CN111224020A - 一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，包括步骤1：在衬底上均匀旋转涂覆光刻胶并干燥，光刻后，在所述衬底上获得多组图案化电极结构区域；步骤2：通过压电喷涂方法在所述图案化电极结构区域上喷涂金属粒子墨水，并干燥固化得到金属电极层；其中，喷涂金属粒子墨水时，喷涂的针尖与所述衬底的距离小于等于45～50μm；喷涂电压为200～230V，喷涂速度为0.8～1.3mm/s，喷涂厚度为50～70nm；步骤3：将所述衬底置于有机溶剂中，剥离光刻胶获得边界整齐的薄膜电极。基于喷墨与光刻相结合手段，有效解决了采用喷墨印刷方法沉积薄膜电极材料时电极材料边界不光滑、不整齐问题。
Description
技术领域
本发明涉及电极材料沉积技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法。
背景技术
传统电子薄膜电极材料沉积一般采用真空蒸镀(如，电子束蒸发等)的方式，沉积过程对真空度有严格要求，并且沉积过程耗能高，工艺较为复杂。工艺简单、环境友好、高效、可大面积沉积的薄膜电极材料沉积方法是电子领域重要的技术需求。
柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。西方发达国家纷纷制定了针对柔性电子的重大研究计划，如美国FDCASU计划、日本TRADIM计划、欧盟第七框架计划中PolyApply和SHIFT计划等，仅欧盟第七框架计划就投入数十亿欧元的研发经费，重点支持柔性显示器、聚合物电子的材料/设计/制造/可靠性、柔性电子器件批量化制造等方面基础研究。在最近的10年间，康奈尔大学、普林斯顿大学、哈佛大学、西北大学、剑桥大学等国际著名大学都先后建立了柔性电子技术专门研究机构，对柔性电子的材料、器件与工艺技术进行了大量研究。柔性电子技术同样引起了我国研究人员的高度关注与重视，在柔性电子有机材料制备、有机电子器件设计与应用等方面开展了大量的基础研究工作，并取得了一定进展。在有机光电(高)分子材料和器件、发光与显示、太阳能电池、场效应管、场发射、柔性电子表征和制备、平板显示技术、半导体器件和微图案加工等方面进行了颇有成效的研究，但柔性电子与传统电子区别较大，特别是对于温度的要求，其在整个工艺过程中，如在有关薄膜沉积工艺，温度不能过高。
压电喷涂方法利用压电原理，通过在喷头顶部给定合适的电压，与下方放置衬底的基板之间形成电势差，通过电场力的作用将墨水喷涂在衬底上，具有速度快、直接成像、单步步骤、加工面积大和材料利用率高等诸多优点，在柔性电子领域得到了非常好的应用。但是在压电喷涂过程中，由于墨水在衬底上扩散程度各异，且压电喷涂的线宽不能做到完全一致，喷涂形成的图案化薄膜电极材料存在边界不整齐问题。
喷墨印刷，也被称为数字书写技术，可以以在基材上形成图案形式直接沉积功能性材料(如银电极等)，是目前国内外用于柔性电子产品制备的一种较为普遍的薄膜沉积技术。该技术工艺简单，工艺过程可以在低温条件下完成。但在运用喷墨印刷方法沉积薄膜电极过程中，成膜材料是以墨水形态由设备喷头喷涂到基材表面，喷涂沉积形成薄膜电极。目前，喷墨印刷制备的薄膜电极材料宏观观察边界是规整的，但在微观观测还存在边界不整齐现象，特别是应用于电子元器件制备中，电极边界不整齐问题对器件性能的影响尤为突出。
发明内容
本发明提供了一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，基于喷墨与光刻相结合手段，有效解决了采用喷墨印刷方法沉积薄膜电极材料时电极材料边界不光滑、不整齐问题。
本发明提供的技术方法为：
一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上均匀旋转涂覆光刻胶并干燥，光刻后，在所述衬底上获得多组图案化电极结构区域；
步骤2：通过压电喷涂方法在所述图案化电极结构区域上喷涂金属粒子墨水，并干燥固化得到金属电极层；
其中，喷涂金属粒子墨水时，喷涂的针尖与所述衬底的距离小于等于45～50μm；喷涂电压为200～230V，喷涂速度为0.8～1.3mm/s，喷涂厚度为50～70nm；
步骤3：将所述衬底置于有机溶剂中，剥离光刻胶获得边界整齐的薄膜电极。
优选的是，所述衬底包括硬质衬底和柔性衬底；所述硬质衬底包括玻璃衬底或者硅片衬底；所述柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底或者聚酰亚胺衬底。
优选的是，当所述衬底为硬质衬底时，在衬底上旋转涂覆光刻胶，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至1800～2200r/min，旋转涂覆25～35s，完成衬底上光刻胶的涂覆。
优选的是，在衬底上完成光刻胶涂覆后，在60～70℃下烘干28～32min。
优选的是，当所述衬底为柔性衬底时，在衬底上旋转涂覆光刻胶，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至2300～2600r/min，旋转涂覆28～40s，完成衬底上光刻胶的涂覆。
优选的是，在衬底上完成光刻胶涂覆后，在85～95℃下烘干4～8min。
优选的是，在所述步骤1中，在所述衬底上获得多组图案化电极结构区域包括：
在均匀旋转涂覆光刻胶的衬底上遮盖掩膜版，曝光15～20s，置于显影液中显影8～10s，在所述衬底上形成多组图案化电极结构区域。
优选的是，在所述步骤2中，所述金属粒子墨水为金属银纳米粒子墨水或者金属铜纳米粒子墨水。
优选的是，在所述步骤3中，将所述衬底置于有机溶剂中，超声剥离30～35s，获得边界整齐的薄膜电极。
优选的是，所述有机溶剂为丙酮溶液。
本发明所述的有益效果：
本发明提供的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，基于喷墨与光刻相结合手段，减少传统真空蒸镀电极能耗的同时有效解决了采用喷墨印刷方法沉积薄膜电极材料时电极材料边界不光滑、不整齐问题。
附图说明
图1a为本发明所述步骤1中滴胶的示意图。
图1b为本发明所述步骤1中滴胶的剖面示意图。
图2a为本发明所述步骤1中旋涂光刻胶的示意图。
图2b为本发明所述步骤1中旋涂光刻胶的剖面示意图。
图3a为本发明所述步骤1中曝光的示意图。
图3b为本发明所述步骤1中曝光的俯视示意图。
图4为本发明所述步骤1中显影的示意图。
图5为本发明所述步骤2中喷涂过程示意图。
图6为本发明所述步骤2中喷涂完电极墨水后衬底的前视剖面示意图。
图7a为本发明所述步骤3中去胶后衬底的前视剖面示意图。
图7b为本发明所述步骤3中去胶后衬底的俯视示意图。
图8为传统压电喷涂方法直接喷涂电极图案的ZEISS显微镜图像。
图9为本发明实施例1所述的光刻胶固化到衬底片上的示意图。
图10为本发明实施例1所用掩膜版的示意图。
图11a为本发明实施例1中在衬底上获得多组图案化电极结构区域的前视剖面示意图。
图11b为本发明实施例1中在衬底上获得多组图案化电极结构区域的俯视示意图。
图12为本发明实施例1获得的最终电极图案的ZEISS显微镜图像。
图13为本发明实施例2所述的光刻胶固化到衬底片上的示意图。
图14a为本发明实施例2中在衬底上获得多组图案化电极结构区域的前视剖面示意图。
图14b为本发明实施例2中在衬底上获得多组图案化电极结构区域的俯视示意图。
图15为本发明实施例2获得的最终电极图案的ZEISS显微镜图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底100上均匀旋转涂覆光刻胶110并干燥，光刻后，在衬底上获得多组图案化电极结构区域，如图1-图4所示。
所述衬底包括硬质衬底和柔性衬底；所述硬质衬底包括玻璃衬底或者硅片衬底等；所述柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底或者聚酰亚胺衬底等。
(1)当衬底为玻璃衬底101时，在衬底上旋转涂覆光刻胶110，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至1800～2200r/min，旋转涂覆25～35s，完成衬底上光刻胶的涂覆，并在60～70℃下烘干28～32min。
(2)当衬底为聚酰亚胺衬底102时，在衬底上旋转涂覆光刻胶110，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至2300～2600r/min，旋转涂覆28～40s，完成衬底上光刻胶的涂覆，并在85～95℃下烘干4～8min。
在衬底上获得多组图案化电极结构区域包括：
在均匀旋转涂覆光刻胶的衬底上遮盖掩膜版120，曝光15～20s，置于显影液中显影8～10s，在衬底上形成多组图案化电极结构区域150。
步骤2：通过压电喷涂方法在图案化电极结构区域上喷涂金属粒子墨水130，所述的金属粒子墨水130为金属银纳米粒子墨水或者金属铜纳米粒子墨水，并干燥固化得到金属电极层，喷涂过程示意图如附图5所示，喷涂完电极墨水后衬底的前视剖面示意图如附图6所示；
其中，喷涂金属粒子墨水时，喷涂的针尖与衬底的距离小于等于45～50μm；喷涂电压为200～230V，喷涂速度为0.8～1.3mm/s，喷涂厚度为50～70nm；
步骤3：将所述衬底置于有机溶剂中，优选丙酮溶液，超声剥离30～35s，剥离光刻胶获得边缘整齐、光滑的图案化薄膜电极160，如图7a、7b所示。
下面将结合本发明实施示例中的附图，对本发明实施示例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施示例仅仅是本发明一部分实施示例，而不是全部的实施示例。其中附图8为传统压电喷涂方法直接喷涂电极图案的ZEISS显微镜图像，作为对比图，明显可见其边缘不整齐。基于本发明中的实施示例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施示例，都属于本发明保护的范围。
实施示例1
取20*20mm康宁玻璃片101作衬底，置于匀胶仪，其上滴光刻胶110，旋涂。匀胶仪的转速300r/min，转20s，然后升至2000r/min，转30s。将旋涂完的片子置于65℃干燥箱，30分钟后取出，光刻胶110固化到衬底上，如图9所示。
接着光刻图案化电极区域150。将样品1(固化光刻胶的玻璃衬底)用掩膜版遮盖，所用掩膜版120示意图如图10所示，随后将片子置于光刻机下曝光15s。随后将曝光完的片子放入显影液中显影8s，完成上述步骤后可以在衬底上获得多组图案化电极结构150，如图11所示。
通过调控SIJ压电喷涂设备140(SIJ Technology，Inc.为压电喷涂设备的厂商)载有金属银纳米粒子墨水的针尖与衬底距离小于50um。
接着设置机器喷涂速度为1mm/s，电压为200V，压电喷涂厚度为50nm的银电极金属层，喷涂时金属电极层完全覆盖图案化电极结构制备区域即可，最后将喷涂完金属电极层的衬底在热板上70℃干燥5min。
最后采用丙酮溶剂剥离。将干燥完的衬底放入丙酮溶液中超声剥离30s，除去所述金属电极层多余的光刻胶部分，获得边缘整齐的银电极结构160，如图12所示。
实施示例2
取15*15mm聚酰亚胺作衬底102，置于匀胶仪，其上滴光刻胶110，旋涂。匀胶仪的转速300r/min，转20s，然后升至2500r/min，转30s。将旋涂完的片子置于90℃干燥箱，5分钟后取出，光刻胶固化到衬底上，示意图如附图13所示。
接着光刻出图案化电极区域150。将样品2(固化光刻胶的聚酰亚胺衬底)用掩膜版遮盖，所用掩膜版示意图如附图10所示，随后将片子置于光刻机下曝光15s。随后将曝光完的片子放入显影液中显影8s，完成上述步骤后可以在衬底上获得多组图案化电极结构150，如图14所示。
通过调控SIJ压电喷涂设备140(SIJ Technology，Inc.为压电喷涂设备的厂商)载有金属铜纳米粒子墨水的针尖与衬底距离小于50um。
接着设置机器喷涂速度为1mm/s，电压为230V，压电喷涂厚度为60nm的铜电极金属层，喷涂时金属电极层完全覆盖图案化电极结构制备区域即可，最后将喷涂完金属电极层的衬底在热板上70℃干燥5min。
最后采用丙酮溶剂剥离。将干燥完的衬底放入丙酮溶液中超声剥离30s，除去所述金属电极层多余的光刻胶部分，获得我们想要的边缘整齐的铜电极结构160，如图15所示。
本发明结合光刻手段和喷墨印刷方法制备薄膜电极，提供了一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，可获得边缘整齐的压电喷涂金属电极结构，有效解决传统压电喷涂方法制备过程中产生的电极边缘不整齐问题，具有广阔的应用前景。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在衬底上均匀旋转涂覆光刻胶并干燥，光刻后，在所述衬底上获得多组图案化电极结构区域；
步骤2：通过压电喷涂方法在所述图案化电极结构区域上喷涂金属粒子墨水，并干燥固化得到金属电极层；
其中，喷涂金属粒子墨水时，喷涂的针尖与所述衬底的距离小于等于45～50μm；喷涂电压为200～230V，喷涂速度为0.8～1.3mm/s，喷涂厚度为50～70nm；
步骤3：将所述衬底置于有机溶剂中，剥离光刻胶获得边界整齐的薄膜电极。
2.如权利要求1所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，所述衬底包括硬质衬底和柔性衬底；所述硬质衬底包括玻璃衬底或者硅片衬底；所述柔性衬底包括聚对苯二甲酸乙二醇酯衬底或者聚酰亚胺衬底。
3.如权利要求2所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，当所述衬底为硬质衬底时，在衬底上旋转涂覆光刻胶，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至1800～2200r/min，旋转涂覆25～35s，完成衬底上光刻胶的涂覆。
4.如权利要求3所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，在衬底上完成光刻胶涂覆后，在60～70℃下烘干28～32min。
5.如权利要求2所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，当所述衬底为柔性衬底时，在衬底上旋转涂覆光刻胶，控制转速为290～320r/min，旋转涂覆15～25s，转速升至2300～2600r/min，旋转涂覆28～40s，完成衬底上光刻胶的涂覆。
6.如权利要求5所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，在衬底上完成光刻胶涂覆后，在85～95℃下烘干4～8min。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，在所述步骤1中，在所述衬底上获得多组图案化电极结构区域包括：
在均匀旋转涂覆光刻胶的衬底上遮盖掩膜版，曝光15～20s，置于显影液中显影8～10s，在所述衬底上形成多组图案化电极结构区域。
8.如权利要求7所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，在所述步骤3中，将所述衬底置于有机溶剂中，超声剥离30～35s，获得边界整齐的薄膜电极。
9.如权利要求8所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，所述金属粒子墨水为金属银纳米粒子墨水或者金属铜纳米粒子墨水。
10.如权利要求8或9所述的基于喷墨融合的薄膜电极材料沉积方法，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮溶液。
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