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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,以點成線的方式,將微液滴(皮升量級)進行按需分配,進行快速、準確的噴墨,使溶劑打印成圖形或圖案。</p><p>有線條邊沿整齊,尺寸可控,一致性好,可重復性好等特點。</p><p>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,能夠將多種溶液快速,準確的進行分配,使點成線。</p><p>線寬、長度、圖案的大小等都可通過調節參數進行控制。</p>

                線性/圖案打印

                使用Inkjet噴墨打印技術,以點成線的方式,將微液滴(皮升量級)進行按需分配,進行快速、準確的噴墨,使溶劑打印成圖形或圖案。

                有線條邊沿整齊,尺寸可控,一致性好,可重復性好等特點。

                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,能夠將多種溶液快速,準確的進行分配,使點成線。

                線寬、長度、圖案的大小等都可通過調節參數進行控制。

                典型案例

                • ▲ 柔性電子

                  當今時代電子技術迅猛發展,傳統的剛性電子產品已無法滿足人們對電子產品便利性、人機交互能力以及舒適性的使用要求,從而限制了該類產品在日常生活中的實際應用,而可延展柔性電子技術可以在保持產品系統完整性的同時具備一定程度的拉伸、彎曲以及扭轉等形變能力,受到了國內外電子產業界的廣泛關注??裳诱谷嵝噪娮蛹夹g是指在具備一定拉伸、彎曲以及扭轉能力的聚合物薄膜基材上通過直寫、轉印等方式形成具有導電能力的互連電路圖形的新型電子技術,其產品因在保持系統功能完整性的同時具備一定程度的拉伸、彎曲以及扭轉等形變能力,可以應用在復雜的三維工作曲面環境中,大大地提高了此類電子產品的應用便捷度以及應用范圍。目前,可延展柔性電子技術在光伏、顯示、傳感器等領域得到了快速的發展,出現了可延展太陽能電池面板、柔性有機電致發光器件(OLED)、電子紙(E-paper)、柔性智能標簽(Smart tag)、柔性電池等應用。柔性電子制造過程通常包括:材料制備、沉積、圖案化、封裝, 可通過卷到卷(R2R)基板輸送進行集成。 噴墨打印技術經過不斷發展已經在工業生產中變得越來越常見,打印機工作原理是以熱感或壓電的方式將噴頭腔體內的油墨以極細小的液滴噴射出來,在柔性襯底上形成設計的圖案。Micro Fab公司的Jetlab系列產品可以實現在任意3D對象上, 包括曲面的柔性表面打印任何電路結構。

                • ▲ 傳感器

                  傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。如今,傳感器產業正處于由傳統型向新型傳感器發展的關鍵階段。新型傳感器向微型化、多功能化、數字化、智能化、系統化和網絡化等方向發展的同時,對傳感器的制備方法提出了更高的要求。噴墨打印技術是一種非接觸式的數字成型技術,屬于增材制造,是一種材料節約型沉積技術,用于打印的油墨可以是溶解或分散在溶劑中的液相材料。主要特點是節約材料,環保,生產效率高,一致性好,可重復性好。缺點也表現的很明顯,現在市面上的工業多噴頭對材料的適應性比較窄,噴頭容易堵塞而報廢,前期的研發測試損耗巨大。相比較于現在的工業多噴頭打印技術,MicroFab公司的按需式噴墨技術,對材料的適應性更大,并且噴頭可清洗可重復進行使用。極大程度上減少了研發測試的成本。利用MicroFab的按需式噴墨技術,可以在50μm或更大的傳感器結構上直接沉積。目前已成功制備100μm傳感器元件的化學反應傳感器陣列,用于快速篩選功能聚合物。如圖是一個靜電(電容)傳感器,由于傳感器結構太小,不能將功能聚合物直接沉積到亞微米傳感元件上。因此,使用MicroFab的按需式噴墨技術,可以將2x4μm或更小的結構噴墨沉積,通過微溝槽將聚合物導向傳感結構。

                • ▲ MEMS封裝

                  微機電系統(Micro Electro-Mechanical System,簡稱MEMS),是微電子技術與機械加工技術結合的典范,涉及微電子、流體力學、材料力學、聲學等多種科學工程技術。MEMS具有以下幾個特征:(1)尺寸在毫米到微米范圍之間,區別于傳統機械,但并沒有進入到物理上的微觀層次;(2)基于硅微加工技術制造;與微電子芯片相同,可以大批量、低成本生產,使性能價格比較傳統的宏觀機械制造技術有大幅度的提高;(3)MEMS中的機械不限于狹義的機械力學中的機械,它代表一切具有能量轉換、傳輸等功能的效應,包括力、熱、聲、光、磁、化學和生物等;(4)MEMS的目標是微機械與IC集成在一起的微系統,即具有一定自適應處理能力的智能化微機電系統。由于單個封裝需要集成多種功能,MEMS封裝需要光學和電子I/O,并且需要非平面結構的制造,通過光刻工藝難以實現。 一般來說,壓電系統難以在150℃以上的溫度下工作。Micro Fab公司研發的Jetlab II平臺可用于噴墨點膠應用,研發的壓電噴墨設備可在高溫下操作,使用按需模式噴墨技術分配高粘度聚合物、焊料和其他材料。目前,該設備可成功用于嵌入式電阻的噴墨打印,印刷電阻的尺寸從125μm到幾毫米。此外,還可用于電容器和電感器的打印,電容器打印時,由于下電極、電介質和上電極層依次鋪設,可以通過重復鋪設形成多層電容器,改變電介質的面積和厚度改變電容量值的范圍。電感器打印時,主要是打印中心電極、鐵氧體層和導體線圈,可通過改變印刷線圈的匝數來改變電感值。目前,通過噴印已成功制備出鐵氧體納米顆粒層上的250μm 銀納米顆粒線。

                • ▲ 柔性可穿戴壓力傳感器

                  柔性電子材料具有高靈敏度、可彎折等優點,具有可穿戴性,可應用于各類柔性傳感器,如壓力傳感器、觸覺傳感器、氣體分子傳感器等。在電子皮膚、醫療監測、智能機器人等方面應用廣泛。上圖所示為基于銀納米線(AgNW)噴墨打印的柔性電阻式壓力傳感器,靈敏度高達0.48 kPa-1。

                • ▲ 在ITO/玻璃上噴墨打印有機光伏器件

                  在ITO/玻璃上噴墨打印有機光伏器件。

                • ▲ 納米銀噴墨打印

                  上圖為使用Jetlab?Ⅱ噴墨打印設備打印的納米銀圖案。

                • ▲ 納米顆粒和溶液相銅噴墨打印

                  納米顆粒和溶液相銅噴墨打印。

                • ▲ 超真實印刷(藝術微噴)

                  MicroFab研發的陣列式按需液滴壓電噴墨打印頭技術,將120個獨立通道的線陣列被制作成不到一英寸(170微米間距),可用于高速且效果逼真的打印。作為打印頭技術開發工作的一部分,MicroFab公司研發了動態調節滴墨量的技術,在打印的光斑區域中可達到4:1的調制范圍,得到的打印質量如圖所示。該技術具備輸出高精度專業攝影照片的功能,可為藝術家、高端攝影工作室提供探索與定制開發。

                • ▲ 熒光量子點防偽標簽

                  隨著科學技術的發展,對于防偽技術的要求也越來越高。一種理想的防偽技術應該是廉價的、無損的、不可復制的,以及便于鑒定和大批量生產的。雖然產業界已經開發了多種防偽技術,但能滿足上述要求的技術卻很少。福州大學研究團隊采用MicroFab公司研發的Jetlab?Ⅱ高精度噴墨打印設備,并配合采用直徑30μm的打印噴頭制作出微米級量子點發光圖案,創新性地在基板表面構建有隨機分布的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微納米顆粒,作為噴墨打印輸運過程中的聚集釘扎點,強化微米級墨滴蒸發流動以及量子點組裝過程中的差異性,形成不可復制的“花狀”發光圖案;成功應用于低成本、可柔性化、自然條件下隱蔽、具有多重防偽和商業化價值的不可復制的全彩熒光防偽標簽。該團隊還提出了一種方便可靠的基于人工智能的驗證方法,能夠快速辨別出具有不同清晰度、亮度、旋轉、放大等不同參數的,且具隱蔽性的、不可復制的花狀發光圖案。

                • ▲ 太陽能電池電極柵線打印

                  隨著能源需求與消耗不斷增加,新能源的開發和利用受到各國的重視。利用光生伏特效應直接將太陽能轉化為電能的太陽能電池成為國內外研究的熱門項目。人們采用各種印刷技術用來制備太陽能電池,其中,噴墨打印技術作為一種非接觸式的數字成型技術,具有材料利用率高、成本低、適用于柔性基底沉積等特點而受到廣泛關注。噴墨打印技術被認為是新一代太陽能電池制備技術。 在過去的十年中,噴墨印刷技術已經被視為一種精密的微分配工具。今天,該工具被廣泛應用于制造和儀器應用。MicroFab作為壓電噴墨打印技術的先驅者,在能源打印方面有著非常豐富的經驗和技術積累。MicroFab及客戶們正在開發許多替代能源應用,包括有機太陽能電池、硅太陽能電池導體、印刷電池和燃料電池催化劑。 常見太陽能電池主要有晶體硅太陽能電池、薄膜硅太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池等。通常,太陽能電池包括吸收層和電極層。吸收層的作用是吸收太陽光,并將其轉化為電子-空穴對,在P-N結電場的作用下,空穴由N區流向P區,電子由P區流向N區,接通電路后就形成電流;電極的作用則是將產生的光電流導入外電路。為了進一步提高太陽能電池的光電轉換效率,通常還有緩沖層和減反層等。 目前,絕大多數商用太陽能電池都是采用絲網印刷的方式來制備金屬電極,但絲網印刷存在幾點不足:一是印刷過程中,絲網與基底(硅片)接觸,容易造成硅片的破損;二是絲網印刷往往造成漿料的浪費。因此,噴墨打印技術在制備太陽能電池柵線方面越來越受重視。 中科院蘇州納米所曾采用MicroFab公司的Jetlab?Ⅱ設備打印出鈣鈦礦太陽能電池的透明納米銀線上電極,并實現了全溶液法制備鈣鈦礦太陽能電池的制備。并得到了14.17%的高功率轉換效率和21.2%的平均透光率的鈣鈦礦太陽能電池。 實驗中的納米銀線(AgNW)平均直徑為35nm,長度為15μm,在打印過程中為了避免堵塞噴頭,用異丙醇將其稀釋至1mg/mL,打印速度為16mm/s。實驗中通過改變打印時間來實現銀電極的透明度和導電率的平衡。 通過一步涂覆法制備鈣鈦礦太陽能電池根據先前報告的方法制備結構倒置的平面鈣鈦礦太陽能電池。通過在去污劑、去離子水、丙酮和異丙醇中進行超聲波處理,接著進行30分鐘的紫外線-臭氧(UVO)處理,依次清潔氧化銦錫玻璃。 將PEDOT:PSS溶液旋涂在ITO薄膜上,然后140℃退火處理10min。 PSSNa溶液旋涂法制備薄膜,在140℃退火處理5min。 將甲基碘化銨(MAI,381.7mg)和氯化鉛(氯化鉛,222.5mg,99%)在無水二甲基甲酰胺(1mL)中以60℃過夜以形成鈣鈦礦前體溶液。 用Jetlab?Ⅱ噴墨打印系統將異丙醇分散體中的AgNW直接打印到PC61BM或PC61BM/PEI上,制備了帶有AgNW電極的半透明鈣鈦礦太陽能電池。 最后,在80℃下對印刷有銀納米線電極的太陽能電池進行退火。保持10分鐘。 MicroFab研究團隊曾使用Jetlab?4噴墨打印系統研究有機太陽能電池器件。這種類型的太陽能電池是基于一層結構,其中有源層由混合的電子供體和電子受體材料。對體異質結太陽能電池性能的關鍵參數是供體/受體比,薄膜厚度,以及產生的薄膜的形態。特別地,形態對于有機太陽能電池的效率是非常重要的,因為激子必須在形成后的幾納米內到達供體-受體界面。因此,良好的供體和受體材料的混合是一個良好的設備功能所必需的。除供體/受體比外,影響納米形貌的最重要參數是所使用的加工溶劑、溶質濃度和薄膜制備方法。通過噴墨印刷薄膜,系統研究了油墨成分、基材性能以及不同印刷參數對薄膜性能的影響,以一種快速、可復制、簡單、材料效率高的方式進行噴墨印刷。噴墨印刷作為一種非接觸工藝,還可以實現大面積和卷對卷(R2R)加工。因此,一旦確定了制備有機太陽能電池的合適候選材料,噴墨打印也可以用來制備薄而均勻的活性材料層。 總之,噴墨打印技術是一種原材料利用率高,低成本且工藝簡單非接觸式的制造技術,并且能夠與卷對卷技術相結合,實現器件的大面積制造。從太陽能電池制造角度考慮,噴墨打印技術將是未來的主流。

                • ▲ 燃料電池打印

                  多家機構的研究人員在開發基于噴墨的燃料電池制造工藝。具體活動包括:控制昂貴催化劑的沉積;印刷聚合物膜材料;使用組合方法開發新材料;和圖案化粘合劑/密封劑。MicroFab的開發活動包括印刷納米粒子墨水,功能聚合物,粘合劑和3D互連結構。 噴墨技術在燃料電池制造中的一些優勢包括: 鉑等貴重金屬浪費少; 低成本沉積工藝; 高精準度; 直接寫入,數據驅動的過程; 非接觸式印刷; 可擴展到生產; 允許組合方法; 允許在保形表面上打印。

                • ▲ 免疫抗體打印

                  20世紀80年代初,蛋白質的噴墨打印技術已得到發展。在最新的研究中,抗體被印在膜上,抗體與硝化纖維相結合用于診斷分析。如圖所示,雅培公司的妊娠指示器TestPack?使用MicroFab技術公司開發的兩種液體連續噴繪系統進行打印操作,使用硝化纖維素打印出兩種抗體(通常是公司HCg和a control)。Abbott TestPack?也可用于鏈球菌和藥物濫用測試。

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