喷墨导电墨水的组成

喷墨导电墨水的应用特点

喷墨导电墨水的打印与烧结

喷墨导电墨水的前景与展望

印刷电子材料的发展促进了与其相关的专用工业的形成、发展与进步。而微电子技术的发展对印刷电子材料的生产提出了更高的要求,进一步向高密、细导线、多层、高可靠性、低成本、短周期和自动化连续生产的方向发展。目前国外许多新兴企业和知名公司都对薄膜印刷电子产业给予了极大的关注。在美国、日本、德国及韩国等发达国家的带动下,国际上兴起了研发可应用于喷墨打印的金属微粒导电墨水的热潮。属于薄膜印刷电子材料的喷墨导电墨水平版印刷，将主要应用于正在高速发展的无线射频识别标签（RFID）、PCB线路板及柔性印刷电路板（FPCB）之中；此外，也可用于印刷电磁波屏蔽材料、显示电极和太阳能光伏电池等方面。相对于传统印刷电子工艺，喷墨导电墨水的出现为RFID天线及PCB线路板提供了一种极具优势的制作方式，其市场份额有望在2010年达到100亿美元。据报道，国内外很多科研机构均已制备出成熟的喷墨导电墨水油墨，其中大部分都是基于纳米银的喷墨导电墨水。美国MicroFab公司是相关领域的专业设备公司，在相关方面有多年的研究。

喷墨导电墨水的组成

喷墨导电墨水一般属于水基或醇基墨水，其组分是纳米银微粒、溶剂（水或醇类）、表面活性剂、分散稳定剂和其他助剂。制备喷墨导电墨水，首先需要得到纳米银乳液。一般是在低浓度下制备出小粒径的银微粒，干燥后重新分散，得到高浓度的银微粒悬浮液。纳米银是导电墨水的主要成分，其浓度的高低是一个非常关键的问题，因为它关系到能否实现良好的导电能力以及能否顺利打印。如果含银墨水的浓度较大，使用这种材料进行精细喷墨时，其在高浓度低黏度条件下具有快速沉淀的趋势。在高浓度、微粒极小的情况下，微粒到微粒间的距离变得非常小，这就很难阻止结块现象的出现。相同重量的微粒形成直径为10nm悬浮物的数目比形成直径为1μm悬浮物的数目要多100万倍。所以在较高浓度下，纳米银微粒的分散稳定技术是使喷墨导电墨水成为成熟产品的关键技术。

调整银微粒的直径、表面改性方法以及墨水配方可以使其分散稳定性得到提高。纳米银微粒也可以分散到乙醇中，以使它与二甘醇或与乙二醇系统产生亲和性，形成醇基分散液。目前，各公司喷墨导电墨水产品的银含量一般在10%～30%（质量分数）之间。在得到稳定分散的高浓度低粒径的银悬浮液后，需要对其进行喷墨参数的调整。喷墨墨水需要满足4个主要参数：pH值（7～9）、黏度（1～4cP）、电导率（1000～4000μs/cm）和表面张力（20～40mN/m）。通过加入pH调节剂、表面活性剂和保湿剂等助剂后现状及趋势，即得到了喷墨导电墨水。

喷墨导电墨水的应用特点

一般而言，小于100nm的银微粒称之为纳米银。当银微粒的直径达到这个尺度时，提高具有较高能量的表面原子的相对比例，会使材料性能呈现一定的突变，这种变化可以表现为如烧结能力特性的改变；或由于禁带宽度改变引起的电磁性能变化而造成电学性质或光学性质的巨大变化网屏，例如颜色和透明度的变化。对于纳米银来说，其性能变化的临界点与微粒直径有关，当微粒直径小于50nm时，其低温（小于200℃）时的烧结性能就会产生明显的增强，熔点可降至120～200℃。喷墨导电墨水就是利用了纳米银微粒低熔点的特性发展史，从而能够在塑料基材、甚至纸基上实现打印和烧结过程，得到性能优良的导电层。对于喷墨导电墨水使用的纳米银来说，一般是在高分子保护剂的作用下，通过液相化学还原法制备得到。纳米银通常有三种形态：球形、三角片形和立方体形，其中前二者比较常见。喷墨导电墨水大多使用球形纳米银，也有少数采用三角片形纳米银。 由于含有微小微粒，喷墨导电墨水有点类似颜料型喷墨墨水。因此，墨水中的固体微粒必须满足一定要求：银微粒的最大直径应小于喷口直径的1/10，以避免桥连和阻塞现象，考虑到喷口形状和运行次数等因素方正，这个比率实际上应该更小。目前，许多公司的喷墨导电墨水的银微粒直径一般在20～50nm。这种尺度的银微粒，既具备低熔点特性，又满足了喷墨打印对固体微粒尺寸的要求。

喷墨导电墨水的打印与烧结

喷墨打印机有两种主要的喷墨方式：连续喷墨和按需喷墨。在连续喷墨过程中，墨滴束通常由压电器件产生的压力脉冲通过一个小孔喷出色彩，随后保存在一个储墨盒中。墨滴束可以进行静电偏转，使墨滴喷到基板上的某个区域。这种连续喷墨方法常用来对迅速移动的食品包装进行高速的标识打印，这种方式得到的成像精度一般比按需喷墨方式要低。按需喷墨系统可以使用压电式或者热发泡喷墨头。虽然在一般情况下压电式喷墨系统的精度要低于热发泡喷墨系统的精度，但由于热发泡喷墨系统在喷射墨水时的温度变化剧烈，所以相比之下压电式喷墨系统在工业应用中更受重视。喷墨导电墨水需要经过打印-烧结的过程承印材料，所以通常采用压电式打印。

喷墨印刷得到的导电层的厚度一般在1μm左右，在120～200℃下烧结5～30分钟，并且将小分子的稳定剂等杂质除去，就可形成银-银微粒间的有效导电，得到连续的导电层。这个工艺温度比传统的银的熔点温度961℃低了很多。直径为10nm的银微粒的表面/体积比要比直径为1μm的银微粒的表面/体积比大1万倍，由此提高了具有较高能量的表面原子的相对比例。

经过烧结处理的银导电层的厚度一般仅为传统印刷方式得到导电层厚度的十几分之一，而导电性却可以和其相媲美，在节约资源和保护环境方面具有很大优势。目前，烧结后银导电层的电阻率可以达到2.4×10-5Ω·cm，表面电阻可达0.1Ω/□（□为方块电阻印刷工艺，指一个正方形的薄膜导电材料边到边之间的电阻，方块电阻的特性为任意大小的正方形边到边的电阻都是一样的，仅与导电膜的厚度等因素有关）以下，完全可以满足RFID天线及PCB线路板等方面的应用需求。

喷墨导电墨水的前景与展望

目前喷墨导电墨水技术还存在一些缺陷。英国研究人员指出,导电墨水与用于传统电路板上的铜丝相比电阻较大,这意味着其无法高效传输非常强的电流。因此在某些情况下,这样的大电流传送需求,使得导电墨水制作的导电线路可能需要依赖进一步的化学镀或电镀。与此同时,喷墨导电墨水对于制造可以从事一些智能操作的电路并不实用,因为用墨水制造与硅芯片上同样密集的电路还不可能,所以一个采用导电墨水制备的计算器体积肯定会特别巨大。

尽管还存在着一些问题，但喷墨导电墨水拥有广阔的发展潜力是显而易见的。并且喷墨印刷方式有望作为一种温和的加工工艺来实现高精度图像的加工和导电层厚度的控制，可在不同类型的基材上进行低温电路板工艺的开发。喷墨导电墨水的另一个应用方向是对产品表面进行处理和修饰，包括打印图案、商标和文字介绍等。这种修饰不仅仅是视觉方面的，导电墨水将来可以发展成为功能性的开关或电极。例如，美国一些盲人或老年人看的报纸就是用银导电墨水印刷的,手摸上去可以发声。 喷墨导电墨水在RFID天线，PCB线路板和其他如显示电极组件等方面的巨大应用潜力，使得它代表了薄膜印刷电子材料、甚至整个印刷电子产业的发展方向，有望成为未来改变人类生活方式的前沿技术。