噴墨導電墨水

印刷電子材料的發展促進了與其相關的專用工業的形成、發展與進步。而微電子技術的發展對印刷電子材料的生產提出了更高的要求，進一步向高密、細導線、多層、高可靠性、低成本、短周期和自動化連續生產的方向發展。目前國外許多新興企業和知名公司都對薄膜印刷電子產業給予了極大的關注。

基本介紹

• 中文名：噴墨導電墨水
• 組分：納米銀微粒、溶劑、表面活性劑
• 銀含量：10%～30%
• pH值：7～9

發展歷史

在美國、日本、德國及韓國等已開發國家的帶動下,國際上興起了研發可套用於噴墨列印的金屬微粒導電墨水的熱潮。屬於薄膜印刷電子材料的噴墨導電墨水平版印刷，將主要套用於正在高速發展的無線射頻識別標籤（RFID）、PCB線路板及柔性印刷電路板（FPCB）之中；此外，也可用於印刷電磁波禁止材料、顯示電極和太陽能光伏電池等方面。相對於傳統印刷電子工藝，噴墨導電墨水的出現為RFID天線及PCB線路板提供了一種極具優勢的製作方式，其市場份額有望在2010年達到100億美元。據報導，國內外很多科研機構均已製備出成熟的噴墨導電墨水油墨，其中大部分都是基於納米銀的噴墨導電墨水。美國MicroFab公司是相關領域的專業設備公司，在相關方面有多年的研究。

組成單元

噴墨導電墨水一般屬於水基或醇基墨水，其組分是納米銀微粒、溶劑（水或醇類）、表面活性劑、分散穩定劑和其他助劑。製備噴墨導電墨水，首先需要得到納米銀乳液。一般是在低濃度下製備出小粒徑的銀微粒，乾燥後重新分散，得到高濃度的銀微粒懸浮液。納米銀是導電墨水的主要成分，其濃度的高低是一個非常關鍵的問題，因為它關係到能否實現良好的導電能力以及能否順利列印。如果含銀墨水的濃度較大，使用這種材料進行精細噴墨時，其在高濃度低黏度條件下具有快速沉澱的趨勢。在高濃度、微粒極小的情況下，微粒到微粒間的距離變得非常小，這就很難阻止結塊現象的出現。相同重量的微粒形成直徑為10nm懸浮物的數目比形成直徑為1μm懸浮物的數目要多100萬倍。所以在較高濃度下，納米銀微粒的分散穩定技術是使噴墨導電墨水成為成熟產品的關鍵技術。

調整銀微粒的直徑、表面改性方法以及墨水配方可以使其分散穩定性得到提高。納米銀微粒也可以分散到乙醇中，以使它與二甘醇或與乙二醇系統產生親和性，形成醇基分散液。目前，各公司噴墨導電墨水產品的銀含量一般在10%～30%（質量分數）之間。在得到穩定分散的高濃度低粒徑的銀懸浮液後，需要對其進行噴墨參數的調整。噴墨墨水需要滿足4個主要參數：pH值（7～9）、黏度（1～4cP）、電導率（1000～4000μs/cm）和表面張力（20～40mN/m）。通過加入pH調節劑、表面活性劑和保濕劑等助劑後現狀及趨勢，即得到了噴墨導電墨水。

套用特點

一般而言，小於100nm的銀微粒稱之為納米銀。當銀微粒的直徑達到這個尺度時，提高具有較高能量的表面原子的相對比例，會使材料性能呈現一定的突變，這種變化可以表現為如燒結能力特性的改變；或由於禁頻寬度改變引起的電磁性能變化而造成電學性質或光學性質的巨大變化網屏，例如顏色和透明度的變化。對於納米銀來說，其性能變化的臨界點與微粒直徑有關，當微粒直徑小於50nm時，其低溫（小於200℃）時的燒結性能就會產生明顯的增強，熔點可降至120～200℃。噴墨導電墨水就是利用了納米銀微粒低熔點的特性發展史，從而能夠在塑膠基材、甚至紙基上實現列印和燒結過程，得到性能優良的導電層。對於噴墨導電墨水使用的納米銀來說，一般是在高分子保護劑的作用下，通過液相化學還原法製備得到。納米銀通常有三種形態：球形、三角片形和立方體形，其中前二者比較常見。噴墨導電墨水大多使用球形納米銀，也有少數採用三角片形納米銀。 由於含有微小微粒，噴墨導電墨水有點類似顏料型噴墨墨水。因此，墨水中的固體微粒必須滿足一定要求：銀微粒的最大直徑應小於噴口直徑的1/10，以避免橋連和阻塞現象，考慮到噴口形狀和運行次數等因素方正，這個比率實際上應該更小。目前，許多公司的噴墨導電墨水的銀微粒直徑一般在20～50nm。這種尺度的銀微粒，既具備低熔點特性，又滿足了噴墨列印對固體微粒尺寸的要求。

套用方式

噴墨印表機有兩種主要的噴墨方式：連續噴墨和按需噴墨。在連續噴墨過程中，墨滴束通常由壓電器件產生的壓力脈衝通過一個小孔噴出色彩，隨後保存在一個儲墨盒中。墨滴束可以進行靜電偏轉，使墨滴噴到基板上的某個區域。這種連續噴墨方法常用來對迅速移動的食品包裝進行高速的標識列印，這種方式得到的成像精度一般比按需噴墨方式要低。按需噴墨系統可以使用壓電式或者熱發泡噴墨頭。雖然在一般情況下壓電式噴墨系統的精度要低於熱發泡噴墨系統的精度，但由於熱發泡噴墨系統在噴射墨水時的溫度變化劇烈，所以相比之下壓電式噴墨系統在工業套用中更受重視。噴墨導電墨水需要經過列印-燒結的過程承印材料，所以通常採用壓電式列印。

噴墨印刷得到的導電層的厚度一般在1μm左右，在120～200℃下燒結5～30分鐘，並且將小分子的穩定劑等雜質除去，就可形成銀-銀微粒間的有效導電，得到連續的導電層。這個工藝溫度比傳統的銀的熔點溫度961℃低了很多。直徑為10nm的銀微粒的表面/體積比要比直徑為1μm的銀微粒的表面/體積比大1萬倍，由此提高了具有較高能量的表面原子的相對比例。

經過燒結處理的銀導電層的厚度一般僅為傳統印刷方式得到導電層厚度的十幾分之一，而導電性卻可以和其相媲美，在節約資源和保護環境方面具有很大優勢。目前，燒結後銀導電層的電阻率可以達到2.4×10-5Ω·cm，表面電阻可達0.1Ω/□（□為方塊電阻印刷工藝，指一個正方形的薄膜導電材料邊到邊之間的電阻，方塊電阻的特性為任意大小的正方形邊到邊的電阻都是一樣的，僅與導電膜的厚度等因素有關）以下，完全可以滿足RFID天線及PCB線路板等方面的套用需求。

前景與展望

目前噴墨導電墨水技術還存在一些缺陷。英國研究人員指出,導電墨水與用於傳統電路板上的銅絲相比電阻較大,這意味著其無法高效傳輸非常強的電流。因此在某些情況下,這樣的大電流傳送需求,使得導電墨水製作的導電線路可能需要依賴進一步的化學鍍或電鍍。與此同時,噴墨導電墨水對於製造可以從事一些智慧型操作的電路並不實用,因為用墨水製造與矽晶片上同樣密集的電路還不可能,所以一個採用導電墨水製備的計算器體積肯定會特別巨大。

儘管還存在著一些問題，但噴墨導電墨水擁有廣闊的發展潛力是顯而易見的。並且噴墨印刷方式有望作為一種溫和的加工工藝來實現高精度圖像的加工和導電層厚度的控制，可在不同類型的基材上進行低溫電路板工藝的開發。噴墨導電墨水的另一個套用方向是對產品表面進行處理和修飾，包括列印圖案、商標和文字介紹等。這種修飾不僅僅是視覺方面的，導電墨水將來可以發展成為功能性的開關或電極。例如，美國一些盲人或老年人看的報紙就是用銀導電墨水印刷的,手摸上去可以發聲。 噴墨導電墨水在RFID天線，PCB線路板和其他如顯示電極組件等方面的巨大套用潛力，使得它代表了薄膜印刷電子材料、甚至整個印刷電子產業的發展方向，有望成為未來改變人類生活方式的前沿技術。