《Progress in Organic Coatings》：基于UV固化和IPL燒結(jié)的無需熱處理的高性能印刷電極

文獻(xiàn)摘要：

我們開發(fā)了柔性和紫外線固化電極，通過兩種光工藝提高了電導(dǎo)率。現(xiàn)有的微粒電極耐久性較差。在這項(xiàng)研究中，我們通過使用納米銀粒子促進(jìn)紫外線透射來提高電極的耐久性，并使用光子燒結(jié)工藝作為后處理工藝來提高電導(dǎo)率。該方法制備的UV固化納米銀膏的配方在橫切膠帶測(cè)試中沒有問題，且具有優(yōu)異的鉛筆硬度(>3H)。電阻率為2.76×10?5Ω?cm，在曲率半徑為3mm的條件下重復(fù)測(cè)試5萬次，電阻變化率<1%。當(dāng)我們制作了12個(gè)帶有LED安裝和彎曲的電極圖案時(shí)，我們確認(rèn)亮度沒有變化。最后，由于聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯是一種低溫基材，即使在工藝完成后也沒有損壞，因此膏體和工藝即使在低溫工藝中也表現(xiàn)出足夠的性能。

文獻(xiàn)介紹：

印刷電子產(chǎn)品是指使用具有導(dǎo)電性、絕緣性和半導(dǎo)體性能的功能性油墨印刷或涂覆在各種基材(塑料、薄膜、紙張和玻璃)的方法制成的電子電路或電子產(chǎn)品。除了現(xiàn)有的剛性基板外，印刷電子產(chǎn)品還可以印刷在薄膜上，因此可以應(yīng)用于需要電極電路的柔性顯示器或電子元件。印刷工藝可分為接觸式法和非沖擊式法。接觸印刷方法包括絲網(wǎng)印刷、壓板印刷、平卷印刷和卷對(duì)卷印刷，而噴墨印刷是一種常見的非沖擊印刷方法。印刷電子是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢砸缘统杀旧a(chǎn)電子電路，在薄而小的物體上制造電子電路，并實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好的制造。

在印刷電子產(chǎn)品中，我們使用由材料制成的特殊墨水(粘貼)來形成電子電路，并使用噴墨打印機(jī)或?qū)訅簷C(jī)在目標(biāo)物體上打印設(shè)計(jì)的電路圖案是該過程的核心。因此，我們可以說打印機(jī)或?qū)訅簷C(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和專用油墨的制造是印刷電子技術(shù)的中心。在特種膏體中，紫外光固化膏體具有混合變化范圍廣、能耗低、固化快、可應(yīng)用于易受熱基材、優(yōu)化能耗和生態(tài)友好等優(yōu)點(diǎn)。在UV固化過程中，我們使用了一種由光引發(fā)劑引發(fā)并交聯(lián)的環(huán)保聚合物。

在這項(xiàng)研究中，我們開發(fā)了一種具有優(yōu)異導(dǎo)電性和柔性特性的紫外光固化電極。我們使用了非沖擊絲網(wǎng)印刷工藝和低成本的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為基材，它在加熱時(shí)易于延展性和彎曲。正如之前的研究表明，采用熱燒結(jié)方法在PET襯底上印刷銀電極，增加了工藝時(shí)間和溫度，同時(shí)降低了電阻。然而，這種方法破壞了基材，增加了工藝成本。為了解決這些問題，采用了輕燒結(jié)的方法，在較低的溫度和較短的時(shí)間內(nèi)降低了電阻。

對(duì)于構(gòu)建粘合層的樹脂，我們使用了環(huán)氧丙烯酸酯，它具有長(zhǎng)鏈，可以賦予電極柔性特性，并對(duì)基材具有優(yōu)異的粘合強(qiáng)度。我們開發(fā)了一種配方，使用兩種不同直徑的微片狀銀顆粒和納米銀來獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性。我們之所以沒有在微銀顆粒中使用微球型，是因?yàn)榇蟛糠诸w粒為高溫?zé)Y(jié)型;當(dāng)這些顆粒在低溫下使用時(shí)，由于混合了樹脂，銀顆粒之間的接觸面積變小，因此電導(dǎo)率測(cè)量不好。因此，我們選擇顆粒間接觸面積大的微片狀銀顆粒，制備大直徑和小直徑兩種類型，通過不同直徑的紫外光穿透率來檢測(cè)固化程度。此外，在使用非常小的納米銀顆粒后，我們比較了使用微銀顆粒時(shí)固化程度的差異，并進(jìn)行了光子燒結(jié)工藝作為后處理工藝。光子燒結(jié)是利用氙燈照射電極表面，將氙光反射到反射板上的過程，適用于燒結(jié)金屬納米顆粒。結(jié)果表明，對(duì)于粒徑較大的片狀銀電極，由于固化不良，粘接強(qiáng)度不佳，電阻率(3.27×10?3Ω?cm)較高。采用粒徑較小的片狀銀電極時(shí)，固化效果好，粘接強(qiáng)度好，但電阻率較高(3.9×10?4Ω?cm)。最后，在納米銀的情況下，我們沒有測(cè)量紫外線固化后的電阻，但以750J/cm²能量光燒結(jié)的電極顯示出最優(yōu)異的電阻率(2.76×10?5Ω?cm)，并且粘接強(qiáng)度和鉛筆硬度(>3H)也很好。大多數(shù)研究往往忽略了進(jìn)行單獨(dú)的電極-襯底粘附試驗(yàn)。當(dāng)我們驗(yàn)證以這種方式制作的電極的柔性特性時(shí)，以3mm的曲率半徑重復(fù)5萬次后，電阻變化率<1%。

圖1所示。制造工藝示意圖:(a)絲網(wǎng)印刷，(b)UV固化，(b-1)聚合，(c)光子燒結(jié)

與先前研究中使用的電極相比，在經(jīng)過1000次重復(fù)測(cè)試后，使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)證實(shí)電極表面出現(xiàn)了許多裂紋，而現(xiàn)有電極表面幾乎沒有裂紋;因此，由于精確測(cè)量了粘合劑的優(yōu)異柔韌性和粘附性能，幾乎沒有增加阻力。當(dāng)我們?cè)诎惭b了12個(gè)led并彎曲的圖案上打印后，視覺上觀察亮度的變化，我們發(fā)現(xiàn)沒有變化。工藝完成后，我們確認(rèn)PET基板沒有熔化或損壞，因此驗(yàn)證了在低溫下是可行的工藝。

圖2所示。UV固化（a）和(b)光子燒結(jié)后納米銀基電極的電阻

文獻(xiàn)結(jié)論：

對(duì)于光固化膏體，我們可以確認(rèn)固化程度是根據(jù)填料的大小來決定的。通過選擇三種不同直徑的銀顆粒進(jìn)行測(cè)試，納米銀的導(dǎo)電性最好。然而，由于電阻不能在UV固化后立即測(cè)量，我們必須執(zhí)行光子燒結(jié)過程作為后處理。我們首先通過穿透紫外線固化后，通過光子燒結(jié)工藝擴(kuò)大了電導(dǎo)率，并通過使用長(zhǎng)鏈環(huán)氧丙烯酸酯樹脂賦予電極柔性性能。我們利用流變特性開發(fā)了一種適合絲網(wǎng)印刷的漿料，并將其印刷在剛性基材(玻璃、PET)上，并測(cè)量了電極的耐久性(橫切膠帶測(cè)試、鉛筆硬度)。結(jié)果表明，鉛筆硬度達(dá)到3H以上，粘接強(qiáng)度也很好。由于PET是低溫基板，加工后沒有損壞，因此可以在低溫下進(jìn)行。為了驗(yàn)證其高耐久性和優(yōu)異的電阻率(2.76×10?5Ωcm)，我們通過FT-IR峰分析觀察了低聚物反應(yīng)堿的變化，并通過SEM和FIB觀察了電極的表面和截面?？紤]到C—C鍵合的減少，紫外光固化性能優(yōu)異，因此在測(cè)量時(shí)電極的耐久性很好。此外，由于光子燒結(jié)過程的有機(jī)物質(zhì)蒸發(fā)和納米銀的燒結(jié)不僅在電極表面而且在電極內(nèi)部都表現(xiàn)優(yōu)異，因此在測(cè)量時(shí)電導(dǎo)率優(yōu)異。最后，我們進(jìn)行了彎曲測(cè)試和LED測(cè)試，驗(yàn)證了優(yōu)異的導(dǎo)電性和柔性特性，同時(shí)我們進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)試(50,000次)，曲率半徑為3mm，電阻變化率<1%。由于LED圖案彎曲到5毫米的曲率半徑，由于暴露在測(cè)量設(shè)備上的LED數(shù)量減少，12個(gè)LED的亮度從81 lx下降到55 lx。因此，證實(shí)了柔性是可以驗(yàn)證的，并且導(dǎo)電性能優(yōu)異。在上面，我們完成了一種低溫型和紫外光固化銀膏的開發(fā)，使具有優(yōu)異導(dǎo)電性的柔性電極的快速制造過程成為可能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.107497