Струйная печать токопроводящими составами сначала интересовала разработчиков, сегодня – производителей, завтра – пойдет в тираж. Знакомство стоит начать с чернил. Для того, кто знаком с сольвентом, УФ, термотрансфером ничего сложного нет.
По прогнозам рынок напечатанной электроники ожидает значительный рост (до 48,2 млрд. долларов США к 2017 году), рост, который будет распределен между потенциальными приложениями (дисплеи, фотогальванические элементы, RFID, датчики, модули памяти и печатные платы).
Струйная печать электронных компонентов теоретически на слуху, но на практике она оказывается лицом к лицу с целым рядом проблем технических проблем. Производителям придется пройти еще некоторый путь в своих разработках и в первую очередь разобраться с электропроводящих чернил, их высушиванием и спеканием (термосвариванием, агломерированием, обжигом).
С технической точки зрения, струйная печать является альтернативным методом, который конкурирует с традиционными технологиями производства полупроводников (фотолитография, вакуумное напыление и т.д.), но она предлагает явные преимущества, особенно в производстве специализированных продуктов или в работе с гибкими или чувствительными субстратами (благодаря бесконтактному нанесению).
Значительно более низкие первоначальные затраты на оборудование и обслуживание, экономное расходование материалов и чернил в печатных технологиях drop-on-demand — все это существенно повышает рентабельность производства. Несмотря на это, струйная печать еще далека от того, чтобы стать основой электронной промышленности, даже при повышении доступности электропроводящих печатающих составов.
Токопроводящая химия
Важнейшая составляющая чернил для печати электроники это, собственно, проводящий материал. В дополнение к проводящим полимерам, используются металлоорганические соединения, металлические и металл-оксидные наночастицы, и другие металлические продукты, а также различные углеродные материалы. Немаловажна и жидкость-основа. Скорее это должен быть сольвент на базе ацетата, гликоля, циклогексанона, NMP, MEK и др. Водные системы или УФ-формулы пробуют гораздо реже для этого типа чернил.
Формула таких чернил обязательно должна учитывать не только их химический состав, но и их реологические параметры (например, вязкость, поверхностное натяжение, увлажняющие свойства и т.д.) с тем, чтобы гарантировать пригодность к печати и стабильность при хранении (осаждение и т.д.). В формулу также должны быть включены различные адгезивные добавки (например, смолы), способные обеспечить достаточную механическую стабильность напечатанной пленки.
Хотя возможны различные варианты формул, среди коммерческих чернильных систем наиболее явна тенденция к составам с металлическими и металл-оксидными наночастицами. Самое широкое применение нашли составы с серебряными наночастицами, особенно учитывая, что в результате спекания образовавшаяся пленка показывает хорошую проводимость и устойчивость к окислению. Однако высокая цена чернил имеет решающее значение для широкого распространения этих систем (они содержат от 20 до 80% по весу серебра). Это одна из причин, почему многие международные исследования фокусируется на меди и никеле. Здесь другая проблема. Хотя эти краски имеют хорошую проводимость, их практическому использованию до сих пор мешают реакции окисления и процессы диффузии.
Процессы сушки и спекания
Проводимость напечатанного слоя определяется, в первую очередь, основным проводящим компонентом чернил. Жидкостная основа, регулятор вязкости и другие составляющие должны быть удалены при последующей сушке. Для чернил с наночастицами требуется более интенсивное тепловое воздействие, необходимое как для достижения термосваривания (спекания) наночастиц, так и попросту для высыхания красочного слоя. Шаг «спекания» необходим для высокой конечной проводимости. Он может быть выполнен термически (часто от 200 до 300 ° C) с помощью лазера, давления, микроволнового облучения или плазменной обработки. Следует помнить, однако, что спекание очень во многом зависит от условий технологического процесса, т.е. многое зависит от температуры и продолжительности воздействия, размера и формы частиц, толщины печатного слоя и т.д.
Процесс термосваривания представлен схематически на рисунке 1, изображение с электронного микроск
опа на рисунке 2а.
Технические проблемы
Несмотря на накопленные знания о химии чернил, достичь создания морфологически и геометрически идентичных структур в струйной печати по-прежнему проблематично. Подобная идентичность присуща кристаллическим структурам а в печати мы получаем каплевидные. Кроме того всем печатникам знакома проблема разбрызгивания. Для практического использования важно, чтобы отпечатанный проводник имел однородную структуру с минимумом лакун (пустот), имел гладкую поверхность и четко определенные края (см. рис 2, б). Только так можно добиться стабильной и повторяемой электропроводности и избежать перегрева проводника (в местах дефектов сопротивление будет иным). Проблемы эти комплексные и не случайно, что решением может стать например использование подложек с гидрофильными и гидрофобными областями. Такой носитель будет со своей стороны управлять поведением чернил. (Здесь можно вспомнить формы в офсетной печати, к пробельным местам которых не пристает краска – чем не аналог).
Не менее важно иметь возможность оптимизировать струйные принтеры для применения в производстве электроники. Нужно достичь удовлетворительной точности позиционирования капель, посылаемых головкой, а также равномерного распределения массы капли.
В целом предстоит проделать значительный объем исследований и разработок прежде чем будут найдены комплексные решения всех проблем. И тогда струйная печать будет в состоянии конкурировать с традиционной технологией полупроводников.
Источники:
• Printed electronics – Inks and the technical challenges// Durst news for the science and application of inkjet printing — Issue 77 — October 2011
• Nir, M. M.; Zamir, D.; Haymov, I.; Ben-Asher, L.; Cohen, O.; Faulkner, B.; de la Vega, F. „Electrically Conductive Inks for Inkjet Printing“ in: Magdassi, S. (Ed.) „The Chemistry of Inkjet Inks“, World Scientific, 2010.
• Subramanian, V. „Printed Electronics“ in: Magdassi, S. (Ed.) „The Chemistry of Inkjet Inks“, World Scientific, 2010.
• Shridar, A.; Blaudeck, T.; Baumann, R. R. „Inkjet Printing as a Key Enabling Technology for Printed Electronics“, Sigma Aldrich Material Matters, 6 (1), 12, 2010.
• Magdassi, S.; Grouchko, M.; Kamyshny, A. „Copper Nanoparticles for Printed Electronics: Routes Towards Achieving Oxidation Stability”, Materials, 3, 4626, 2010.
• Wolf, S.; Feldmann, C. „Cu2X(OH)3 (X = Cl-, NO3-): synthesis of nanoparticles and its application for room temperature deposition/printing of conductive copper thin-films”, Journal of Materials Chemistry, 20, 7694, 2010.
• Tobjörk, D.; Osterbacka, R. „Paper Electronics“, Advanced Materials, asap, 2011.
