需打印的工藝，以熱固化膠為打印材料，以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為襯底，研究了工藝參數(shù)對打印微結(jié)構(gòu)的影響，實現(xiàn)了在柔性襯底PET上按需打印微圖案。

1 實驗

1.1 實驗裝置

電流體噴射打印硬件設(shè)備由4 個子模塊組成，如圖1 所示，包括電場控制模塊、流體供給模塊、運動控制模塊和視覺模塊。其中，電場控制模塊與噴針連接，用于提供噴印電場。流體供給模塊由微量注射泵、導(dǎo)管、連接件和噴針組成，將流體以所需的流速供應(yīng)到噴針處。運動控制系統(tǒng)由三軸位移平臺構(gòu)成，其中，Z 軸導(dǎo)軌用于調(diào)節(jié)打印高度，X、Y軸導(dǎo)軌用于控制噴針和襯底的相對運動以實現(xiàn)按需打印的需求，柔性襯底作為噴針的對電極放置于Y 軸導(dǎo)軌滑座的支撐座上。視覺模塊主要由CCD 相機構(gòu)成，用于實時觀測射流狀態(tài)，便于及時調(diào)整工藝參數(shù)以實現(xiàn)穩(wěn)定噴印。電流體噴射打印軟件控制系統(tǒng)是基于Labview 軟件開發(fā)環(huán)境開發(fā)的，通過電場控制模塊、流體供給模塊和運動控制模塊的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)柔性襯底電流體噴射的按需打印。

圖1 電流體噴射打印實驗裝置示意圖

1.2 實驗材料

本文采用的打印材料為熱固化膠UF3808，該膠多用于電子產(chǎn)品的密封加固，具備優(yōu)良的絕緣和填充性能。實驗采用的石英噴針（美國New Objective 公司）內(nèi)徑50 μm，外徑365 μm。PET 由于其良好的柔性和絕緣性，是柔性電子的重要襯底材料，因此選用柔性襯底PET 進行打印實驗，實驗所用的PET 的電導(dǎo)率為7.3×10-17S/m，相對介電常數(shù)3.6，厚度為500 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真分析

在相同的實驗參數(shù)的情況下，分別仿真了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底PET上的電流體射流行為，仿真結(jié)果如圖2所示，當(dāng)采用金屬噴針時，帶有高壓電的金屬噴針、具有相同極性的帶電液滴以及柔性襯底之間的相互作用使原始電場扭曲，導(dǎo)致射流發(fā)散和液滴偏離預(yù)期運動軌跡，并且液滴在接近襯底的區(qū)域很容易由于庫倫斥力而破碎產(chǎn)生衛(wèi)星液滴，引起斷流現(xiàn)象，極易破壞電流體噴射打印的穩(wěn)定。另一方面，在強電場作用下，柔性襯底PET 能長久保持電極化狀態(tài)，具有較慢的電荷衰減率[13]，已滴落的液滴不能借助柔性襯底釋放液滴所帶的電荷，后續(xù)滴落的液滴與已滴落的液滴帶有同種極性的電荷而產(chǎn)生庫倫排斥力從而導(dǎo)致液滴變形。而當(dāng)采用石英噴針時，石英噴針本身不帶電，帶有高壓電的噴針座離襯底相對較遠，因此噴針末端離襯底很近也不會誘發(fā)帶電液滴的破碎，削弱了襯底對靜電場的影響，保證了電流體噴射的穩(wěn)定進行。

圖2 相同實驗參數(shù)下PET襯底的仿真結(jié)果

2.2 電壓

在電流體噴射打印的過程中，電壓控制模式和彎液面處的應(yīng)力對液滴的形成至關(guān)重要。直流高壓控制模式下電壓對液體作用時間較長，液滴容易積聚大量帶電電荷導(dǎo)致噴印不穩(wěn)定。為了在柔性襯底可以穩(wěn)定持續(xù)地噴印并精確地控制液滴的噴射位置，可以采用直流脈沖模式，產(chǎn)生間斷的電場力，實現(xiàn)按需打印。隨著脈沖電壓的增大，彎液面逐漸變形，最后當(dāng)電壓達到液滴噴射的最小閾值時液滴噴射。值得注意的是，電壓值過大會使液滴破碎引起噴印的不穩(wěn)定，所以電壓幅值需要在一定的范圍內(nèi)。實驗中保持流量0.1 μL/min、工作距離 400 μm 和移動速度 3 mm/s 等工藝參數(shù)固定不變，研究脈沖電壓的幅值對柔性襯底PET 電流體噴射打印的影響。從實驗結(jié)果可以清楚地看到脈沖電壓的幅值主要影響液滴的尺寸，如圖3 所示，在一定范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓幅值的加大，液滴尺寸逐漸減小，即液滴的直徑與所施加的電壓大小成反比，原因是隨著所加電壓幅值的增大，電場強度的切向分量逐漸加大，射流直徑減小，從而導(dǎo)致液滴直徑減小。

圖3 不同電壓大小對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響

圖4 不同工作距離對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響

2.3 工作距離

工作距離是影響電流體噴射打印穩(wěn)定性和打印圖形質(zhì)量的又一個重要的工藝參數(shù)。當(dāng)電壓保持不變時，工作距離過大會削弱彎液面處的電場強度，導(dǎo)致沒有足夠的電應(yīng)力克服液體表面張力，泰勒錐無法形成。所以為了在柔性襯底PET上可以持續(xù)穩(wěn)定地噴印，實驗中必須保證工作距離在一定范圍內(nèi)。實驗中保持電壓1 870 V、流量0.1 μL/min 和移動速度3 mm/s 等工藝參數(shù)固定不變，研究工作距離對柔性襯底PET電流體噴射打印的影響。從實驗結(jié)果可以看出工作距離對液滴質(zhì)量至關(guān)重要，如圖4所示，隨著工作距離逐漸加大，出現(xiàn)了不規(guī)則的液滴和衛(wèi)星液滴，而且液滴噴射頻率也變慢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：噴針和襯底表面距離的增加使得噴針朝向襯底的軸向電場力變?nèi)?，一方面影響了彎月面的穩(wěn)定性從而產(chǎn)生不規(guī)則液滴和衛(wèi)星液滴，另一方面電場強度的降低使得液滴的噴射頻率也降低。由實驗結(jié)果可知，噴針離襯底表面的距離在300～400 μm的范圍內(nèi)時可取得較好的打印效果。

2.4 柔性襯底PET微結(jié)構(gòu)的按需打印

根據(jù)所施加電壓類型的不同，電流體噴射技術(shù)可以分為連續(xù)打印模式和按需打印模式。如果在導(dǎo)電噴針座和襯底之間施加的電壓為恒定的直流電，通常將獲得連續(xù)打印模式，而如果施加的電壓是脈沖電壓，則可以得到按需打印模式，按需打印模式的最大優(yōu)勢在于可精確控制射流的噴射頻率和位置精度，可實現(xiàn)定域微納米圖案，并且提高了打印的靈活性。為了實現(xiàn)復(fù)雜圖形的按需打印，本實驗采用Labview編程集成協(xié)調(diào)各功能模塊，通過上位機對打印路徑進行規(guī)劃。打印結(jié)果如圖5所示，采用電流體噴射按需打印的工藝，使射流僅在需要的區(qū)域噴射，在0.5 mm 厚的柔性襯底PET 上按需打印了微圖案“DUT”，噴印液滴的最小尺寸在100 μm以下。

圖5 采用電流體噴射按需打印在PET 襯底上打印的圖案DUT

3 結(jié)束語

本文通過COMSOL 軟件仿真分析了金屬噴針和石英噴針在柔性襯底PET 上電流體噴射打印的不同射流行為，并實驗驗證了石英噴針更有利于柔性襯底的電流體噴射打印，研究了工藝參數(shù)對打印微結(jié)構(gòu)的影響，最后利用優(yōu)化后的打印參數(shù)，在柔性襯底PET 上按需打印了微圖案。實驗結(jié)果表明：采用石英噴針可以提高打印的穩(wěn)定性，打印液滴的尺寸與電壓的大小成反比，工作距離需要在合適的范圍內(nèi)以保證射流的穩(wěn)定性。