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              3. 材料沉積噴墨打印及
                涂層系統解決方案

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                基于Inkjet、EHD、Ultra-sonic等技術的納米材料沉積噴墨打印和表面涂層知識。

                <p>使用Inkjet噴墨打印技術,將微液滴(皮升量級)進行按需分配,使其定量,快速,準確的打印在指定的位置。</p><p>有一致性好(液滴的體積,下落速度,下落的偏轉角及形貌變化等,誤差0.1%),</p><p>可重復性好(基于在給噴頭信號后,同一時間節點,液滴的位置,形狀,尺寸和前一滴液滴可保持一致),</p><p>打印精度高(基于穩定、可控的液滴發生機構,結合高精度的運動平臺和程序,能夠將一種或多種溶液快速、準確、定量的分配到指定的位置),</p><p>打印速度快(對于陣列化的需要打印的器件,最快打印速度500個/s)等特點。</p>

                點/陣打印

                使用Inkjet噴墨打印技術,將微液滴(皮升量級)進行按需分配,使其定量,快速,準確的打印在指定的位置。

                有一致性好(液滴的體積,下落速度,下落的偏轉角及形貌變化等,誤差0.1%),

                可重復性好(基于在給噴頭信號后,同一時間節點,液滴的位置,形狀,尺寸和前一滴液滴可保持一致),

                打印精度高(基于穩定、可控的液滴發生機構,結合高精度的運動平臺和程序,能夠將一種或多種溶液快速、準確、定量的分配到指定的位置),

                打印速度快(對于陣列化的需要打印的器件,最快打印速度500個/s)等特點。

                典型案例

                • 【醫療】【顯示】【電子點膠】粘合劑 ▲

                  上圖是用同一設備印刷的各種尺寸(最小80um直徑)的膠點,可調整局部材料密度。在醫療設備、曲面屏幕、MEMS組件等器件的制備方面,均需要合理有效地分配非接觸式粘合劑,以防止損壞或污染設備。這是因為,精密儀器制備中,微型光學元件附著在非常小的其他元件上,如何使在雙方達到緊密連接是關鍵。常用于粘接的材料可以是熱塑性/熱固性/熱熔氰基丙烯酸酯、環氧UV固化硅酮丙烯酸酯聚氨酯,且均可使用噴墨技術進行微點膠打印。許多商用膠粘劑產品適用于噴墨沉積,而另一些則需要進行調整??紤]在分配器孔口達到的剪切速率,50cPs被認為是流體粘度的實際極限,因此,具有較高粘度的商用粘合劑可以通過加熱或稀釋的方式引入噴墨式分配器的操作范圍。 噴墨微點膠的優點在于精確控制位置、單點膠量、物料在面積上的分布和線寬。Micro Fab使用噴墨打印方法可制造各種組件和設備,使用的材料包括光學粘合劑,紫外光固化聚合物,指數調整熱塑性配方和其他特殊粘接材料。Micro Fab高溫打印頭用于在高達220 ℃的溫度下分配粘合劑材料,通過改變工藝參數、點陣、細線和區域,打印范圍從10μm到幾毫米,精度水平只有幾微米。 使用MicroFab的高溫打印頭,粘度在100- 200cps范圍內的粘合劑可以加熱到100℃左右,將其粘度降低到一個可接受的范圍,或使用相容溶劑稀釋降低粘度,可在涂膠后溶劑蒸發,只留下粘合劑。 此外,還可以通過在商用粘合劑材料中填充金屬顆粒、碳納米管或陶瓷顆粒,改進其導熱性或導電性。

                • 【電子點膠】微透鏡陣列 ▲

                  上世紀九十年代,光電子學和微電子學相互滲透形成微光學(Micro-Optics),微光學元件中,微透鏡陣列尤為重要,它在照明、成像、光通信等方面發揮重要作用。微透鏡陣列是由直徑在10μm到1mm之間的微透鏡按照一定的排列組合而形成的陣列,其透鏡尺寸小,可用于光信息處理、光計算、光互連、光數據傳輸、生成二維點光源,也可用于復印機、圖像掃描儀、傳真機、照相機,以及醫療衛生器械中。此外,微透鏡陣列器件也實現了微型化和集成化,使得其具有很強的適應性,可廣泛用于通信、顯示和成像器件當中。用于半導體激光器的橢圓形折射微透鏡陣列,能夠實現激光器的聚焦與準直,激光二極管(LD)的光束整形,?它還可用于光纖、光學集成回路之間,實現光器件的有效耦合。在光纖通信中,橢圓形微透鏡將來自自由空間的光耦合進光纖,并校準從光纖出來的光。目前微透鏡陣列己經在原子光學領域有所應用,利用微透鏡陣列做成原子波導、分束器、馬赫一曾德爾干涉儀或利用其捕獲原子或者對中性原子進行量子信息處理。因此對于微透鏡陣列使用材料,制作工藝和用途方面的研究十分必要。 Micro Fab使用噴墨打印方法,用于數據驅動的微光學元件的制造,如折射透鏡陣列,將多模波導和微透鏡/傳感器沉積在光纖/光纖束的尖端。用于微光學MJ點膠裝置打印的材料包括光學粘合劑,uv固化聚合物和指數調整熱塑性塑料配方。Micro Fab研發的高溫打印頭用于在220 ℃以下的溫度下分發光學材料,目前該發明已取得相關發明專利。通過改變工藝參數,已制造出不同尺寸的球形和圓柱形平面凸透鏡陣列,尺寸范圍從80μm到1 mm、精度僅為幾微米。 通過熒光光譜可以監測每個傳感器的特性,并且能對目標分析物進行靈敏度檢測和定量分析。通過光學成像方法對這些分析物進行同步檢測和測量,并在空間上記錄每個打印出的微點陣。

                • 【電子點膠】光纖傳感器微透鏡陣列 ▲

                  光纖傳感器可用于傳統傳感器不能使用的情況下執行難度較高的一些測量應用。這種傳感器通常結構緊湊、質量輕、耐腐蝕,并且可以多路復用。它們不受電磁干擾,能在惡劣環境中應用。由于各種分析物的測量需要促進了光學傳感器陣列的發展,并可用于樣品的完整化學色譜的測量。例如,多個感測化學物可以連接到光纖傳感器的光纖末端,并且不同的感測化學物可以通過空間或光譜分辨率來識別。(圖a為勞倫斯國家實驗室制造的顯微光度計原型,其中使用了Microfab Technologies印刷的傳感元件;圖b為在光纖尖端打印熒光染料制備出的顯微光度計的示意圖) 利用噴墨技術在可接觸的光學表面打印一種或多種標記化學試劑。其中一個常見的例子就是光纖的尖端。該方法提供了一種通過使用多種MJ噴頭分配幾何形狀來精確打印不同材料的圖案。每種化學試劑可包含一個或多個光能吸收染料,其光學特性隨目標分析物的變化而變化。 通過熒光光譜可以監測每個傳感器的特性,并且能對目標分析物進行靈敏度檢測和定量分析。通過光學成像方法對這些分析物進行同步檢測和測量,并在空間上記錄每個打印出的微點陣。(圖c為噴墨打印在光纖束末端的生物傳感器透鏡)

                • 【電子點膠】生物傳感器微透鏡 ▲

                  噴墨打印技術可與其他技術一起用于生物MEMS器件的封裝和制造,例如:微透鏡、微透鏡光纖頭或電子板(用于微光學互連的焊料沉積)。用于MEMS光學器件的封裝如上圖所示(上圖為MEMS光學器件封裝示意圖,圖a 用于光電芯片被動對準的MEMS夾持具;圖b 使用圖a 中的夾持器將透鏡VCSEL陣列對準光電芯片;圖c 打印的微透鏡陣列示意圖;圖d 包含多個夾具的加工晶圓)。例如,采用MEMS的方法制備被動對準的夾持器,比制造中采用主動對準具有更低的人工成本。固定的VCSEL陣列也如上圖所示。不同的夾持器可以在同一晶圓上加工,形成一個光學工作平臺。

                • 【生物】DNA微陣列 ▲

                  DNA微陣列技術,主要可應用于突變檢測、功能基因組學、藥物基因組學、SNP基因分型、基因表達研究、蛋白質組學和細胞信號轉導等方面,可進一步促進生物技術的發展和研究人員對細胞基本分子通路的理解,已經在全球范圍內受到廣泛關注。高密度DNA陣列,可作為全球基因組測序的關鍵技術,為下一代基因組學研究提供了關鍵信息。高密度DNA陣列的使用,可在實驗中有效地獲取細胞和組織系統中數千個基因的活動表達情況。 Micro Fab主要用于原位合成過程中基因表達研究的寡核苷酸微陣列,我方研發的Inkjet噴墨技術可將小體積的合成試劑傳送至基板。MicroFab技術中,使用噴墨裝置將原基因與原位DNA合成設備相結合,儀器由計算機控制的X和Y臺組成,操作時將襯底置于噴墨噴嘴下,為四個核苷酸單體分別提供了一個獨立的噴墨裝置,第五個裝置用于遞送用于合成偶聯的激活試劑。 目前,已經使用該設備合成了長達80 mol的玻璃寡核苷酸陣列,并作為Flex芯片技術推向市場,這類Flex芯片屬于定制類型,可廣泛應用于基因定位、SNP基因分型、基因表達監測和其他藥物基因組學等方面。

                • 【生物】多肽微陣列 ▲

                  肽是由兩個或兩個以上氨基酸以肽鍵相連的方式組成的化合物,是構成人體所有細胞的基本材料,人體內各種細胞功能、所有生命行為,如生長、發育、繁衍、代謝、動作等,都必須通過肽才能體現,因此肽是決定人類生命質量的關鍵物質。由于肽在細胞和組織中發揮著重要的功能作用,因此肽研究對生命科學和醫藥工業具有重要的意義。目前普遍通過組合的方法,在單個單元中合成肽,構建一個微陣列格式的肽庫,從而實現大規模樣品處理。其中,一種自動分析的柔性肽微陣列可用于藥物檢測中,以減少篩選時間。肽微陣列的常見應用包括: (1)定義蛋白質-蛋白質相互作用的最小域:表位定位; (2)關鍵殘基鑒定:鑒定與結合有關的殘基; (3)藥物篩選:與藥物的相互作用以確定藥物先導物; (4)蛋白質構象探針:評價多個結合域的結合; (5)蛋白質與其他分子的相互作用:蛋白質- DNA,蛋白質-多糖,蛋白質-細胞,蛋白質-金屬的相互作用。 當使用原位合成時,肽在微陣列中所需的位置時,每次都會產生一個殘基。其主要優勢在于,該過程中涉及的液體數量有限,僅需20種天然氨基酸和用于洗滌、封蓋、去保護的液體。當氨基酸分布在一個衍生的底物上(在每個位置可以有不同的氨基酸)時,合成開始。在沉積和反應完成的偶聯時間之后,底物經過封頂,減量物上的連接位點被阻塞,以用于將來的反應。偶聯氨基酸在所有位置都失去保護,然后肽鏈上的下一個氨基酸在每個位置都沉積下來。清洗步驟也在同步進行,以去除殘留的試劑。 Micro Fab的氨基酸分配子系統如圖所示,相機確定了將在控制程序中使用的配藥器的初始偏移量,以確保微陣列上的一個位置配藥的所有氨基酸將完全重疊。在MicroFab上合成的肽通過溴酚染色(在合成結束時檢測游離胺)、裂解肽的HPLC和MS分析,以及在微陣列中直接在肽上附著抗體和染色來驗證。(上圖所示為在纖維素載體上合成的腦啡肽的溴酚藍染色陣列)

                • 【顯示】有機發光二極管(OLED)▲

                  近年來OLED因其廣視角、節能、髙對比度等多種優點,為曲面超薄顯示帶來了新希望,可廣泛應用于運動手環、智能手機的開發使用,達到隨意折疊、便攜使用。噴墨打印技術進行OLED器件的制備時,可獲得厚度均勻的薄膜,器件的整個發光情況一致;工藝流程簡單有效、可實現大面積印刷;定位精準、材料成本低;多噴嘴同時工作,避免多層溶液侵蝕。 Micro Fab使用噴墨打印技術生產OLED顯示器的研究已超過10年。Micro Fab公司的Jet Lab II打印技術,在進行OLED器件制備中,定位精準較高,最小定位誤差可達到2μm。如圖所示,使用Jet Lab II打印出的PEDOT墨水液滴在無結構基板上成凸起形貌,點直徑約為20μm。

                • 【顯示】聚合物發光顯示器(PLED)▲

                  聚合物發光顯示器(Polymer Light-emitting Diode Display, PLED Display)因其材料發光顏色在全可見光區內可調、可溶液簡單加工及適用于柔性大面積器件的生產而吸引了更多的目光。高質量聚合物薄膜的制備是 PLED 器件制作的關鍵,噴墨打印因為具有加工過程簡單高效、材料利用率高、適用于溶液加工、適用于柔性襯底、易于卷對卷工藝的整合和自動化等優點,被認為是最具有應用潛力的技術。 MicroFab公司的Jetlab?Ⅱ噴墨打印技術,其可打印溶液的粘度范圍在 1 ~ 20 cP,表面張力范圍在 28 ~ 65 mN/m。在噴墨打印制備 PLED 顯示屏的過程中,液滴定位小的偏差就會引起液滴錯位,造成像素短路以及顯示顏色混亂等問題。因此,打印過程中,噴射出的液滴飛行后如何精確的落入對應的 RGB 子像素中對于制備高性能 PLED 器件十分關鍵。決定液滴定位偏差的因素主要有打印平臺移動誤差引起的著陸位置偏差。隨著技術的發展,現在的打印機精度也越來越高了,Micro Fab公司最新研制的 jetlab xl-300 的打印精度控制在±3μm。

                • 【顯示】柔性有源矩陣有機發光二極體(AMOLED)▲

                  由噴墨印刷的高遷移率有機薄膜晶體管驅動的柔性有機發光二極管顯示器,像素密度為50 ppi,提取發射光的孔徑比為39%。

                • 【顯示】量子點致發光二極管(QLED)▲

                  量子點電致發光二極管(Quantum dot light-emitting diode,簡稱QLED),是在電流激發下使量子點發光的器件。相對于傳統 LCD 與 OLED 顯示,量子點顯示具有明顯的優勢:超 NTSC 的寬色域,顯色能力更強;色純度高,顏色還原能力強;發光波長可調,易合成與加工。而且其發光效率高,光、熱及化學穩定性好。 噴墨打印技術是一種非接觸、節約材料和可重復加工的滴涂溶液技術。它的優勢在于可精確定位微米液滴、材料選擇廣泛、有效節省材料以及大面積生產化降低成本,而且不需要昂貴的掩膜板,非接觸式加工不會對基板產生污染。此外,噴墨打印技術可以自動化地進行圖案化加工?;谝陨蟽瀯?,目前噴墨打印技術已經在顯示行業中得到了開發和應用。目前,噴墨打印技術是制作QLED 平板顯示屏的重要技術。 Micro Fab公司的Jet Lab2噴墨打印機,主要是由可精確移動的平臺(x-y 軸精度為3 μm)、噴頭、儲液系統(包括墨盒和連接噴嘴的連接器),氣壓控制系統,視覺觀測模塊系統、各種部件之間的連接器、計算機主機及軟件等幾部分組成。此外,該噴墨打印機還有加入了精確的溫控系統,可以用準確地控制基板和噴嘴的溫度。 Jetlab2 采用的是壓電陶瓷噴嘴噴墨原理,其核心部件即 Micro Fab 噴頭(Nozzle)是由一個被壓電驅動器包圍的毛細玻璃管組成。毛細玻璃管露出外面的一端形成噴嘴(內徑 10-100 μm),當給定一個電壓脈沖時,壓電驅動器通過逆壓電效應產生一個聲學壓力波并穿過玻璃噴嘴進入液體中傳播。而在噴嘴尖端,在壓力波的作用下,液體加速并形成小液柱離開噴嘴,然后在慣性力的作用下液滴與小液柱斷開,最后形成一個單獨的下落液滴。噴墨打印液滴形成的過程由可視化頻閃攝像機系統觀測。水平的 CCD 照相機、噴墨打印噴嘴、閃頻激光瞄準器被固定在同一光軸和同一平臺上。捕捉圖像的激光頻閃器需要與 CCD 照相機同步耦合,其中延遲拍攝微米級液滴的能力是觀測到液滴下落過程的關鍵技術。通過這一觀測裝置,可以獲得液滴形成整個過程的照片。 研究發現,選取苯基環己烷(CHB)作為溶劑,得到可以穩定噴墨的紅光量子點墨水。量子點在 PVK 表面可以形成咖啡環較小的薄膜,在 PVK 基板上噴墨打印點的直徑為 200 μm,打印線寬為220μm,可成功制備量子點發光(QD-LED)器件。

                • 【顯示】薄膜晶體管(TFT)▲

                  有機薄膜晶體管(Organic Thin Film Transistors,簡稱TFT),不僅具備優異的柔性,同時還有諸多優勢:例如單位密度小,加工工藝簡單且具有較強的兼容性,可以實現高效的大面積制造,因此可廣泛應用于柔性顯示、柔性觸摸屏、可植入醫療器械、軟體機器人等方面。薄膜晶體管中,所有電極以及絕緣體和半導體材料部是聚合物溶液,其中,由于電極的體積非常小(單顆液滴的體積只有30 pL,直徑約為38μm).可用噴印法進行制作。

                • 【傳感器】化學電阻傳感器 ▲

                  100μm傳感器元件,用于快速篩選功能聚合物(由Lee Weiss,Carnegie Mellon提供)

                • 【光電】鈣鈦礦熒光微陣列 ▲

                  近年來,鈣鈦礦材料在背光、色彩轉換和使用溶液工藝制造的防偽標簽等應用中展現出了廣闊的前景。上圖為借助MicroFab Jetlab?Ⅱ高精度噴墨打印機可原位制備具的有理想形態的結晶鈣鈦礦-PVP納米復合材料微陣列,一種在周圍環境中隱形,與柔性基板兼容,且生產成本低廉的圖案化熒光防偽應用。

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