CN110103580B - 一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法，锥形纤维的长度、直径及相邻两根锥形纤维间距决定印刷单元的储墨能力，综合考虑印刷单元的储墨能力和对墨水的操控能力，通过合理控制同一印刷单元中每根锥形纤维的长径比以及每根锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维间距的比值，可以使印刷单元蘸取墨水后，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢形成一个尖端，此尖端可为制备高分辨率微图案提供有利条件，且并拢后的三根锥形纤维之间可储存大量墨水，在锥形纤维与基底接触时，墨水会稳定可控地均匀流出，在基底上形成高分辨率微图案，可实现低成本、高效率、无模板直接印刷，得到的微图案无咖啡环效应，宽度和厚度精确可控。

Description

一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，尤其涉及一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法。

背景技术

微图案化表面，特别是具有特殊功能的微图案化表面被广泛应用于各个领域，例如，量子点发光二极管(Quantum Dot Light Emitting Diodes,QLED)器件、微电路印刷、集成电路、生物传感器及可穿戴传感器等。大部分器件的性能严重依赖于图案化功能材料的分辨率，例如，高分辨率的RGB像素阵列对于提高全彩色QLED的显示质量和加速其商业化至关重要；分辨率是数字存储示波器的一个重要指标，提高分辨率可以有效地提高数字存储容量和降低噪声；高分辨率微电路系统是提高集成柔性器件性能的关键。

近几十年来，很多科研工作者研发出各种技术来生成这种高分辨率微图案化表面，包括喷墨印刷、光刻、微接触印刷等。喷墨打印技术具有快速、非接触和定位精度高等优势，但制备的微图案存在咖啡环效应、大于20微米低分辨率以及锯齿状喷口容易堵塞等问题。光刻技术可将分辨率推到纳米尺度，但可用性受限于高安装和维护成本，需要高度专业化的设备和重大的基础设施投资。微接触印刷技术是一种高通量、直接的分子印刷技术，用于微米和纳米尺度的化学图案化，但需要复杂的模板制作过程，且最终图案的质量受到各种因素的限制，例如，分子墨水的扩散和印模特征的变形(例如印模特征的机械下垂，滑动和压缩)等会对最终图案的质量造成不利影响。

因此，迫切需要开发一种简单、低成本、无模板且高效率的方法直接在多用途基片上生成具有高分辨率的微图案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法，用以提供一种简单、低成本、无模板且高效率地制备具有高分辨率功能微米线及微图案的直接印刷方法。

因此，本发明提供了一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置，包括：印刷结构和与所述印刷结构连接用于带动所述印刷结构移动的三维移动平台；其中，

所述印刷结构，包括：与所述三维移动平台连接的本体和位于所述本体上的至少一个印刷单元；每个所述印刷单元由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维组成，每根所述锥形纤维的底面固定于所述本体上；

同一个印刷单元中，每根所述锥形纤维的长径比大于3，所述锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值范围为2:1～300:1；

所述印刷结构中的印刷单元用于蘸取功能分子墨水后，每个所述印刷单元中的三根锥状纤维吸墨，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述印刷装置中，所述锥形纤维的材料为聚合物纤维或金属纤维；所述锥形纤维的表面具有粗糙结构；

所述锥形纤维的长度范围为1mm～30mm，直径范围为0μm～500μm，同一个印刷单元中相邻两根锥形纤维之间的间距范围为10μm～10mm。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述印刷装置中，同一个印刷单元中，每根所述锥形纤维的长度为3mm，每根所述锥形纤维的直径范围为0μm～100μm，相邻两根锥形纤维之间的间距为0.5mm。

本发明还提供了一种印刷装置的制作方法，包括如下步骤：

S11：利用一根锥形针向聚合物板上冲孔，以三个并排的孔为一组，形成至少一组；其中，每组中三个孔的深度相同；

S12：将聚合物纤维与固化剂混合均匀形成混合溶液，对混合溶液进行脱气；

S13：将脱气后的混合溶液涂覆在冲孔后的聚合物板上，对聚合物板上的混合溶液进行脱气；

S14：对聚合物板上的混合溶液进行干燥，使混合溶液固化；

S15：将固化后的结构从聚合物板上剥离，得到包括本体和位于本体上的至少一组锥形纤维的印刷结构；其中，每组锥形纤维为一个印刷单元；

S16：对锥形纤维进行等离子体处理；或者，在锥形纤维的表面修饰低化学能物质；

S17：将印刷结构的本体连接到三维移动平台上。

本发明还提供了一种利用本发明提供的上述印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法，包括如下步骤：

S21：准备功能分子墨水；

S22：在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水，每个印刷单元中的三根锥状纤维吸墨后，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水；

S23：在三维移动平台的控制下，吸墨后的锥形纤维接触基底，锥形纤维的切线方向与基底之间呈预设夹角，沿着每个印刷单元中三根锥形纤维的排列方向匀速运动，形成高分辨率微图案。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，匀速运动的速度小于50mm/s。

在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，预设夹角的范围为15°～65°。

本发明还提供了一种高分辨率微图案，利用本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法印刷得到。

本发明还提供了一种高分辨率微图案的应用，用于制备高分辨率微电路、量子点发光二极管器件发光层、可穿戴传感器、集成电路以及高分辨率图案化表面。

本发明提供的上述用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法，由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维组成一个印刷单元，同一个印刷单元中锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距决定了锥形纤维的柔性和印刷单元的储墨能力，综合考虑印刷单元的储墨能力和印刷单元对墨水的操控能力，将同一个印刷单元中，每根锥形纤维的长径比控制为大于3，锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值控制在2:1～300:1范围；在印刷单元蘸取墨水后，由于锥形纤维的毛细力与弹性力的平衡，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，自然分散的三根锥形纤维会重新形成一个锥形的拓扑结构，该锥形的拓扑结构具有一个尖端，此尖端可以为制备高分辨率微米线及微图案提供非常有利的条件，且并拢后的三根锥形纤维之间可以储存大量墨水，形成一个天然的储墨器，具有显著的储墨能力，可以为持续供墨提供保证；并且，可编程的三维移动平台可以控制印刷结构的运动速度、方向以及印刷结构与基底之间的相互作用(例如锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角)，当锥形纤维与基底接触时，墨水会稳定可控地均匀流出，在基底上形成宽度和厚度均匀可控的具有光、电特性的高分辨率微米线及微图案；因此，利用上述印刷装置印刷高分辨率微米线及微图案，可以实现低成本、高效率、原料易得、制作工艺简单以及无模板直接印刷，并且，印刷得到的功能微米线及微图案的分辨率高达1μm，且边界清晰，厚度均匀，无咖啡环效应，宽度和厚度精确可控，与喷墨打印技术相比，具有对墨水的适应能力强、微图案分辨率高、无咖啡环效应等优势，与光刻技术相比，具有成本低廉、制作工艺简单、适用性强等优势，与微接触印刷技术相比，具有无需模板、灵活方便、制作工艺简单、微图案宽度和厚度均匀可控等优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的印刷装置的结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的印刷装置中三根锥形纤维接触基底的实物图；

图2b为本发明实施例提供的印刷装置印刷微米线的实物图；

图3为本发明实施例提供的印刷装置中三根锥形纤维蘸取墨水后的示意图；

图4为本发明实施例提供的印刷装置印刷微米线的示意图；

图5为本发明实施例提供的印刷装置的制作方法的流程图；

图6a为本发明实施例提供的印刷装置的制作方法执行步骤S11后的示意图；

图6b为本发明实施例提供的印刷装置的制作方法执行步骤S13后的示意图；

图6c为本发明实施例提供的印刷装置的制作方法执行步骤S15中将固化后的结构从聚合物板上剥离的示意图；

图6d为本发明实施例提供的印刷装置的制作方法执行步骤S15后得到的印刷结构的示意图；

图7为利用本发明实施例提供的印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法的流程图；

图8为利用本发明实施例提供的印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法的流程示意图；

图9为利用本发明实施例提供的印刷装置印刷得到的具有不同宽度的罗丹明B微米线的荧光图；

图10为利用本发明实施例提供的印刷装置印刷得到的油墨纳米颗粒微米线阵列的扫描图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

本发明实施例提供的一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置，如图1所示，包括：印刷结构1和与印刷结构1连接用于带动印刷结构1移动的三维移动平台2；其中，

印刷结构1，包括：与三维移动平台2连接的本体3和位于本体3上的至少一个印刷单元4(图1以包括一个印刷单元为例)；每个印刷单元4由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维(如图1所示的a、b、c所示)组成，每根锥形纤维的底面固定于本体3上；

同一个印刷单元中，每根锥形纤维的长径比大于3，锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值范围为2:1～300:1；

印刷结构中的印刷单元用于蘸取功能分子墨水后，每个印刷单元中的三根锥状纤维吸墨，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水。

本发明实施例提供的上述印刷装置，由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维组成一个印刷单元，同一个印刷单元中锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距决定了锥形纤维的柔性和印刷单元的储墨能力，综合考虑印刷单元的储墨能力和印刷单元对墨水的操控能力，将同一个印刷单元中，每根锥形纤维的长径比控制为大于3，锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值控制在2:1～300:1范围；在印刷单元蘸取墨水后，由于锥形纤维的毛细力与弹性力的平衡，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，自然分散的三根锥形纤维会重新形成一个锥形的拓扑结构，该锥形的拓扑结构具有一个尖端，此尖端可以为制备高分辨率微米线及微图案提供非常有利的条件，且并拢后的三根锥形纤维之间可以储存大量墨水，形成一个天然的储墨器，具有显著的储墨能力，可以为持续供墨提供保证，如图2a所示；并且，可编程的三维移动平台可以控制印刷结构的运动速度、方向以及印刷结构与基底之间的相互作用(例如锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角)，当锥形纤维与基底接触时，墨水会稳定可控地均匀流出，在基底上形成宽度和厚度均匀可控的具有光、电特性的高分辨率微米线及微图案，如图2b所示；因此，利用上述印刷装置印刷高分辨率微米线及微图案，可以实现低成本、高效率、原料易得、制作工艺简单以及无模板直接印刷，并且，印刷得到的功能微米线及微图案的分辨率高达1μm，且边界清晰，厚度均匀，无咖啡环效应，宽度和厚度精确可控，与喷墨打印技术相比，具有对墨水的适应能力强、微图案分辨率高、无咖啡环效应等优势，与光刻技术相比，具有成本低廉、制作工艺简单、适用性强等优势，与微接触印刷技术相比，具有无需模板、灵活方便、制作工艺简单、微图案宽度和厚度均匀可控等优势。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，印刷结构可以包括一个印刷单元，或者，也可以包括多个印刷单元，在此不做限定。对于印刷结构包括多个印刷单元的情况，多个印刷单元可以呈阵列排布，或者，多个印刷单元也可以以其他方式排布，在此不做限定，具体地，多个印刷单元的排布方式需要根据待印刷的功能微米线及微图案进行设计，并且，每个印刷单元中锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距需要根据待印刷的功能微米线及微图案的宽度和厚度以及基底的表面情况进行设计。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，在三根锥形纤维蘸取墨水后，如图3所示，两侧的锥形纤维a、c在并拢时发生形变弯曲，导致两侧的锥形纤维a、c稍短于中间的锥形纤维b，从而使中间的锥形纤维b的尖端突出，利用中间的锥形纤维b突出的尖端接触基底进行刷线可以实现高分辨率微米线及微图案的制备，最高分辨率可达1μm；并且，如图4所示，印刷结构沿着每个印刷单元中三根锥形纤维的并排方向(如图4所示的箭头方向)匀速运动，可以使锥形纤维c起到引流作用以实现连续供墨。印刷结构在刷线过程中每个印刷单元中的三根锥形纤维分别起到不同的作用：如图4所示，锥形纤维a起储墨的作用，为刷线提供墨水；锥形纤维b起刷线的作用，利用其尖端实现高分辨率微米线及微图案的制备；锥形纤维c起储墨和引流的作用，在实现连续供墨中起到非常重要的作用。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，锥形纤维的材料可以为聚合物纤维，例如，聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)圆锥状纤维；或者，锥形纤维的材料也可以为金属纤维；在此不做限定。较佳地，为了保证锥形纤维的吸墨能力，可以将锥形纤维设计为表面具有粗糙结构；并且，同一印刷单元中锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距决定该印刷单元的储墨能力，锥形纤维的长度越长、直径越大以及相邻两根锥形纤维之间的间距越大，印刷单元的储墨能力越强，然而，随着锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距的增大，对锥形纤维的控制能力会降低，因此，综合考虑印刷单元的储墨能力和对锥形纤维的控制能力，可以将锥形纤维的长度控制在1mm～30mm范围，将锥形纤维的直径控制在0μm～500μm范围，将同一印刷单元中相邻两根锥形纤维之间的间距控制在10μm～10mm范围。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，同一个印刷单元中，三根锥形纤维的直径可以相同；或者，三根锥形纤维的直径也可以不同，在此不做限定。并且，同一个印刷单元中，相邻两根锥形纤维之间的间距可以相同；或者，相邻两根锥形纤维之间的间距也可以不同，在此不做限定。值得注意的是，同一个印刷单元中，三根锥形纤维的直径的变化范围需控制在-20％～20％以内，相邻两根锥形纤维之间的间距的变化范围需控制在-20％～20％以内。

最佳地，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，同一个印刷单元中，每根锥形纤维的长度可以为3mm，每根锥形纤维的直径范围可以为0μm～100μm，即每根锥形纤维的直径从底面直径100μm逐渐变小，形成一个渐变的锥形结构，相邻两根锥形纤维之间的间距可以为0.5mm，此时，平衡印刷单元的储墨能力和对锥形纤维的控制能力所能达到的效果最佳。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述印刷装置中，锥形纤维的材料并非局限于聚合物纤维和金属纤维，还可以为动物毛发，在此不做限定。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种印刷装置的制作方法，如图5所示，包括如下步骤：

S11：利用一根锥形针向聚合物板上冲孔，以三个并排的孔为一组，形成至少一组；其中，每组中三个孔的深度相同；

较佳地，为了便于冲孔以及保证形成的孔的质量，锥形针可以选择锥形钢针，聚合物板可以选择低密度聚乙烯(polyethylene,PE)板；

S12：将聚合物纤维与固化剂混合均匀形成混合溶液，对混合溶液进行脱气；

具体地，以PDMS圆锥状纤维材料为例，可以将PDMS的预聚体与固化剂充分混合均匀，然后将混合溶液放在真空干燥器中进行脱气；

S13：将脱气后的混合溶液涂覆在冲孔后的聚合物板上，对聚合物板上的混合溶液进行脱气；

具体地，可以将涂覆有混合溶液的聚合物板放在真空干燥器中进行脱气，这样，可以使混合液充分进入孔内；

S14：对聚合物板上的混合溶液进行干燥，使混合溶液固化；

具体地，可以将涂覆有混合溶液的聚合物板放在干燥箱中进行干燥；

S15：将固化后的结构从聚合物板上剥离，得到包括本体和位于本体上的至少一组锥形纤维的印刷结构；其中，每组锥形纤维为一个印刷单元；

S16：对锥形纤维进行等离子体处理；或者，在锥形纤维的表面修饰低化学能物质；

对锥形纤维进行等离子体处理，可以使锥形纤维具有亲水性质，制得的印刷装置可以利用水性墨水印刷微图案；在锥形纤维的表面修饰低化学能物质，可以使锥形纤维具有亲油性质，制得的印刷装置可以利用油性墨水印刷微图案；

S17：将印刷结构的本体连接到三维移动平台上。

本发明实施例提供的上述制作方法，具有成本低、原料易得、制作工艺简单等优点。

下面以PDMS圆锥状纤维材料为例通过一个具体的实例对本发明实施例提供的上述制作方法的具体实施进行详细说明。

实例1：

(1)使用一根锥形钢针5向厚度为3.18mm的低密度聚乙烯板6上冲孔，形成三个并排的孔，孔的深度3.00mm，相邻两个孔之间的间距为0.5mm；如图6a所示；

(2)将PDMS的预聚体与固化剂以10：1的质量比充分混合均匀，将混合溶液放在真空干燥器中进行脱气20min；

(3)将脱气后的混合溶液7涂覆在冲孔后的聚乙烯板6上，再次对聚乙烯板6上的混合溶液7进行脱气1h，使混合溶液7充分进入孔内，如图6b所示；

(4)将涂覆有混合溶液的聚乙烯板放在80℃的干燥箱中150min，使其固化成型；

(5)将固化后的结构8从聚乙烯板6上剥离，如图6c所示，得到包括本体3和位于本体3上的三根并排的PDMS锥形纤维9的印刷结构，如图6d所示；

(6)对锥形纤维进行等离子体处理；实例1以制备具有亲水性质的锥形纤维为例；

(7)将印刷结构1的本体3连接到三维移动平台2上，得到如图1所示的印刷装置。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述制作方法，以采用聚合物纤维制作锥形纤维为例，采用金属纤维制作锥形纤维的实施例与采用聚合物纤维制作锥形纤维的实施例类似，在此不做赘述。并且，采用动物毛发制作锥形纤维的实施例，具体可以选取合适长度、直径的动物毛发，以三根长度相同的动物毛发为一组，以合适的间距并排固定在本体上，形成印刷装置。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种利用本发明实施例提供的上述印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法，如图7和图8所示，图7和图8分别为利用本发明实施例提供的上述印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法的流程图和流程示意图，包括如下步骤：

S21：准备功能分子墨水；

具体地，功能分子为具有光、电或磁性特征的分子，功能分子墨水可以为罗丹明B加水配成的溶液；或者，也可以为聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS)的混合溶液；或者，也可以为聚乙烯小球加水配成的溶液；或者，还可以为油墨纳米颗粒；在此不做限定；

S22：在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水，每个印刷单元中的三根锥状纤维吸墨后，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水；

S23：在三维移动平台的控制下，吸墨后的锥形纤维接触基底，锥形纤维的切线方向与基底之间呈预设夹角，沿着每个印刷单元中三根锥形纤维的排列方向匀速运动，形成高分辨率微图案。

本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法，可以实现墨水可控地转移到基底上，制备宽度和厚度可控的具有光、电或磁性特征的高分辨功能微米线及微图案化表面。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，基底可以选择纸张、玻璃片和硅片中的任意一种。

较佳地，在本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，为了避免印刷装置运动速度过快导致墨水供给不足造成微图案间断的问题，可以将匀速运动的速度控制在50mm/s以内。

较佳地，在本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，在锥形纤维接触基底后，锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角太大会导致墨水无法均匀连续地输运到基底形成微图案，锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角太小会导致制备的微图案分辨率降低和墨水的不可控性增加，因此，可以将锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角控制在15°～65°范围。

下面以PDMS圆锥状纤维材料为例通过五个具体的实例对本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法的实施进行详细说明。需要说明的是，下面的五个实例都是以印刷水性墨水为例进行说明的。

实例2：

(1)将罗丹明B加水配成质量百分比为1％的溶液，作为功能分子墨水；

(2)在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后靠近平滑的硅片基底，接触基底后使锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角呈65°，沿着印刷单元中三根锥形纤维的排列方向以10mm/s的速度匀速移动，即可制得厚度为76nm、宽度仅为1μm的罗丹明B微米线。

实例3：

(1)将罗丹明B加水配成质量百分比为1％的溶液，作为功能分子墨水；

(2)在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后靠近平滑的硅片基底，接触基底后使锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角呈50°，沿着印刷单元中三根锥形纤维的排列方向以10mm/s的速度匀速移动，即可制得厚度为88nm、宽度为125μm的罗丹明B微米线。

采用与实例2和实例3类似的方法，通过调整锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角，可以得到不同宽度的罗丹明B微米线，如图9所示。

实例4：

(1)将聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸酯)(PEDOT：PSS，具有0.8wt％PEDOT和0.5wt％PSS)作为功能分子墨水；

(2)在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后靠近平滑的硅片基底，接触基底后使锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角呈65°，沿着印刷单元中三根锥形纤维的排列方向以10mm/s的速度匀速移动，即可制得厚度为30nm、宽度为1μm的PEDOT：PSS导电微米线。

实例5：

(1)将聚乙烯小球加水配成所需浓度的溶液，作为功能分子墨水；

(2)在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后靠近平滑的硅片基底，接触基底后使锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角呈60°，沿着印刷单元中三根锥形纤维的排列方向以10mm/s的速度匀速移动，即可制得厚度为140nm、宽度仅为18μm的聚乙烯小球微米线。

实例6：

(1)将油墨纳米颗粒作为功能分子墨水；

(2)在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后靠近平滑的硅片基底，接触基底后使锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角呈56°，沿着印刷单元中三根锥形纤维的排列方向以10mm/s的速度匀速移动，得到厚度为100nm、宽度为50μm的油墨纳米颗粒微米线；

(3)将基底平移150μm，重复刷线，依次循环，即可得到微米线宽度为50μm，微米线间距为150μm的油墨纳米颗粒微米线阵列，如图10所示。

需要说明的是，在本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法中，通过改变锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角以及锥形纤维的移动速度可以制得具有不同宽度和厚度的功能微米线；通过改变基底的平移距离，重复刷线，可以制得具有不同间距的功能微米线阵列；通过改变功能分子墨水的材料可以制得具有不同功能的微米线及其阵列。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种高分辨率微图案，利用本发明实施例提供的上述印刷高分辨率微图案的印刷方法印刷得到。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种高分辨率微图案的应用，用于制备高分辨率微电路、量子点发光二极管器件发光层、可穿戴传感器、集成电路以及高分辨率图案化表面。

本发明实施例提供的上述用于印刷高分辨率微图案的印刷装置及印刷方法，由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维组成一个印刷单元，同一个印刷单元中锥形纤维的长度、直径以及相邻两根锥形纤维之间的间距决定了锥形纤维的柔性和印刷单元的储墨能力，综合考虑印刷单元的储墨能力和印刷单元对墨水的操控能力，将同一个印刷单元中，每根锥形纤维的长径比控制为大于3，每根锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值控制在2:1～300:1范围；在印刷单元蘸取墨水后，由于锥形纤维的毛细力与弹性力的平衡，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，自然分散的三根锥形纤维会重新形成一个锥形的拓扑结构，该锥形的拓扑结构具有一个尖端，此尖端可以为制备高分辨率微米线及微图案提供非常有利的条件，且并拢后的三根锥形纤维之间可以储存大量墨水，形成一个天然的储墨器，具有显著的储墨能力，可以为持续供墨提供保证；并且，可编程的三维移动平台可以控制印刷结构的运动速度、方向以及印刷结构与基底之间的相互作用(例如锥形纤维的切线方向与基底之间的夹角)，当锥形纤维与基底接触时，墨水会稳定可控地均匀流出，在基底上形成宽度和厚度均匀可控的具有光、电特性的高分辨率微米线及微图案；因此，利用上述印刷装置印刷高分辨率微米线及微图案，可以实现低成本、高效率、原料易得、制作工艺简单以及无模板直接印刷，并且，印刷得到的功能微米线及微图案的分辨率高达1μm，且边界清晰，厚度均匀，无咖啡环效应，宽度和厚度精确可控，与喷墨打印技术相比，具有对墨水的适应能力强、微图案分辨率高、无咖啡环效应等优势，与光刻技术相比，具有成本低廉、制作工艺简单、适用性强等优势，与微接触印刷技术相比，具有无需模板、灵活方便、制作工艺简单、微图案宽度和厚度均匀可控等优势。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于印刷高分辨率微图案的印刷装置，其特征在于，包括：印刷结构和与所述印刷结构连接用于带动所述印刷结构移动的三维移动平台；其中，

所述印刷结构，包括：与所述三维移动平台连接的本体和位于所述本体上的至少一个印刷单元；每个所述印刷单元由三根并排、相互分离且长度相同的锥形纤维组成，每根所述锥形纤维的底面固定于所述本体上；

同一个印刷单元中，每根所述锥形纤维的长径比大于3，所述锥形纤维的长度与相邻两根锥形纤维之间间距的比值范围为2:1～300:1；

所述印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水后，每个所述印刷单元中的三根锥形纤维吸墨，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水。

2.如权利要求1所述的印刷装置，其特征在于，所述锥形纤维的材料为聚合物纤维或金属纤维；所述锥形纤维的表面具有粗糙结构；

所述锥形纤维的长度范围为1mm～30mm，直径范围为0μm～500μm，同一个印刷单元中相邻两根锥形纤维之间的间距范围为10μm～10mm。

3.如权利要求2所述的印刷装置，其特征在于，同一个印刷单元中，每根所述锥形纤维的长度为3mm，每根所述锥形纤维的直径范围为0μm～100μm，相邻两根锥形纤维之间的间距为0.5mm。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的印刷装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S11：利用一根锥形针向聚合物板上冲孔，以三个并排的孔为一组，形成至少一组；其中，每组中三个孔的深度相同；

S12：将聚合物纤维与固化剂混合均匀形成混合溶液，对混合溶液进行脱气；

S13：将脱气后的混合溶液涂覆在冲孔后的聚合物板上，对聚合物板上的混合溶液进行脱气；

S14：对聚合物板上的混合溶液进行干燥，使混合溶液固化；

S15：将固化后的结构从聚合物板上剥离，得到包括本体和位于本体上的至少一组锥形纤维的印刷结构；其中，每组锥形纤维为一个印刷单元；

S16：对锥形纤维进行等离子体处理；或者，在锥形纤维的表面修饰低化学能物质；

S17：将印刷结构的本体连接到三维移动平台上。

5.一种利用如权利要求1-3任一项所述的印刷装置印刷高分辨率微图案的印刷方法，其特征在于，包括如下步骤：

S21：准备功能分子墨水；

S22：在三维移动平台的控制下，印刷结构中的印刷单元蘸取功能分子墨水，每个印刷单元中的三根锥形纤维吸墨后，两侧的锥形纤维发生形变与中间的锥形纤维并拢，存储功能分子墨水；

S23：在三维移动平台的控制下，吸墨后的锥形纤维接触基底，锥形纤维的切线方向与基底之间呈预设夹角，沿着每个印刷单元中三根锥形纤维的排列方向匀速运动，形成高分辨率微图案。

6.如权利要求5所述的印刷高分辨率微图案的印刷方法，其特征在于，匀速运动的速度小于50mm/s。

7.如权利要求5所述的印刷高分辨率微图案的印刷方法，其特征在于，预设夹角的范围为15°～65°。

8.一种高分辨率微图案，其特征在于，利用如权利要求5-7任一项所述的印刷高分辨率微图案的印刷方法印刷得到。

9.一种如权利要求8所述的高分辨率微图案的应用，其特征在于，用于制备高分辨率图案化表面。

10.一种如权利要求8所述的高分辨率微图案的应用，其特征在于，用于制备高分辨率微电路、量子点发光二极管器件发光层或可穿戴传感器。

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