CN102529366B - 一种基于静电喷印制备阵列化图案的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流体动力喷印的阵列化图案喷印装置，包括金属针头，承印层，金属基板，运动平台和高压发生器，其中，所述金属针头设置在承印层上方，该承印层设置在金属基板上，该金属针头和金属基板分别连接到高压发生器正负端，从而在两者之间形成电场，所述金属基板可在运动平台的驱动下作平面运动，从而带动承印层运动，在电场作用下，喷印溶液通过金属针头流出并形成射流喷射到运动的承印层上，即可在该承印层上形成所需的喷印图案。本发明还公开了利用上述装置制备图案的方法。本发明基于拉伸辅助的高精度定位，实现了在工程环境下，高精度阵列化图案的简单、快速制造，突破了传统静电喷印技术在射流定位与喷印特定图案方面的限制。

Description

一种基于静电喷印制备阵列化图案的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用静电纺丝技术制备的高精度阵列化图案及其制备方法和装置，属于电子制造电喷印技术领域。

背景技术

喷印技术作为一种制造工艺工具，其应用可以追溯到上个世纪50年代西门子将其用于机器输出轨迹的打点，更多的发展则发生在1960～1980期间，这使得现在喷印技术能在许多领域得到较为广泛的应用，包括：图像输出与标记等。传统的喷印技术主要采用连续喷印(CIJ)和按需喷印(DOD)两种方法，两种喷印技术都能够产生直径范围在20-150微米的液滴：CIJ主要应用于编码和标识，液滴直径约为100微米；DOD则主要应用在图像和文字打印上，液滴直径更小，通常在20-50微米。由于传统的喷印技术采用热力或者压力的方式产生喷射，使得其在液滴喷射的产生与喷射依赖与喷印头的尺寸，而一般为喷印头直径的1.89倍，制造细小的喷印头需要复杂的微制造工艺与材料，因此传统喷印技术制造细小液滴基本无法实现。

与传统的喷印技术相比，通过静电场产生喷射的喷印技术(电流体动力喷印)能够产生更细小的液滴与液丝，直径可以达到纳米级别。同时，电流体动力喷印技术可以喷印高分子有机物等多种材料，使得其应用范围更加宽广，如柔性电子制造，陶瓷元件制造，组织工程等。

然而，由于在喷射过程中液丝会产生“鞭动”等不稳定现象，使得这种技术只应用在了静电纺丝上以获得有特定性能的纤维，而难以用于有高定位精度要求的喷印图案上。(参考文献：Derby，B.(2010).″Inkjet Printing of Functional and Structural Materials：Fluid PropertyRequirements，Feature Stability，and Resolution.″Annual Review ofMaterials Research 40：395-414；Zhouping YIN，Yongan Huong，NingBinBU，Xiaomei WANG&Youlun XIONG(2010).″Inkjet printing forflexible electronics：Materials，processes and equipments.″ChineseScience Bulletin Vol.55No.3：1-25。)

综上所述，现有的电流体动力喷印技术以下几个缺点：(1)喷印打印定位精度较低；(2)连续喷印可控性差；(3)打印分辨率难以提高。

发明内容

本发明的目的之一在于，针对传统电流体动力喷印技术的喷射不稳定和难以定位等缺陷，提出一种基于电流体动力喷印的阵列化图案喷印装置，突破传统电流体喷印技术在液丝定位与喷印特定图案上的限制，可高效高精度的制造阵列化图案，其线宽分辨率可达到200nm，图案定位精度可达到5μm。

为实现该该发明目的所采用的技术方案如下：

一种基于电流体动力喷印的阵列化图案喷印装置，包括金属针头，承印层，金属基板，运动平台和高压发生器，其中，所述金属针头设置在承印层上方，该承印层设置在金属基板上，该金属针头和金属基板分别连接到高压发生器正负端，从而在两者之间形成电场，所述金属基板可在运动平台的驱动下作平面运动，从而带动承印层运动，在电场作用下，喷印溶液通过金属针头流出并形成射流喷射到运动的承印层上，即可在该承印层上形成所需的喷印图案。

作为本发明的改进，所述金属针头设置在一高度调节架上，其相对金属基板的距离可通过该高度调节架进行调节。

作为本发明的改进，所述装置还包括流量泵，注射器和导管，喷印溶液通过所述流量泵泵入注射器，并进而通过所述导管流入金属针头。

作为本发明的改进，所述的高压发生器的正极接在金属针头上，负极接在金属基板上。

作为本发明的改进，所述承印层可以为硅片或纸张。

作为本发明的改进，所述金属针头与金属基板的间距即两极距离，为5～30mm。

作为本发明的改进，所述流量泵所供给的溶液流量为10～1000nl/min。

作为本发明的改进，所述高压发生器上施加的电压为0.75～2.50kV。

本发明的目的之二在于提供一种利用上述装置制备阵列化图案的方法，具体包括如下步骤：

(1)制备喷印溶液。

采用高分子聚合物(如PEO，PVP等)，按照一定质量比(2％～6％)，配置成具有一定粘度的溶液，并在磁力搅拌器下边加热边搅拌数小时，待充分溶解均匀后，冷却后得到可喷印的溶液。将溶液充入导管和流量泵的注射器中。

(2)静电喷印。

将高压发生器9的正极与金属针头相连，负极与金属基板相连，并将正负极距离调节到5～10mm；对注射泵进行精密控制，使得高分子溶液以一定的流量(10～100nl/min)进行供给，同时高压发生器在针头和收集板之间施加电压(0.75～2.50kV)；当针头部分的溶液所受电场力大于溶液表面张力时，针头部分形成泰勒锥并形成射流；射流在电场力的作用下垂直落下，形成射流沉积到基板上。

(3)待射流精确定位到基板上的同时，通过控制基板在X-Y方向按照图案的设定的轨迹进行运动，即可以得到所需图案。

本发明所述的高分子溶液，需配置合适的浓度，在一定温度下使用搅拌器搅拌，并静止若干小时，使其充分均匀。此溶液中高分子材料，包括聚氧化乙烯，PEDOT:PSS等可配置成溶液的绝缘、导电的功能材料，同时也包括金属纳米粒子/聚合物的复合材料。

其喷射稳定且定位准确的机理在于：在喷射过程中产生“鞭动”时，由于两极距离较近使得“鞭动”引起的摆动可控制在较小的范围内，从而得到射流在基板上的精确定位。同时基板上已吸附的射流对空间中下落的纤维的拉拽作用，可以沿直线对纤维进行收集打印。另一方面，通过控制收集基板的运动而非喷射针头的运动，可以保证喷射过程的稳定，

与传统喷印技术或静电纺丝技术相比，本发明的优点具有：

1)定位精度高，本发明中由于喷射针头的位置不变，而采用运动基板位置来喷印图案，可以保证针头部位喷射过程的稳定，同时基板对在空间中下落的纤维有拉拽作用，可以保证纤维形成时的直线度。

2)成本低，本发明无需涉及光刻等复杂工艺，且材料成本低廉，并可以采用卷到卷工艺进行批量生产。

3)效率高，阵列化图案的获得还可以通过多个喷嘴实现，可快速制备阵列化图案。

4)该方法为连续打印方式，打印速度可达1m/s，可快速在大面积内进行图案沉积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

1为流量泵，2为注射器，3为导管，4为高度调节架，5为金属针头，6为承印层，7为金属基板，8为X-Y运动平台，9为高压发生器；

图2是喷印阵列化直线时，X-Y运动平台的运动轨迹示意图。

图3是采用阵列化直线运动时，喷印的PEO溶液(6％)，在电压为2.5kV，两极距离为5mm，运动速度为100mm/s，运动间距为100um的条件下，所得的阵列化直线图案的光学显微图。

图4是采用阵列化网格运动时，喷印的PEO溶液(6％)，在电压为1.0kV，两极距离为5mm，运动速度为400mm/s，运动间距为5μm的条件下，所得的阵列化网格图案的光学显微图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的阵列化图案喷印装置，包括流量泵1，注射器2，导管3，金属针头5，承印层6，金属基板7，X-Y运动平台8和高压发生器9，其中，

所述金属针头5设置在金属基板7上方，两者分别连接到高压发生器9正负端，从而在金属针头4和金属基板7之间形成电场，该金属针头5通过导管3与流量泵1连通，所述金属基板7设置在X-Y运动平台8上，喷印溶液通过流量泵1进入金属针头5，在电场作用下形成射流落到基板7上，同时，所述金属基板7随X-Y运动平台8作二维移动，带动固定在其上的承印层6，即可在承印层6上获得喷印图案。

正极接在针头5上，负极接在金属基板7上。

金属针头5设置在高度调节架4，其相对金属基板7的距离可通过高度调节架4进行调节。金属基板7与金属针头5的距离可以根据电压大小、金属针头内径大小和/或流量泵流量等因素进行具体调节，例如5-30mm。

金属基板7上设置有打印介质6，可以为硅片，纸张等多种材料。

本发明中的上述装置制备阵列化图案的方法，可以采用如下优选的步骤进行：

A.配置质量比为6％的聚氧化乙烯(PE0，600000)溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；

B.将上述溶液充入注射器2，并使导管内也充满溶液，直到金属针头有溶液渗出为准，金属针头内径为0.16mm；金属针头5与高压发生器9的正极相连；金属基板7与高压发生器9的负极相连，且距离金属针头5的距离为5mm；金属基板7固定在X-Y运动平台8上，以100mm/s的速度按照图2所示轨迹运动，轨迹直线的间距为100um；给两极间施加2.5KV电压，进行电喷印。得到如图3所示的直线阵列图案。

本发明中的上述装置制备阵列化图案的方法，也可以采用如下优选的步骤进行：

A.配置重量百分比浓度为3％的聚氧化乙烯(PE0，600000)溶液，在30℃下使用磁力搅拌器搅拌20小时，静止2小时；

B.将上述溶液充入注射器2，并使导管内也充满溶液，直到金属针头有溶液渗出为准，金属针头内径为0.16mm；金属针头5与高压发生器9的正极相连；金属基板7与高压发生器9的负极相连，且距离金属针头5的距离为5mm；金属基板7固定在X-Y运动平台8上，以400mm/s的速度按照图2所示轨迹运动，轨迹直线的间距为5um；给两极间施加1.0KV电压，进行电喷印。纵向喷印完成后，调整收集硅片角度，使之旋转90度，再次按照图2所示轨迹，在相同条件下进行喷印，得到如图4所示的网格阵列图案。

另外，上述实施例中所提及的金属针头内径、金属基板7与金属针头5之间的电压值以及金属基板7移动速度等并不限定在本实施例中的数值范围，可以根据实际情况，如流量泵流量大小、喷印速度等进行具体设置。

流量泵所供给的溶液流量优选为10～1000nl/min，其平均速度可以小于基板运动速度。

金属基板7与金属针头5的距离可以根据电压大小、金属针头内径大小和/或流量泵流量等因素进行具体调节，例如5-10mm。

上述实施例的可喷印溶液中的高分子材料，可以包括聚氧化乙烯后偶PEDOT:PSS等可配置成溶液的绝缘或导电的功能材料，同时也可是包括金属纳米粒子/聚合物的复合材料。溶液浓度优选为2％～6％，具有较高粘度。

Claims (5)

1.一种利用基于电流体动力喷印的阵列化图案喷印装置制备阵列化图案的方法，其中，

该基于电流体动力喷印的阵列化图案喷印装置包括流量泵(1)，注射器(2)，导管(3)，金属针头(5)，承印层(6)，金属基板(7)，运动平台(8)和高压发生器(9)，其中，

喷印溶液通过所述流量泵(1)泵入注射器(2)，并进而通过所述导管(3)流入金属针头(5)；

所述金属针头(5)设置在承印层(6)上方，该承印层(6)设置在金属基板(7)上，该金属针头(5)和金属基板(7)分别连接到高压发生器(9)正负端，从而在两者之间形成电场，所述金属基板(7)可在运动平台(8)的驱动下作平面运动，从而带动承印层(6)运动，在电场作用下，喷印溶液通过金属针头(5)流出并形成射流喷射到运动的承印层(6)上，即可在该承印层(6)上形成所需的阵列化直线图案；

其中，所述的金属针头(5)设置在一高度调节架(4)上，其相对金属基板(7)的距离可根据电压大小、金属针头(5)内径大小和/或流量泵(1)流量并通过该高度调节架(4)进行调节；所述的高压发生器(9)的正极接在金属针头(5)上，负极接在金属基板(7)上；

该方法具体包括：

1)准备喷印溶液：配置高分子聚合物溶液作为喷印溶液，并将其通过所述流量泵(1)泵入注射器(2)，并进而通过所述导管(3)流入金属针头(5)中；

2)静电喷印：

在金属针头(5)和金属基板(7)之间施加电压，控制注射器(2)使得喷印溶液以一定的流量供给到金属针头(5)，当金属针头(5)的出口处溶液所受电场力大于溶液表面张力时，形成泰勒锥并形成射流，喷射到承印层(6)上，所述的射流沉积在金属基板(7)上的速度小于基板移动速度；

(3)控制金属基板(7)按照图案的设定的轨迹进行运动，即可得到所需图案。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承印层(6)为硅片或纸张。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属针头(5)与金属基板(7)的间距即两极距离，为5～30mm。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述流量泵(1)所供给的溶液流量为10～1000nl/min。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高压发生器(9)上施加的电压为0.75～2.50kV。