涨知识:喷墨打印用导电油墨的发展现状


  导电油墨是热塑性粘性糊状物,其通过灌输导电材料来导电。导电油墨的传统功能是产生用作互连的导电路径。具体而言,导电油墨是导电纳米材料的悬浮液,其在水或溶剂介质中添加表面活性剂或用作稳定剂的聚合物。这些溶剂必须在沉积后快速蒸发,但在打印头喷嘴处不会在短时间空转时快速干燥。为了获得导电油墨的高导电性,通常引入导电纳米材料;这些纳米材料的尺寸应小于数百个喷嘴尺寸,以避免堵塞打印头。理想的导电油墨应该便宜,制备简单并且提供良好的可印刷性,低粘度,良好的稳定性,对基材的良好粘附性,印刷和印刷后加工后的高导电性,以及在基材表面以优先致密的方式干燥没有咖啡环效果。

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  这里主要介绍下到导电油墨的分类及发展现状。

  石墨烯基墨水

  碳纳米材料为印刷和柔性电子产品提供了多种可能性。由于其有前途和非凡的性能,石墨烯已广泛用于印刷电子产品的制造。石墨烯导电油墨有可能通过替换金属油墨,导电聚合物油墨和其他碳材料油墨来改变印刷导体领域,同时降低生物危害和生产成本。

  Huang等人报道,使用水溶性单层氧化石墨烯(GO)和多层GO(FGO)的一系列喷墨印刷工艺已印刷在不同的柔性基材上。基于这些发现,在聚酰亚胺(PI)基板上的25个印刷层之后,GO和FGO的电导率分别为5.0*102S/ m和9.0*102 S /m。根据Huang等人的研究,与FGO相比,印在PI上的GO的低电导率可归因于GO样品中含有大量氧的基团(图1)。2017年,Pei和Li通过使用超声波将GO以1:1:1的比例分散在去离子水,乙醇和乙二醇的混合溶剂中来制造GO油墨。将制备的油墨喷墨印刷到聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET)基材上,20个印刷层后的导电率为0.497S / m。他们还使用氧等离子体处理研究了经处理和未经处理的PET的电性质。结果表明,在相同数量的印刷层处理的PET的导电性比未处理的PET的导电率显着提高。

  图1 (a)PI基板上的印刷图案的照片向外弯曲了近75并且(b)印刷图案在PI上的电导率与印刷数量的函数

  据研究表明,科学家已经使用超声作为混合方法和喷墨印刷作为制造方法成功地合成了基于各种类型的石墨烯类材料的石墨烯油墨。并且使用GNP,GO和rGO作为填料制备大多数基于石墨烯的油墨。根据研究结果,我们可以观察到印刷层数,退火温度和基材类型影响印刷薄膜的电性能。然而,印刷石墨烯膜的较高退火温度和较长退火持续时间限制了聚合物基板用于制造柔性印刷电子器件的用途。

  基于导电纳米材料的油墨

  金纳米粒子(AuNPs)被称为最稳定的金属纳米粒子,并且已经用于印刷高导电元素。AuNPs的独特性质使其可用于各种应用,例如着色剂,金属涂料,电子,光学和化学催化。然而,用于大规模生产的AuNPs的高成本已经超过了它们在电子应用中的优点。除此之外,它们需要高烧结温度和长烧结时间。Cui等人报道,由两个重叠的聚(N-乙烯基吡咯烷酮)(PVP)和丙烯酸树脂(AR)保护的AuNP油墨,50个印刷层在500度烧结 3小时的电导率为0.8*105 S / cm(图2)。同时,Schoner等人报道了在280度下烧结10分钟的玻璃基板上印刷的金结构的电导率为1.9×10 9 S/ m。对于平行宽度为260μm的平行结构和平行边缘,证明了其可印刷性。

  图2 示意图(a)显示AuNP油墨制备的步骤和(b)AuNP油墨的印刷程序图和印刷在纸和投影膜上的样品图案

  银纳米粒子(AgNPs)是另一种用于柔性电子器件的有前途的纳米材料。到目前为止,基于AgNP的油墨代表了最重要的商业纳米技术衍生产品,也是世界上研究最广泛的油墨,而不是石墨烯。然而,AgNPs的主要问题是印刷薄膜必须在高温下烧结以获得优异的导电性。以前的研究人员已经意识到,由于玻璃化转变温度低,200℃以上的烧结温度与PEN和PET等柔性聚合物基材不相容。

  基于导电聚合物的油墨

  聚合物导电油墨种类较多,它们成本低并且不需要烧结工艺,其中起代表作用的是聚苯胺(PANI),聚吡咯(PPy),聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)等。

  在这主要介绍下PEDOT。PEDOT:PSS是聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)的聚合物混合物。PEDOT:由于其水分散性,良好的导电性和优异的加工性,PSS也被认为是技术上最有前途的导电聚合物之一。原始PEDOT:PSS分散体的电导率小于10S/ cm,并且可以通过用诸如乙二醇的化合物的后处理来改善。

  石墨烯-导电材料混合墨水

  最近,通过添加金属纳米颗粒或导电聚合物来改善石墨烯的原始性质的石墨烯混合油墨的研究已经被广泛研究用于特定的电子应用。基于自2014年以来报道的石墨烯混合油墨的文献综述,对于一些柔性电子应用,一些石墨烯混合油墨的电导率仍然被认为是非常低的。据报道,电导率在0.29-2.0×103 S / cm的范围内。研究人员使用的退火温度在100-225度范围内。因此,在用于实际应用并作为石墨烯基油墨和其他导电材料基油墨的替代品之前,仍需要做一些努力来改善电性能和退火温度。

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