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近年来，喷墨打印技术由于可以在柔性基材上制备低成本、轻重量和快速成型电子器件，而越来越受到关注。在电子印刷领域有很多种工艺，如喷墨印刷，丝网印刷，气溶胶喷射，柔印和凹印。其中，喷墨印刷技术被认为是一种最精密的微分配工艺，在喷墨印刷技术中，不同种类的油墨通过微米级喷射装置（喷嘴）沉积在基材上并形成图案。

在喷墨技术中，喷射性能必须得到精确控制，以适用于多种应用。因此，在印刷电子设备中，必须很好地控制几个参数约束，以增强它们的电控制作用。除制备窄、均匀、平滑的直线此外，具有小特征的高密度集成电路更需要高分辨率印刷。为了使用喷墨技术来打印稳定的线条，单个液滴被打印在承印物上，以便它们合并。这些液滴必须保持稳定并且能够形成连珠，直到变成固化成线。为了增加器件的性能，印刷出的导电线必须均匀且宽度狭窄。以前的工作考虑的是油墨特性对滴形的影响，而不是波形的影响。这些研究大多集中在对承印物进行处理以提高印刷质量，而忽略了喷嘴形成油墨的过程以及喷射液滴在承印物上的行为。压电式喷墨印刷是一种精度更高应用更广的工艺，用于沉积各种纳米材料。此外，印刷液滴在承印物表面的扩散行为必须得到很好的控制，以获得最佳的印刷质量。因此，美国莱特州立大学Ahsan Mian课题组通过使用MicroFab的Jetlab®4xl喷墨打印系统对波形电压进行了相关研究，改变压电驱动器的脉冲波，以产生最大速度、理想尺寸和形状均匀的银纳米墨滴（UTDAg），没有卫星液滴和拖尾现象。最后还研究了高速沉积对聚酰亚胺（PI膜）基板上印刷线材和液滴质量的影响，得到了具有不同液滴间距和不同级速度的均匀导电线材。

本文主要研究了标准波波形对液滴调试的影响。为了获得较好的印刷质量，液滴的形状，大小，下落速度及无卫星液滴和拖尾现象必须得以控制。为了实现这一点，课题组可以通过改变油墨的特性，如粘度和表面张力，或者改变驱动电脉冲的波形电压，以控制喷墨微滴的形成。一般，粘度比较高的墨水需要较高的电压来驱动，而且对于高粘度的油墨，产生的液滴的重量和速度都较低。这些特性同时会抑制产生卫星液滴的声波，使喷嘴喷出的液滴变得更加稳定。图1所示的Jetlab®4xl喷墨打印系统，其中配置了60μm的直径喷头，提供了三种波形电压来控制油墨液滴的形成：双极（标准波），单极（多波）和正弦波。在这项操作中，使用双极波形来控制银纳米墨水（UTDAg）的液滴形成。设置该波形时，应在有效频率处合理确定8个参数中的5个时间参数“Rise”、“Dwell”、“Fall、“Echo”和“Final rise”，以及3个电压参数“Idle”、“Dwell”和“Echo”三个电压等级，如图2所示。标准波形电压由两个方波脉冲序列的正和负与一个很长的空闲时间水平。正负电压之间较高的差值能够避免将电压推到高值，特别是当使用高粘度油墨时，需要高电压产生和喷射液滴。双极波形的负部分作为吸力来收回剩余压力，以抑制由剩余流体压力产生的卫星和韧带。根据停留时间与停留效率的关系，正的部分影响液滴形成的上升和下降部分所产生的压力波。停留效率是指增加产生的液滴速度的停留时间。停留时间改变了射流的相位压力波，停留时间与停留效率之间的差异会产生轻微的非相压力波，从而影响射流的性能。

▲ 图1 Jetlab®4xl喷墨打印系统示意图及60μm喷头

▲ 图2 标准波形参数生成液滴的原理图

为了理解停留时间和停留效率之间的关系，如图3所示的三种情况进行说明。情形（a）：当停留时间小于停留效率时，下降段产生正压力波。这个波表示到达驱动器的最大压力，然后是上升部分产生的最小压力。注意生成的液滴由图3（a）所示的两部分组成。第一部分代表主液滴，受最大正压影响较大，可能有较高的速度。液滴的第二部分代表卫星液滴，受上升时间产生的最小压力的影响更大，因此速度较慢。在这种情况下，主滴和卫星之间的合并不能发生，所以这种情况不是完美的打印。在（b）情况下，当停留时间等于停留效率时，所产生的压力波同时到达压电驱动器，压力最大，所产生的液滴均匀，喷射速度高。因此，这种情况被认为是完美的印刷。（c）当停留时间大于停留效率时，上升时间产生的负压波首先到驱动器，然后下降时间产生的负压波更强。因此，最小压力波对主液滴的影响更大。因此，它的喷射速度较低，而卫星的速度较快，因为它更受最大压力的影响。在这种情况下,会发生合并主要液滴和卫星之间形成一个液滴,所以停留时间增加会增加，这是一种有效的打印方式，因为它可以防止卫星和韧带的发生。

▲ 图3 停留时间对生成液滴的影响。（a）停留时间小于停留效率。（b）停留时间等于停留效率。（c）停留时间大于停留效率。

实验结果与分析

实验中用与台式电脑相连的Wild M400显微镜来拍摄打印线条的光学显微照片。如图5-7显示了在未经过任何表面处理的聚酰亚胺基板上分别以20mm/s、30mm/s和40mm/s底台运动速度，液滴间距分别为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm进行打印的结果。所有打印线条在实验室的烘箱中在140℃加热1小时。

▲ 图4 底台速度为20mm/s，点间距为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm进行打印的结果。

▲ 图5 底台速度为30mm/s，点间距为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm进行打印的结果。

▲ 图6 底台速度为40mm/s，点间距为50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm进行打印的结果。

实验中其他打印结果如下图所示，在此不详细列举。

结论

在本研究中，使用由Jetlab程序控制的Jetlab®4xl喷墨打印平台，在不同的喷射参数下，使用两种标准波形电压在聚酰亚胺上打印高导电性纳米银油墨线条。波形电压对喷头产生液滴的速度等有显著影响。与短时间的停留相比，长时间的停留会增加液滴的尺寸和速度。当阶速度增加时，印刷线条显示出更多的稳定性，因为它导致印刷液滴与基材接触的角度更低，并且它们在基材上扩散的时间更短。打印线条随着点间距的增加而变窄。此外，印刷线的电导率随着固化温度的增加而增加，因为固化后留下的粘合剂材料的数量在较高的固化温度下会降低，从而导致纳米银颗粒之间的接触面积增大。

参考文献：

[1] Aamir Hamad, Adam Archacki, Ahsan Mian. Characteristics of nanosilver ink (UTDAg) microdroplets and lines on polyimide during inkjet printing at high stage velocity [J].Mater. Adv., 2020, 1, 99- -107

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