CN113415076A - 一种气溶胶打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气溶胶打印装置及打印方法，其中，打印装置包括上表面设置有安装槽的筒体，以及设置在所述安装槽上的超声换能器，所述超声换能器包括底部设置有若干个开孔的超声换能片，所述安装槽的底部设置有通孔，所述筒体的内部设置有下宽上窄的半球形曲面，所述半球形曲面的底端与所述筒体内部密封连接，且所述半球形曲面的顶端与所述通孔连通，所述安装槽与所述半球形曲面之间形成空腔，所述筒体的侧面设置有与所述空腔连通的进气口，所述半球形曲面靠近所述通孔的位置设置有若干个出气孔。本发明能够有效避免气溶胶在通道内的沉积与喷头的堵塞，并且提高气溶胶在基底的沉积效率，最终使装置对所用墨水的利用率达到75％以上。

Description

一种气溶胶打印装置及打印方法

技术领域

本发明涉及气溶胶打印技术领域，特别涉及一种气溶胶打印装置及打印方法。

背景技术

气溶胶是固体微粒或液体微粒稳定地均匀分散并悬浮于气体介质中形成的分散体系，其微粒大小为0.001-100μm。由于气溶胶颗粒微小以及分布均匀的特点，近年来，气溶胶打印技术被逐渐应用于电子制造领域。

气溶胶打印技术是一种非接触式的打印方法，能够避免喷嘴与基底接触时产生的剪切力，同时能够在任意形状和粗糙度的表面进行打印。相比于喷墨打印、电化学沉积等方法，气溶胶打印对设备和环境的要求很低，使用的墨水粘度范围广，材料利用率高，成本低廉，并且可以自由控制墨水沉积厚度，具有较高的打印分辨率。

在气溶胶打印过程中，由于气溶胶通道内空间狭小，颗粒密度高，气溶胶颗粒极易在通道壁面发生沉积，这轻则降低墨水利用率，提高打印成本，重则使液滴汇聚，沿壁面流下，堵塞喷嘴，影响打印质量。因此，有效避免打印过程中气溶胶在通道壁面的沉积与喷头堵塞，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种气溶胶打印装置及打印方法，旨在解决现有气溶胶打印过程中，容易出现气溶胶颗粒在通道壁面发生沉积的问题。

本发明的技术方案如下：

一种气溶胶打印装置，其中，包括上表面设置有安装槽的筒体，以及设置在所述安装槽上的超声换能器，所述超声换能器包括底部设置有若干个开孔的超声换能片，所述安装槽的底部设置有通孔，所述筒体的内部设置有下宽上窄的半球形曲面，所述半球形曲面的底端与所述筒体内部密封连接，且所述半球形曲面的顶端与所述通孔连通，所述安装槽与所述半球形曲面之间形成空腔，所述筒体的侧面设置有与所述空腔连通的进气口，所述半球形曲面靠近所述通孔的位置设置有若干个出气孔。

所述的气溶胶打印装置，其中，所述出气孔为2n个，n为大于等于1的整数，2n个所述出气孔均匀分布在所述通孔的周围。

所述的气溶胶打印装置，其中，所述安装槽为上端开口的圆形凹槽，所述通孔的直径小于所述圆形凹槽的开口直径。

所述的气溶胶打印装置，其中，所述筒体的上表面还设置有供液通道。

所述的气溶胶打印装置，其中，所述超声换能器还包括与所述超声换能片电连接的控制器和电源。

所述的气溶胶打印装置，其中，所述筒体的下端连接有聚焦通道，所述聚焦通道的下端连接有喷嘴。

所述的气溶胶打印装置，其中，还包括用于将墨水注入到所述超声换能片上的主动供液系统，所述主动供液系统包括依次连接的注射器、注射泵以及供液管。

所述的气溶胶打印装置，其中，还包括与所述进气口连通的主动供气系统，所述主动供气系统包括依次连接的气源存储罐、流量阀以及气管。

所述的气溶胶打印装置，其中，还包括位于所述喷嘴下方的二维移动平台。

一种基于气溶胶打印装置的打印方法，其中，包括步骤：

向所述进气口通入气体并设定气流量；

向所述超声换能片上注入墨水，启动所述超声换能器使所述墨水通过振荡形式形成气溶胶，所述气溶胶在气流的驱动下完成打印。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的气溶胶打印装置包括设置在筒体内部的半球形曲面，所述半球形曲面与安装槽之间形成空腔，所述筒体的侧面设置有与所述空腔连通的进气口，所述半球形曲面靠近所述通孔的位置设置有若干个出气孔；被超声换能片雾化的墨水(气溶胶)在经过通孔时，靠近所述通孔设置的出气孔可喷出气流，所述雾化的墨水会在气流的驱动下远离气溶胶打印装置的内壁，可有效避免气溶胶在壁面的沉积，并且雾化的墨水会在气流的驱动下变得更加集中，从喷嘴喷出时更加均匀，从而可有效提高打印精度和墨水利用率。

附图说明

图1为本发明一种气溶胶打印装置的第一视角爆炸图。

图2为本发明一种气溶胶打印装置的第二视角爆炸图。

图3为本发明一种气溶胶打印装置的第三视角爆炸图。

图4为本发明一种气溶胶打印装置的完整结构示意图。

图5为本发明一种气溶胶打印方法的较佳实施例流程图。

图6a为实施例1中通过气溶胶印刷法制备的HTL和通过旋涂法制备的HTL的AFM形貌表征图。

图6b为实施例2中通过气溶胶印刷法制备的活性层和通过旋涂法制备的活性层的AFM形貌表征图。

图6c为实施例3中通过气溶胶印刷法制备的ETL和通过旋涂法制备的ETL的AFM形貌表征图。

图7为实施例4中太阳能电池器件的电流密度-电压曲线对比图。

具体实施方式

本发明提供一种气溶胶打印装置及打印方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明提供了一种气溶胶打印装置，如图所示，其包括上表面设置有安装槽11的筒体10，以及设置在所述安装槽11上的超声换能器20，所述超声换能器20包括底部设置有若干个开孔21的超声换能片22，所述安装槽11的底部设置有通孔12，所述筒体10的内部设置有下宽上窄的半球形曲面13，所述半球形曲面13的底端与所述筒体10内部密封连接，且所述半球形曲面的顶端与所述通孔12连通，所述安装槽11与所述半球形曲面13之间形成空腔，所述筒体10的侧面设置有与所述空腔连通的进气口14，所述半球形曲面13靠近所述通孔12的位置设置有若干个出气孔15。

在本实施例中，向所述超声换能片22上注入墨水，启动所述超声换能器20使所述墨水以振荡形式形成气溶胶，所述气溶胶可从所述超声换能片22底部设置的微米级开孔21流出，然后再经过通孔；此时，由于从所述进气孔14通入了气体，所述气体经过所述空腔从靠近所述通孔12设置的出气孔15喷出并形成聚焦气流，所述气溶胶会在聚焦气流的驱动下远离气溶胶打印装置的内壁，可有效避免气溶胶在壁面的沉积，并且所述气溶胶会在聚焦气流的驱动下变得更加集中，从喷嘴喷出时更加均匀，从而可有效提高打印精度和墨水利用率。也就是说，聚焦气流能够有效避免气溶胶在通道内的沉积与喷头的堵塞，并且提高气溶胶在基底的沉积效率，最终使装置对所用墨水的利用率达到75％以上。

在一些实施方式中，超声换能器20是一种将电磁能转化为机械能的装置，超声换能器的工作原理大体是相同的，其内部通常都包含一个电的储能元件和一个机械振动系统。作为举例，当超声换能器用作发射器时，从激励电源送来的电振荡信号将引起换能器中电储能元件中电场或磁场的变化，这种变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与换能器机械振动系统相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。在本实施例中，所述超声换能器20还包括与所述超声换能片22电连接的控制器和电源，所述超声换能片22通电后能以几千到几十万赫兹的频率振动，从而将位于注入到所述超声换能片22的墨水雾化成粒径微小的气溶胶；所述超声换能片22的底部设置有若干个微米级的开孔21，所述墨水雾化后形成的气溶胶可从所述开孔21流出。

在一些实施方式中，为保证从所述出气孔15中喷出的气流具有较佳的聚焦作用，所述出气孔15均垂直所述半球形曲面13设置。在本实施例中，由于垂直设置在所述半球形曲面13上的出气孔15能将气流聚焦到通孔12处，从而可有效避免气溶胶在壁面的沉积。

在一些具体的实施方式中，所述出气孔设置为2n个，n为大于等于1的整数，2n个所述出气孔均匀分布在所述通孔的周围。如图2所示，所述若干个出气孔15均匀环绕分布在所述通孔12的周围，且所述2n个出气孔中，任一一个出气孔都能找到以所述通孔的中心为对称点的对称出气孔，也就是说，两个以通孔的中心点为对称点的出气孔可以将气流更加稳定地聚焦在所述通孔处，从而更有效地避免气溶胶在壁面的沉积。

在一些实施方式中，如图1所示，所述安装槽11为上端开口的圆形凹槽，所述圆形凹槽的底部设置有所述通孔12，所述通孔12的直径小于所述圆形凹槽的开口直径。本实施例中，所述圆形凹槽的开口直径与所述超声换能片22的直径适配，设置在所述超声换能片22底部的开孔位于所述通孔的孔径范围内，也就是说，注入到所述超声换能片22上的墨水以振荡方式形成气溶胶后，可以先通过所述开孔流出，然后在经过所述通孔12流出。

在一些实施方式中，如图2所示，所述筒体10的上表面还设置有供液通道16，所述供液通道16可以将墨水导入所述超声换能片22上。

在一些实施方式中，如图1-图2所示，所述筒体10的下端连接有聚焦通道30，所述聚焦通道30的下端连接有喷嘴40。具体来讲，所述聚焦通道为上宽下窄的空心圆台结构，所述聚焦通道靠近所述筒体的一端(上端)设置有第一凹槽，所述聚焦通道靠近所述喷嘴40的一端(下端)设置有第二凹槽，所述筒体的下端设置有与所述第一凹槽适配的第一插槽，所述喷嘴的上端设置有与所述第二凹槽适配的第二插槽，所述筒体与所述聚焦通道通过所述第一凹槽与所述第一插槽的适配组装连接，所述聚焦通道与所述喷嘴通过所述第二凹槽与所述第二插槽的适配组装连接。在本实施例中，所述喷嘴可根据实际需求改变形状和尺寸。

在一些实施方式中，如图1和图2所示，所述筒体10的上方还设置有盖压片17。本实施例中，所述盖压片17通过螺钉固定在所述筒体的上方，所述盖压片用于将所述超声环能器限定在所述安装槽内。

在一些实施方式中，如图4所示，所述气溶胶打印装置还包括用于将墨水注入到所述超声换能片22上的主动供液系统50，所述主动供液系统50包括依次连接的注射器51、注射泵52以及供液管53。本实施例中，通过所述注射器51存储打印所需要的墨水，通过所述注射泵52供给墨水并对打印过程中所使用的流量进行精确控制，通过所述供液管53将所述墨水沿所述供液通道注入至超声换能片22上。

在一些实施方式中，如图4所示，所述气溶胶打印装置还包括与所述进气口连通的主动供气系统60，所述主动供气系统60包括依次连接的气源存储罐61、流量阀62以及气管63。本实施例中，所述气源存储罐61用于存储气源，所述气源为干燥的空气或氮气，所述流量阀用于调节气体流量，所述气管与所述进气口连通，通过所述气管将气源注入筒体内。

在一些实施方式中，如图4所示，所述气溶胶打印装置还包括位于所述喷嘴40下方的二维移动平台70。本实施例中，所述二维移动平台上设置有基板，所述二维移动平台使用两个互相垂直的由电机控制的轴来控制所述基板的移动，可以在控制电脑上手动调节平台的移动速度和移动位置，也可以载入编好的程序让平台沿着预设好的路径移动，实现自动化打印。

在一些实施方式中，如图4所示，所述气溶胶打印装置还包括用于固定所述筒体的支架80。

在一些实施方式中，如图5所示，还提供一种基于气溶胶打印装置的打印方法，如图所示，其包括步骤：

S10、向所述进气口通入气体并设定气流量；

S20、向所述超声换能片上注入墨水，启动所述超声换能器使所述墨水通过振荡形式形成气溶胶，所述气溶胶在气流的驱动下完成打印。

具体来讲，将待用的打印墨水存储于注射器中，将供液管通过所述供液通道插入到所述超声换能片上，并将注射器固定在注射泵上；将气管插入筒体的进气口，并打开流量阀设定所需的气流量；将基片固定在所述所述二维移动平台的基本上，调节筒体的位置使得喷嘴位于所述基片上方；将注射泵设定好流量并打开注射泵，让注射泵将注射器中的墨水驱动到所述超声换能片的表面；打开所述超声换能片的控制器开关，让墨水通过振荡形式形成气溶胶，所述气溶胶在出气口气流的驱动下向下流出，待喷嘴下方有液体沉积后，在控制电脑上设置好二维移动平台的移动速度，并载入打印路径程序，点击运行，二维移动平台按既定路线运动并完成自动化打印。

在本发明中，由于从所述进气孔通入了气体，所述气体经过所述空腔从靠近所述通孔设置的出气孔喷出并形成聚焦气流，所述气溶胶会在聚焦气流的驱动下远离气溶胶打印装置的内壁，可有效避免气溶胶在壁面的沉积，并且所述气溶胶会在聚焦气流的驱动下变得更加集中，从喷嘴喷出时更加均匀，从而可有效提高打印精度和墨水利用率。

下面以采用本发明所述的气溶胶印刷法和旋涂法制备的有机太阳能电池器件为例，对本发明做进一步的解释说明，具体实施过程如下：

实施例1

印刷空穴传输层(HTL)：

用移液枪量取0.5ml的PEDOT:PSS溶液，与乙醇、去离子水按照2:7:1体积比例混合，密封后超声振动10～20min，使其充分混合；

提供本发明所述的气溶胶打印装置，使用注射器吸取HTL溶液，连接特氟龙管以及换能片，在清洗好的基片上印刷PEDOT:PSS溶液，供液流量为300μl/min，载气流量为3L/min，基板移动速度为3mm/s；

150℃的温度下退火10分钟，得到PEDOT:PSS薄膜。

通过气溶胶印刷法制备的HTL和通过旋涂法制备的HTL的AFM形貌表征如图6a所示。从图6a中可以看出气溶胶印刷法和常规旋涂法制备的HTL薄膜，其形貌接近。

实施例2

印刷活性层(active layer)：

称取5mg的聚合物PTQ10和6mg的小分子Y6-BO，混合后溶解在1.375ml的邻二甲苯(o-xy)中，得到浓度为8mg/ml的活性层溶液；

提供本发明所述的气溶胶打印装置，使用玻璃注射器吸取活性层溶液，连接特氟龙管以及换能片，在旋涂40nm厚的PEODT:PSS的基片上印刷活性层溶液，供液流量为70μl/min，载气流量为2L/min，基板移动速度为3mm/s；100℃的温度下退火10分钟，得到100nm厚度的PTQ10:Y6-BO薄膜。

通过气溶胶印刷法制备的活性层和通过旋涂法制备的活性层的AFM形貌表征如图6b所示。从图6b中可以看出气溶胶印刷法和常规旋涂法制备的活性层薄膜，其形貌接近。

实施例3

印刷电子传输层(ETL)：

ETL：称取一定0.6mg的PDINO材料溶于2ml无水乙醇溶剂，密封后搅拌，使其充分溶解，所得给体溶液浓度为0.3mg/mL。

提供本发明所述的气溶胶打印装置，使用注射器吸取活性层溶液，连接特氟龙管以及换能片，在旋涂40nm厚的PEODT:PSS的基片上印刷活性层溶液，供液流量为200μl/min，载气流量为2L/min，基板移动速度为3mm/s；得到10nm厚度的PTQ10:Y6-BO薄膜。

通过气溶胶印刷法制备的ETL和通过旋涂法制备的ETL的AFM形貌表征如图6c所示。从图6c中可以看出气溶胶印刷法和常规旋涂法制备的ETL薄膜，其形貌接近。

实施例4

在实施例1-实施例3制备的薄膜，包括气溶印刷活性层、全气溶胶印刷的薄膜，在4.6×10^-4pa的蒸镀腔中，以

的速率蒸镀20nm，

的速率蒸镀80nm的Ag作为电极。

对通过气溶胶打印法制备有机太阳能电池器件以及通过旋涂法制备有机光活性层的太阳能电池器件分别进行了性能测试，器件的电流密度-电压曲线如图7所示。从图7中可以看出采用气溶胶印刷活性层制备活性层的器件，其光电转换效率最高达到15.65％略高于旋涂法制备的最佳效率(15.36％)，全气溶胶印刷的器件效率达到14.78％。

综上所述，本发明提供的气溶胶打印装置结构简单、成本低，绝大部分结构可以通过3D打印获得，便于拆卸、组装。本发明装置在打印过程中，气溶胶会在聚焦气流的驱动下远离气溶胶打印装置的内壁，可有效避免气溶胶在壁面的沉积，并且所述气溶胶会在聚焦气流的驱动下变得更加集中，从喷嘴喷出时更加均匀，从而可有效提高打印精度和墨水利用率。本发明各个结构均有良好的可替换性，根据不同的需求，可分别改变聚焦通道或喷嘴来改变雾斑的形状和尺寸，以适应各种墨水和基底。本发明对工作环境和设备的要求低，易于实现，装置制备周期短、制备难度低。同时，启动所需的墨水量低，对墨水有较高的利用率，适用于昂贵墨水的打印，能够极大地节约成本。并且能够实现自动化大面积连续打印，能够在物理喷嘴无法达到的基底表面进行喷涂打印，重复性好，打印效果可控。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种气溶胶打印装置，其特征在于，包括上表面设置有安装槽的筒体，以及设置在所述安装槽上的超声换能器，所述超声换能器包括底部设置有若干个开孔的超声换能片，所述安装槽的底部设置有通孔，所述筒体的内部设置有下宽上窄的半球形曲面，所述半球形曲面的底端与所述筒体内部密封连接，且所述半球形曲面的顶端与所述通孔连通，所述安装槽与所述半球形曲面之间形成空腔，所述筒体的侧面设置有与所述空腔连通的进气口，所述半球形曲面靠近所述通孔的位置设置有若干个出气孔。

2.根据权利要求1所述的气溶胶打印装置，其特征在于，所述出气孔为2n个，n为大于等于1的整数，2n个所述出气孔均匀分布在所述通孔的周围。

3.根据权利要求1所述的气溶胶打印装置，其特征在于，所述安装槽为上端开口的圆形凹槽，所述通孔的直径小于所述圆形凹槽的开口直径。

4.根据权利要求1所述的气溶胶打印装置，其特征在于，所述筒体的上表面还设置有供液通道。

5.根据权利要求1所述的气溶胶打印装置，其特征在于，所述超声换能器还包括与所述超声换能片电连接的控制器和电源。

6.根据权利要求1所述的气溶胶打印装置，其特征在于，所述筒体的下端连接有聚焦通道，所述聚焦通道的下端连接有喷嘴。

7.根据权利要求1-6任一所述的气溶胶打印装置，其特征在于，还包括用于将墨水注入到所述超声换能片上的主动供液系统，所述主动供液系统包括依次连接的注射器、注射泵以及供液管。

8.根据权利要求1-6任一所述的气溶胶打印装置，其特征在于，还包括与所述进气口连通的主动供气系统，所述主动供气系统包括依次连接的气源存储罐、流量阀以及气管。

9.根据权利要求6所述的气溶胶打印装置，其特征在于，还包括位于所述喷嘴下方的二维移动平台。

10.一种基于权利要求1-9任一所述气溶胶打印装置的打印方法，其特征在于，包括步骤：

向所述进气口通入气体并设定气流量；

向所述超声换能片上注入墨水，启动所述超声换能器使所述墨水通过振荡形式形成气溶胶，所述气溶胶在气流的驱动下完成打印。

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