CN107379804B - 一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法及打印*** - Google Patents

一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法及打印*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，包括以下步骤，首先，基板清洗、干燥：将基板放置在清洗液中，采用超声波震荡清洗基板，清洗后干燥基板；其次，薄膜打印：设置打印参数和图形，采用非接触式点喷式打印***在清洗干燥过的基板上打印，打印同时基板下部加热，打印墨水采用低温凝胶化墨水：最后，薄膜干燥：基板下部继续加热，对薄膜进行干燥。与现有技术相比，本发明解决了喷墨打印大面积薄膜时均匀性差的问题。本发明在考虑单个液滴“咖啡环”效应的基础上，采用加热打印基板的方式，使打印液滴边打印边形成凝胶化的边缘区域，阻止液滴之间流体大量流动，以实现打印薄膜整体均匀性。

Description

一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法及打印***
技术领域
本发明涉及印刷电子器件制备领域，特别是涉及一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法及打印***。
背景技术
现有喷墨打印薄膜形貌控制技术，多基于对单个液滴“咖啡环”效应的抑制，使干燥后的液滴形貌发生如图1所示的变化。在液滴三相线钉扎前提下，液滴边缘溶剂蒸发量远大于其液体体积损失量，因此溶剂从中心区域向边缘补充，形成外向毛细流，使溶质在边缘聚集，形成“咖啡环”。其调控方式多种，包括通过改变墨水成分、基板状态以及增加特殊设备，在形成的各个过程抑制以及消除“咖啡环”。(a)调控墨水化学与组成，如增加表面活性剂，十二硫醇，高沸点低表面张力溶剂，高分子凝胶，甚至改变溶质形状；(b)基板处理，如表面疏水，基板降温(17℃)，预图形化以及电润湿；(c)辅助设备，如加入带有微孔的蒸发遮板以及浸入液滴的毛细针尖；(d)快速固化，如通过光子烧结技术控制固化时间在毫秒甚至微秒级别。
对于非接触式喷墨打印，墨水粘度较低，因此针对单个液滴“咖啡环”效应抑制方法，其所调控打印图形形貌仅限于点、线。对于多液滴组成的大尺寸打印薄膜，液滴与液滴之间缺少三相线对流体流动的边界限制，如图2所示，使干燥过程中液滴间的溶质与溶剂传输成为导致薄膜最终形貌的最主要因素，受到最终获得如图3所示无“咖啡环”的非均匀形貌。这种非均匀形貌表现在两个方面：(1)薄膜厚度的不均匀；(2)局部区域功能材料浓度的不均匀性。
此外，在诸多“咖啡环”调控方法中，并非所有方法都可以用于多液滴的组合设计，如在疏水或者低表面能基板上印刷合适的图形会更加困难。本发明申请中，在考虑“咖啡环”效应控制之外，综合考虑喷墨打印条件，将有效改善大面积打印不均匀性问题。由于液滴间的溶质传输，针对单个液滴干燥后薄膜均匀性的调控方式，难以直接应用于大面积薄膜喷墨打印。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，以抑制液滴间溶质传输为出发点，兼顾单个液滴的干燥形貌，采用打印过程中墨水凝胶化的方式，最终实现大面积均匀性薄膜喷墨打印。
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之二是：提供一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法所采用的打印***，以进行大面积高均匀性薄膜喷墨打印。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，包括以下步骤，首先，基板清洗、干燥：将基板放置在清洗液中，采用超声波震荡清洗基板，清洗后干燥基板；
其次，薄膜打印：设置打印参数和图形，采用非接触式点喷式打印***在清洗干燥过的基板上打印，打印同时基板下部加热，打印墨水采用低温凝胶化墨水：
最后，薄膜干燥：基板下部继续加热，对薄膜进行干燥。
其中，低温凝胶化墨水溶剂沸点为150-200℃，粘度6-10cP，表面张力20-30 dyn/cm，烧结温度为120-200℃。凝胶化温度80-90℃，可通过0.22-0.45μm 过滤头过滤。
其中，打印时基板加热温度为50-60℃，喷头温度为30-60℃。
当预设图形为方形时，采用逐行打印墨水线，相邻墨水线相接的打印方法。
其中，基板清洗、干燥步骤具体为，将基板依次放置于多种清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡5-10min，烘干待用。
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法采用的打印***，包括基板放置位和喷嘴，喷嘴位于基板放置位的上方，基板放置位的下方还设有加热装置。
打印***还包括打印控制装置、液滴控制装置、移动控制装置和加热控制装置，打印控制装置控制液滴控制装置和移动控制装置，液滴控制装置控制喷嘴，移动控制装置控制基板放置位和加热装置一起移动，加热控制装置控制加热装置的温度
总的说来，本发明具有如下优点：
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，与现有技术相比，本发明解决了喷墨打印大面积薄膜时均匀性差的问题。本发明在考虑单个液滴“咖啡环”效应的基础上，采用加热打印基板的方式，使打印液滴边打印边形成凝胶化的边缘区域，阻止液滴之间流体大量流动，以实现打印薄膜整体均匀性。在此过程中，所选用可凝胶化墨水特点为在蒸发过程中，随温度升高，“咖啡环”效应受到抑制，因此基板加热同时有助于其单个液滴的形貌控制。
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印的打印***，在基板放置位下方设置加热装置及控制加热装置温度的加热控制装置，在打印时控制加热温度为墨水适合的温度，便于打印大面积高均匀性薄膜。
附图说明
图1为咖啡环效应中单个液滴干燥后截面形貌示意图。
图2单液滴与多液滴流体流动区别。
图3为无咖啡环效应打印方形薄膜表面形貌电镜照片。
图4本发明的一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印的打印***的结构示意图。
图5本发明的单个喷墨打印液滴凝胶化示意图。
图6本发明的垂直于打印行进方向，两相邻液滴示意图。
图7为本发明的打印方法打印出的大面积方形薄膜的表面形貌电镜照片。
其中，图4中包括：
打印控制装置1、液滴控制装置2、移动控制装置3、加热控制装置4、喷嘴5、基板6、加热装置7。
图5、图6中包括：
部分凝胶化的液滴8、完全凝胶化区域9、未凝胶化的液滴10。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，包括以下步骤，首先，基板清洗、干燥：将基板放置在清洗液中，采用超声波震荡清洗基板，清洗后干燥基板。其次，薄膜打印：设置打印参数和图形，采用非接触式点喷式打印***在清洗干燥过的基板上打印，打印同时基板下部加热，打印墨水采用低温凝胶化墨水。最后，薄膜干燥：基板下部继续加热，对薄膜进行干燥。，低温凝胶化墨水溶剂沸点为150-200℃，粘度6-10cP，表面张力20-30 dyn/cm，烧结温度为 120-200℃。凝胶化温度80-90℃，可通过0.22-0.45μm过滤头过滤。打印时基板加热温度为50-60℃，喷头温度为30-60℃。当预设图形为方形时，采用逐行打印墨水线，相邻墨水线相接的打印方法。基板清洗、干燥步骤具体为，将基板依次放置于多种清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡5-10min，烘干待用。
如图5所示为单个喷墨打印液滴发生凝胶化之前的某个中间状态，称为部分凝胶化的液滴8。图中基板8，在液滴喷墨打印与干燥过程中保持50-60℃恒温，两侧为液滴的完全凝胶化区域9。液滴发生凝胶化需要溶质达到凝胶浓度c，在基板8加热条件下液滴边缘区域溶剂蒸发速率快，溶质很快达到凝胶浓度，边缘区域流动停止，阻止流体由液滴中心位置向边缘位置迁移。在该机制作用下，产生三个对大面积高均匀性薄膜喷墨打印有利条件：(1)可凝胶化墨水在蒸发过程中，随温度升高，“咖啡环”效应受到抑制，因此基板8加热同时有助于其单个液滴的形貌控制；(2)凝胶化使液滴完全凝胶化之后，各处溶质均为凝胶浓度附近，保证了溶质浓度的均匀性；(3)液滴从边缘位置向中心位置逐步凝胶化，使相邻液滴之间流体被边界大部分阻挡，却仍有小部分流体流动用于边界区域的的修复。
如图6所示为垂直于打印行进方向，两相邻液滴示意图，基板8，部分凝胶化的液滴8，部分凝胶化的液滴8的完全凝胶化区域9；在其旁边的一滴液滴为在其后喷出的液滴，其为未凝胶化的液滴10。该状态发生于后一滴液滴刚与基板8接触并达到平衡状态，此时完全凝胶化区域9起到抑制相邻液滴之间流体流动，却仍有小部分流体流动用于边界区域的的修复的作用；基板8的温度保持50-60℃恒温，温度太低，则后一滴液滴接触基板后前一滴液滴边缘尚未充分凝胶化，温度太高则使前一滴液滴边缘凝胶化后厚度很小，以流动截止并且液滴间边界平缓时为最佳温度。
如图7所示为按照以上工艺步骤采用可凝胶化墨水在玻璃基板上喷墨打印8 cm×8cm方形薄膜。3D表面形貌照片表明，该打印薄膜各处厚度均匀性高。
如图4所示，一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法采用的打印***，包括基板放置位和喷嘴5，喷嘴5位于基板放置位的上方，基板放置位的下方还设有加热装置。打印***还包括打印控制装置1、液滴控制装置2、移动控制装置3和加热控制装置4，打印控制装置1控制液滴控制装置2和移动控制装置3，液滴控制装置2控制喷嘴5，移动控制装置3控制基板放置位和加热装置一起移动，加热控制装置4控制加热装置的温度。
总的说来，本发明具有如下优点：
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印方法，与现有技术相比，本发明解决了喷墨打印大面积薄膜时均匀性差的问题。本发明在考虑单个液滴“咖啡环”效应的基础上，采用加热打印基板的方式，使打印液滴边打印边形成凝胶化的边缘区域，阻止液滴之间流体大量流动，以实现打印薄膜整体均匀性。在此过程中，所选用可凝胶化墨水特点为在蒸发过程中，随温度升高，“咖啡环”效应受到抑制，单液滴形貌如图3所示，，因此基板加热同时有助于其单个液滴的形貌控制。
一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印的打印***，在基板放置位下方设置加热装置及控制加热装置温度的加热控制装置4，在打印时控制加热温度为墨水适合的温度，便于打印大面积高均匀性薄膜。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大面积高均匀性薄膜喷墨打印***，其特征在于：包括基板放置位和喷嘴，喷嘴位于基板放置位的上方，基板放置位的下方还设有加热装置；
将基板放置在清洗液中，采用超声波震荡清洗基板，清洗后干燥基板；设置打印参数和图形，在清洗干燥过的基板上打印，打印同时基板下部加热，打印墨水采用低温凝胶化墨水；基板下部继续加热，对薄膜进行干燥。
2.按照权利要求1所述的打印***，其特征在于：低温凝胶化墨水溶剂沸点为150-200℃，粘度6-10 cP ，表面张力20-30 dyn/cm ，烧结温度为120-200℃，凝胶化温度80-90℃，通过0.22-0.45μm过滤头过滤。
3.按照权利要求1所述的打印***，其特征在于：打印时基板加热温度为50-60℃，喷头温度为30-60℃。
4.按照权利要求1所述的打印***，其特征在于：预设图形为方形时，逐行打印墨水线，相邻墨水线相接。
5.按照权利要求1所述的打印***，其特征在于：将基板放置在清洗液中，采用超声波震荡清洗基板，清洗后干燥基板；具体为：将基板依次放置于多种清洗剂中，并采用超声波清洗器分别震荡5-10min，烘干待用。
6.按照权利要求1所述的打印***，其特征在于：还包括打印控制装置、液滴控制装置、移动控制装置和加热控制装置，打印控制装置控制液滴控制装置和移动控制装置，液滴控制装置控制喷嘴，移动控制装置控制基板放置位和加热装置一起移动，加热控制装置控制加热装置的温度。
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