Báo cáo Tối ưu hóa các thông số mực in Nano Ag nhằm ứng dụng trong in phun (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Tối ưu hóa các thông số mực in Nano Ag nhằm ứng dụng trong in phun (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM TỐI UU HÓA CÁC THÔNG SỐ MỰC IN NANO Ag NHẰM ỨNG DỤNG TRONG IN PHUN Mã số: T2013 - 196 Chủ nhiệm đề tài: GV – ThS. Nguyễn Thành Phương S K C0 0 5 4 1 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ MỰC IN NANO Ag NHẰM ỨNG DỤNG TRONG IN PHUN Mãsố: T2013 - 196 Chủnhiệmđềtài: GV – ThS. NguyễnThànhPhương TP. HCM, 11 – 2013
3. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 DANH MỤC BẢNG 5 CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6 MỞ ĐẦU 7 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỰC IN DẪN ĐIỆN 9 1.1. Tổng quan về mực in dẫn điện 9 1.2. Hóa học mực in dẫn điện 14 1.2.1. Thành phần mực in dẫn điện 15 1.2.2. Sự tương tác của mực in với vật liệu nền 16 1.3. Các tính chất của mực in dẫn điện 17 1.3.1. Tính lưu biến 17 1.3.2. Mật độ 20 1.3.3. Độ xốp 20 1.4. Một vài tính chất khác của lớp mực dẫn điện sau khi in 20 1.4.1. Quá trình nung kết 20 1.4.2. Xác định điện trở 21 1.4.3. Tính chống xước 23 1.5. Tổng quan về các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano Ag 23 1.5.1. Phương pháp từ dưới lên (bottom – up) 23 1.5.2. Tổng hợp các hạt nano Ag bằng phương pháp polyol 24 1.5.2.1. Cơ chế phản ứng 25 1.5.2.2. Cơ chế ổn định hạt Ag của PVP 25 1.5.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng hạt nano Ag 26 1.6. Tổng quan về công nghệ in phun 27 1.6.1. In phun nhiệt 28 1.6.2. In phun áp điện 29 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 1
4. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 1.7. Một vài ứng dụng của công nghệ in phun trong in mạch điện tử 30 1.7.1. Ứng dụng cho dòng sản phẩm bậc thấp 30 1.7.2. ứng dụng cho dòng sản phẩm bậc cao 31 CHƢƠNG 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 32 2.1. Phổ hấp thụ 32 2.2. Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua 33 2.3. Đo độ nhớt 35 2.4. Nhiễu xạ tia X 35 2.5. Đo điện trở bề mặt 38 CHƢƠNG 3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ BIỆN LUẬN KẾT QUẢ 39 3.1. Tổng hợp hạt nano Ag 39 3.1.1. Hóa chất 39 3.1.2. Dụng cụ 39 3.2. Quy trình thực nghiệm 40 3.2.1. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hạt nano Ag 40 3.2.1.1. Tối ưu hóa lượng chất khử 40 3.2.1.2. Thay đổi thời gian khuấy 42 3.2.2. Khảo sát phổ nhiễu xạ tia X 44 3.2.3. Khảo sát độ nhớt của dung dịch nano Ag 45 3.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến điện trở 46 CHƢƠNG 4.KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 47 4.1. Kết luận 47 4.2. Hƣớng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 2
5. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Mực in nano Ag thương mại và một vài thông số đặc trưng 9 Hình 1.2. Một vài ứng dụng của mực in phun nano Ag trong in mạch điện tử 10 Hình 1.3. Các bước chính của công nghệ in phun nhằm tạo ra các sản phẩm đơn giản 11 Hình 1.4. Đo sức căng bề mặt bằng phương pháp vòng Du Nouy 18 Hình 1.5. Bề mặt hình thái học của các hạt nano Ag sau khi nung 21 Hình 1.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ nung của màng Ag được tạo bằng phương pháp in phun 22 Hình 1.7. Kiểm tra độ chống xước của dây dẫn điện được in bằng in phun 23 Hình 1.8. Sơ đồ phân hủy nhiệt để tạo các hạt nano Ag với chất bao là axit béo 24 Hình 1.9. Công thức cấu tạo của PVP 25 Hình 1.10. Cơ chế ổn định hạt nano Ag của PVP 26 Hình 1.11. Sự hình thành giọt mực trong in phun nhiệt 28 Hình 1.12. Sự hình thành giọt mực trong in phun áp điện 29 Hình 1.13. Ứng dụng của in phun trong in các mạch điện tử đơn giản, (a) in các đường dây dẫn cho các đèn LED, (b) bản in có IC điều khiển 31 Hình 1.14. Công nghệ in phun bằng mực dẫn điện nano Ag có thể được in các đường dây dẫn trên các linh kiện điện tử 31 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý đo phổ UV – Vis 32 Hình 2.2. Cấu tạo của kính hiển vi điện tử truyền qua 34 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 3
6. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Hình 2.3. Máy đo độ nhớt Brookfield LVDV – E 35 Hình 2.4. Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể 36 Hình 2.5. Sơ đồ thực nghiệm đo điện trở suất bằng phương pháp 4 mũi dò 38 Hình 3.1. Quy trình tổng hợp hạt nano Ag 40 Hình 3.2. Phổ hấp thụ UV – vis của keo nano Ag thay đổi theo thể tích EG 41 Hình 3.3. Phổ hấp thụ UV – vis của keo nano Ag thay đổi theo thời gian 42 Hình 3.4.Màu sắc và phổ hấp thụ của dung dịch nano Ag tối ưu tổng hợp được 43 Hình 3.5. Ảnh TEM của dung dịch nano Ag tạo được 43 Hình 3.6. Phổ nhiễu xạ tia X của các hạt nano Ag tổng hợp được 44 Hình 3.7. Tính chất lưu biến của mực in nano Ag với hàm lượng Ag khác nhau 45 Hình 3.8. (a) Mực in phun nano Ag trên đế Polyimide, (b) Sự thay đổi điện trở của mực in dẫn điện nano Ag theo nhiệt độ nung, (c) Ảnh SEM của mực in dẫn điện theo nhiệt độ nung 46 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 4
7. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh các phương pháp quang khắc, lắng đọng chân không và in điện tử trong chế tạo mạch điện tử 12 Bảng 1.2. Các ứng dụng của mực in phun dẫn điện trong in mạch điện tử 13 Bảng 1.3. So sánh các công nghệ in điện tử trong in mạch dẫn điện 13 Bảng 1.4. Các tính chất của mực in cho công nghệ in phun 20 Bảng 1.5. Bảng so sánh các thông số đặc trưng của in phun nhiệt và in phun áp điện.29 Bảng 3.1. Thay đổi thể tích chất khử EG 40 Bảng 3.2. Thay đổi thời gian khuấy 42 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 5
8. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 CÁC CHỮ VIẾT TẮT OLED: Organic Light Emitting Diode LED: Light Emitting Diode DOD: Drop On Demand CIJ: Continuous Ink Jet UV – Vis: Ultraviolet – Visible TEM: Transmission Electron Microscopy RFID: Radio Frequency Identification MEMS: Microelectromechanical Systems Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 6
9. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 MỞ ĐẦU Trong ngành công nghiệp điện tử, việc chế tạo các đường dây dẫn điện là rất cần thiết. Theo phương pháp truyền thống, quá trình mạ điện và ăn mòn bằng công nghệ quang khắc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất mạch điện. Tuy nhiên, phương pháp này không chỉ tiêu hao nhiều vật liệu mà còn rất phức tạp bởi vì có nhiều bước được yêu cầu để tạo nên một lớp mạch.Không những thế, các quá trình ăn mòn và mạ điện truyền thống cũng tạo ra một lượng lớn nước thảy gây ô nhiễm môi trường. Vì những lý do này, việc phát triển các công nghệ gia công nhanh và thuận tiện để tạo được các đường dây dẫn điện đã thu hút nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây. Một trong những hứa hẹn có hiệu quả nhất đó là công nghệ in phun, theo công nghệ này thì các đường dây dẫn điện có thể được in các trên vật liệu đế chỉ qua một bước. Có hai thành phần quan trọng của công nghệ in phun đó là: một là hệ thống cơ học, có nghĩa là máy in; hai là vật liệu dẫn điện, có nghĩa là mực in. Công nghệ in phun được sử dụng thành công trong một thập kỷ qua cho nhiều ứng dụng mới như: các diot hữu cơ phát sáng (OLED), các transistor và các mạch tích hợp, các thiết bị polymer dẫn điện, các polymer cấu trúc, và các chuổi phân tử sinh học. Công nghệ in phun mang lại một số thuận lợi so với các phương pháp quang khắc truyền thống[5]như:  Không sử dụng mặt nạ trong chế tạo các đường dây dẫn;  Có thể áp dụng dễ dàng trên các đế có diện tích lớn;  Các vật liệu được sử dụng có hiệu quả;  Tốn ít thời gian thực hiện khi tạo ra các mạch điện. Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 7
10. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Trong nghiên cứu về mực in dẫn điện, có một vài loại vật liệu được nghiên cứu như kim loại nóng chảy, polymer dẫn điện, và dung dịch các hạt nano kim loại. Trong số những loại vật liệu này thì trong những năm gần đây dung dịch các hạt nano kim loại đã thu hút các nhà nghiên cứu nhiều nhất bởi vì nó có thể được in trực tiếp tại nhiệt độ phòng khi so với kim loại nóng chảy và cũng có độ dẫn điện tốt hơn khi so với các loại polymer. Từ những vấn đề phân tích trên, việc nghiên cứu tổng hợp mực in nano Ag sử dụng trong công nghệ in phun để in mạch điện tử tại Khoa In & Truyền thông, Trường ĐHSPKT Tp. HCM là rất cần thiết. Do giới hạn về cơ sở vật chất, kinh phí và thời gian thực hiện đề tài nên mục tiêu đề tài của chúng tôi bao gồm:  Khảo sát các điều kiện tối ưu để tổng hợp mực in nano Ag.  Tối ưu các thông số (độ dẫn điện, độ nhớt) của mực in nano Ag. Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 8
11. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỰC IN DẪN ĐIỆN 1.1. Tổng quan về mực in dẫn điện Hiện nay, các vật liệu dẫn điện sử dụng trong công nghệ in kỹ thuật số đã thu hút nhiều nghiên cứu ở các trường đại học và viện nghiên cứu. Số lượng các bài báo nghiên cứu trong lĩnh vực hữu cơ điện tử và in điện tử (printed electronic) ngày càng nhiều.Nghiên cứu và phát triển in điện tử nhằm tạo ra các lớp dẫn điện trên các loại đế khác nhau bằng các công nghệ in sẵn có. Mực in phun dẫn điện được ứng dụng để in các mạch điện trên các loại đế khác nhau nhằm ứng dụng trong các thiết bị điện tử.Các đường mạch được in ra có thể có kích thước milimet, micromet, thậm chí dưới micronmet.Hiện tại, chế tạo dây dẫn bằng các phương pháp truyền thống không tiết kiệm được nguyên vật liệu, tạo ra một lượng chất thải hóa học gây ô nhiễm. Hơn nữa, các phương pháp lắng đọng kim loại truyền thống phải trãi qua nhiều bước thực hiện, mất nhiều thời gian.Hình 1.1 là một sản phẩm mực nano Ag thương mại và một vài thông số đặc trưng. Một vài thông số đặc trưng của mực in nano Ag thương mại Kích thước hạt 2 – 10 nm Nồng độ Ag 10 – 30 % Nhiệt độ gia công 70 – 150 oC Độ nhớt 1 – 10 cps Điện trở mặt 1 mΩ/sq/mil Điện trở suất 2.4x10-8 Ωm Hình 1.1. Mực nano Ag thương mại và một vài thông số đặc trưng Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 9
12. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Thị trường cho in điện tử bao gồm các vật liệu hữu cơ, vô cơ và composite được ước tính khoảng 1,2 tỷ USD vào năm 2007, và mong muốn phát triển đến mức 48,2 tỷ USD vào năm 2017[10]. Mực in dẫn điện được sử dụng gần đây chiếm tới 83% (năm 2007) thị trường in điện tử. Mực in dẫn điện dạng màng có độ dày và dạng bột nhão thường được sử dụng trong in các bản mạch và các cảm biến sinh học y tế (như các cảm biến đường gluco sử dụng một lần cho các bệnh nhân tiểu đường). Sự phát triển của ngành công nghiệp pin mặt trời là thị trường phát triển lớn nhất cho in điện tử, và kỳ vọng đạt được 400 triệu USD năm 2010 và hơn 6 tỷ USD năm 2015[10]. Hầu hết các dạng pin mặt trời thương mại yêu cầu in các phần tử dẫn điện cho các điện cực. Trong tương lai, các vật liệu bán dẫn được lắng đọng bằng phương pháp in phun sẽ được ứng dụng trong các cấu trúc pin mặt trời dạng tấm dẻo. Thị trường phát triển lớn thứ hai của in điện tử đó là các diode phát sáng hữu cơ (OLED – organic light emitting diode). Hình 1.2. Một vài ứng dụng của mực in phun nano Ag trong in mạch điện tử Một công nghệ khác sử dụng mực in dẫn điện đó là thị trường sản xuất màn hình. Mực in phun có thể được sử dụng cho cả các màn hình dạng dẻo và dạng cứng như màn hình điện huỳnh quang, màn hình điện di (bao gồm giấy điện tử), màn hình tinh thể lỏng (LCD), tấm màn hình plasma (PDP) và các màn hình cảm ứng. Mực in Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 10
13. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 phun dẫn điện cũng thích hợp để sử dụng cho các transistor màng mỏng (TFT), các loại pin sử dụng một lần, các đuôi xác định bằng tần số vô tuyến (RFID) và các cảm biến điện tử. Bảng 1 trình bày tóm tắt các ứng dụng cụ thể của mực in phun dẫn điện trong ngành in điện tử. Quang khắc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp in bo mạch để sản xuất mạch điện tử. Tuy nhiên, phương pháp này liên quan tới nhiều bước, bao gồm ăn mòn, tạo mặt nạ che phủ, mạ điện, nên tốn nhiều thời gian, tốn lao động, chi phí đắt. Dung môi được sử dụng trong quá trình ăn mòn có tính chất mài mòn nên việc lựa chọn vật liệu đế cũng bị giới hạn. Tuy nhiên, quá trình quang khắc tạo ra một lượng lớn các chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường. Các công nghệ lắng đọng kim loại để sản xuất các bộ phận mạch điện yêu cầu phải được thực hiện trong môi trường chân không. Những phương pháp này yêu cầu chi phí mua trang thiết bị ban đầu rất cao như các mặt nạ, các thiết bị chân không. Quá trình in các vật liệu dẫn điện (hình 1.3), đặc biệt là các phương pháp in lưới và in kỹ thuật số như in phun tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất, thời gian sản xuất, công lao động, chi phí mua các trang thiết bị ban đầu, giảm các chất thải ô nhiễm. Hơn nữa, in phun kỹ thuật số là một quá trình phụ trợ để lắng đọng các vật liệu khi cần thiết, vì thế có thể giảm đáng kể một lượng chất thải ô nhiễm. Hình 1.3. Các bước chính của công nghệ in phun nhằm tạo ra các sản phẩm điện tử đơn giản Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 11
14. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Bảng 1.1 so sánh các thuận lợi của các quá trình quang khắc, lắng đọng chân không, và các công nghệ in điện tử. Mặc dù quá trình quang khắc tạo được các chi tiết có độ phân giải cao hơn mà các phương pháp in khác chưa đạt được, nhưng độ phân giải của lắng đọng in phun sẽ được cải thiện và tiến tới thang dưới micro chỉ khi kết hợp với các phương pháp khác như các xử lý bề mặt vật liệu đế. Bảng 1.1.So sánh các phương pháp quang khắc, lắng đọng chân không và in điện tử trong chế tạo mạch điện tử Quang khắc Lắng đọng chân In điện tử không Loại quy trình Chi phí Cao Trung bình Thấp Tốc độ Cao Thấp Khác nhau tùy thuộc vào công nghệ Các yếu tố kèm Nhiệt độ cao, các Nhiệt độ cao Nhiệt độ thấp theo hóa chất thô Môi trƣờng Lượng chất thải độc Lượng chất thải độc Lượng chất thải độc hại ra môi trường hại ra môi trường hại thấp cao trung bình Độ phân giải Rất cao Thấp Thấp như cải thiện được Phù hợp cho các Không Không Phù hợp thiết bị điện tử mềm dẻo chi phí thấp Giai đoạn phát Sẵn có và có thể Sử dụng rộng rãi Công nghệ mới bắt triển hiện tại tiến tới giới hạn có trong các lớp phủ đầu, in được các thể. và ngành công màng mực mỏng nghiệp điện tử. bằng phương pháp Nhiều khuynh in lưới. hướng mới xuất hiện. Các sản phẩm kèm Các thành phần bộ OLED, các lớp phủ Chắn EMI, ăng ten theo xử lý VLSI, thẻ RFID, tụ điện, pin nhớ. mặt trời, các tấm nối mềm dẻo Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 12
15. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Bảng 1.2.Các ứng dụng của mực in phun dẫn điện trong in mạch điện tử Ứng dụng Công nghệ Màn hình và bảng nối đa Indium Tin Oxide (ITO) Hiện tại, Ag không được sử năng dụng rông rãi trong những ứng dụng này, ngoại trừ in các ô lưới cho các màn hình PDP. Mực in Ag có tiềm năng lớn cho các công nghệ màn hình như OLED, màn hình điện di. Pin mặt trời Màng mực Ag Hiện tại được sử dụng để in các ô lưới trên pin c-Si và một vài loại pin CIGS. Đuôi RFID Bán dẫn hữu cơ, màng mực Màng mực Ag được sử Ag. dụng cho in các ănten, các chất hữu cơ sử dụng trong các transistor màng mỏng. In các cảm biến Chất bán dẫn hữu cơ, mực Chưa phát triển in gốc Cacbon In bộ nhớ Chưa phát triển In các bo mạch Các dây nối Thẻ thông minh Các chất bán dẫn hữu cơ Chưa phát triển Bảng 1.3.So sánh các công nghệ in điện tử trong in mạch dẫn điện Công nghệ in Thuận lợi Khó khăn Chú thích In lưới Công nghệ có sẵn Có thể tốn kém Chủ yếu in các và chủ yếu sử lượng mực in sử ăng ten RFID và dụng trong in các dụng. các điện cực trước mạch điện tử ngày của pin mặt trời. nay. Độ phân giải Các thiết bị rẻ tiền khoảng 75 micron. Mực in giá thấp In phun Có thể in được các Công suất thấp Các nhà cung cấp màng mỏng và các Hệ thống phức tạp thiết bị chủ yếu chi tiết mịn. bao gồm Fujifilm Tuân theo sự Dimatix, HP, nguyên mẫu. Litrex, Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 13
16. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Thiết bị chuyên Xennia/Carlco, biệt dành cho thiết Xaar, Ricoh. kế điện tử. Phương pháp không tiếp xúc. In ống đồng Có khả năng in Chi phí lắp đặt Phát triển cho các trên các loại đế cao ứng dụng in cuộn. khác nhau. Tốc độ cao Chất lượng cao/độ phân giải cao. In Flexo Chi phí lắp đặt Có hiện tượng Chuyên biệt cho thấp hơn so với in đúp bóng (hai in RFID. ống đồng. bóng). Độ phân giải Tạo đường viền tương đối cao. xung quanh chi tiết in. In Offset Công suất cao Giới hạn độ dày Ngoài công nghệ Độ phân giải cao (<1 micron). in còn sử dụng Các chất phụ gia trong sản xuất sử dụng trong in điện tử. đồ họa có thể ảnh hưởng đến in điện tử. Phủ quay Có khả năng tạo Độ phân giải thấp. ra các lớp màng có độ dày rất đồng bộ. Phương pháp không tiếp xúc. 1.2. Hóa học mực in dẫn điện Các tính chất và thành phần cơ bản của mực in phun dẫn điện tương tự với các mực in phun chuẩn sử dụng trong các ứng dụng đồ họa. Cả mực in phun dẫn điện và không dẫn điện đều có chứa môi trường lỏng (môi trường này xác định nhiều tính chất cơ bản của mực in) và thành phần hòa tan hoặc phân tán. Trong mực in đồ họa, thành phần này là chất màu hòa tan hoặc pigment rắn, và trong mực in dẫn điện chứa thành Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 14
17. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 phần dẫn điện. Yêu cầu chung đối với mực in phun là khả năng bám dính và khả năng in tốt, độ phân giải tối thiểu phải đạt được (tùy thuộc vào loại máy in). Đối với mực in dẫn điện thì lớp mực phải dẫn được điện sau khi in (để cải thiện tính chất này lớp mực cần phải được nung sau khi in), chi tiết in phải sắc nét.Để đạt được những yêu cầu này, các tính chất của mực in, tương tác giữa mực in với vật liệu đế, máy in phải được đồng bộ. 1.2.1. Thành phần của mực in dẫn điện Các mực in dẫn điện có thể chứa gốc nước hoặc gốc dung môi hữu cơ. Các dung môi điển hình cho mực in dẫn không chứa nước tương tự với các dung môi trong mực in phun sử dụng trong đồ họa. các dung môi tạo gốc ô xi hóa như: methoxypropyl acetate, ethylene glycol n-butyl ether acetate, N-methyl pyrrolidone, cyclohexanone, butyl carbitol acetate, isophorone, glycerol, ethylene glycol, propylene glycol, propylene glycol ethers. Một tính chất quan trọng trong công thức mực in phun là tốc độ khô của mực, tốc độ khô nhanh sau khi in cho phép tốc độ in nhanh hơn nhưng nó cũng dẫn đến khả năng làm nghẹt các đầu phun. Các tính chất khô của mực in cũng ảnh hưởng đến sự tương tác giữa mực in và vật liệu đế. Thành phần dẫn điện, các vật liệu dẫn điện khác nhau được nghiên cứu trong công thức mực in phun như: các polymer dẫn điện, các hỗn hợp hữu cơ kim loại, các tiền chất kim loại, kim loại và các hạt nano kim loại ô xít, các ống nano cacbon và thậm chí các kim loại nóng chảy. Việc sử dụng các hỗn hợp hữu cơ kim loại hoặc các tiền chất kim loại thuận lợi cho việc tạo độ phân giải hơn sự phân tán. Trong trường hợp các kim loại nóng chảy, nhiệt độ hoạt động cao nên không ứng dụng được trên các vật liệu đế mềm dẻo. Các polymer dẫn điện thuận lợi cho ứng dụng chế tạo các màn hình mềm dẻo nhưng điện trở của chúng tương đối cao. Bột kim loại và ô xít kim loại Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 15
18. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 cho độ dẫn điện tốt, các sản phẩm mực in phun dẫn điện thương mại gồm các hạt nano kim loại được phân tán trong môi trường phân tán. Các hạt nano Ag và các hạt nano Au thường được ứng dụng trong mực in dẫn điện do điện trở của chúng thấp, khả năng ô xi hóa thấp và có độ bền hóa học cao. Các hạt nano kim loại khác như đồng và niken có xu hướng ô xi hóa và có độ bền kém hơn so với các hạt nano Ag và Au. Các hạt nano và bột nano Ag được sản xuất bằng các công nghệ khác nhau. Các phương pháp sản xuất các hạt nano Ag có thể được phân loại thành các nhóm sau: Các phương pháp cơ học, ví dụ phương pháp nghiền khô; Công nghệ hóa ướt, đặc biệt là khử và kết tủa các muối kim loại hòa tan; Các phương pháp sol khí như nhiệt phân laser, plasma, lắng đọng pha hơi. Độ nhớt, sức căng bề mặt, khả năng thấm ướt là các tính chất quan trọng của mực in dẫn điện cũng như mực in không dẫn điện. Hầu hết các đầu phun trong máy in phun công nghiệp sử dụng công nghệ piezo và yêu cầu độ nhớt của mực trong khoảng từ 8 đến 25 cPs (centipoise), sức căng bề mặt của mực khoảng 25 – 35 dyne/cm [10]. 1.2.2. Sự tƣơng tác giữa mực với vật liệu nền Sự tương tác giữa mực in với đế cả trong suốt và sau khi in đều ảnh hưởng mạnh đến chất lượng in. Các tương tác động học mực – đế như sự hình thành giọt mực, sự thấm ướt, khả năng lan rộng, khả năng thấm hút và tốc độ bay hơi dung môi cũng như quá trình khô và kết tụ các hạt mực trên đế là các yếu tố quan trọng. Năng lượng bề mặt của đế phải lớn hơn sức căng bề mặt của giọt mực được phun ra để đảm bảo khả năng thấm ướt vật liệu đế.Các tính chất thấm ướt của mực in trên đế ảnh hưởng độ rộng của đường mực in và độ phân giải giữa các đường cũng như tính đồng nhất giữa các đường in. Tốc độ bay hơi của dung môi phải đủ chậm để giọt Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 16
19. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 mực có đủ thời gian thấm ướt và lan rộng trước khi khô. Để đạt được những đường in có chất lượng cao thì những giọt mực in riêng lẽ phải được tách ra khỏi đầu phun, sau đó kết hợp lại tạo thành lớp màng mực đồng bộ.Năng lượng bề mặt và độ gồ ghề bề mặt của vật liệu đế cũng ảnh hưởng đến độ bám dính của mực in. Các loại vật liệu đế thường được sử dụng như: các polymer dẻo, đặc biệt là polyimide (PI) và các polyester như polyethylene, terephthalate (PET) và polyethylene naphthalene (PEN), các vật liệu vô cơ như thủy tinh hoặc Si. Bề mặt của vật liệu đế có thể được đánh bóng hoặc tạo độ gồ ghề, được xử lý hoặc không được xử lý (xử lý corona, plasma, xử lý hóa học). Độ bám dính của mực lên đế phụ thuộc vào loại vật liệu đế, xử lý bề mặt đế, nhiệt độ nung và các điều kiện sấy khô. Cả nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg và các tính chất nóng chảy của vật liệu đế cũng phải được xem xét. 1.3. Các tính chất của mực in dẫn điện Nói chung, thành phần mực in phun phải có các tính chất ổn định khi sử dụng trong cá hệ thống in phun. Các tính chất này bao gồm độ nhớt, độ hòa tan, khả năng tương thích của các thành phần mực invới thiết bị in và khả năng thấm ướt với vật liệu nền. Hơn nữa, mực in phun được đòi hỏi là phải khô nhanh và chống tạo vết loan, có khả năng đi qua đầu in phun mà không bị tắt nghẽn, và không bám chặt vào các bộ phận của máy in gây khó khăn cho việc vệ sinh máy. Một vấn đề quan trọng đối với các đường dây dẫn kim loại được tạo ra bằng công nghệ in phun là độ bám dính của mực kim loại dẫn trên các vật liệu đế, đặc biệt khi sử dụng vật liệu đế thủy tinh và các vật liệu gốc ô xít khác. 1.3.1. Tính chất lƣu biến của mực in dẫn điện Các tính chất lưu biến của mực in dẫn điệnphải tương thích với công nghệ in phun sẵn có. Sức căng bề mặt và độ nhớt của mực in xác định vận tốc, kích thước, sự bền vững của giọt mực được phun ra và hình dạng của các giọt mực thấm vào vật liệu nền. Hình dạng xuyên thấm cho phép ước tính độ phân giải và độ dày, từ độ dày và độ Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 17
20. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 phân giải này có thể đánh giá được các tính chất cơ, điện của đường dây dẫn được in ra. 1.3.1.1. Sức căng bề mặt Sức căng bề mặt là lực hoạt động trên bề mặt của chất lỏng, có khuynh hướng làm nhỏ diện tích bề mặt. Nói một cách định lượng, sức căng bề mặt là lực hoạt động xuyên qua một đơn vị chiều dài của bề mặt. Sức căng bề mặt cũng được biết như lực của mặt phân giới hoặc sức căng của mặt phân giới.Ví dụ, sức căng bề mặt của nước là 72 dyne/cm, một vài chất hoạt động bề mặt có thể làm giảm giá trị sức căng bề mặt của nước xuống còn 30 – 50 dyne/cm. Một chất lỏng có sức căng bề mặt thấp có khuynh hướng thấm ướt hoặc lan rộng hơn so với chất lỏng có sức căng bề mặt cao.Sức căng bề mặt giúp xác định mực sẽ tồn tại hoặc không khi nó được in. Vòng làm bằng Pt Lực kéo Không khí Góc tiếp xúc Chất lỏng Chu vi bị ướt Hình 1.4. Đo sức căng bề mặt bằng phương pháp vòng Du Nouy Một trong những phương pháp chung để đo sức căng bề mặt là phương pháp vòng Du Nouy như hình 1.4, phương pháp này sử dụng một vòng Platinum (Pt) có kích thước xác định (chính xác) được treo trên một cần treo đối trọng. Cần này được giữ bởi một dây xoắn, khi độ xoắn gia tăng thì cần và vòng Pt được kéo lên, vòng Pt sẽ mang theo một lớp màng của dung dịch cần đo sức căng bề mặt, và lực cần thiết để kéo vòng này lên được đo lại. Lực tách ra liên quan tới bề mặt hoặc sức căng mặt phân giới Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 18
21. Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 퐹 theocông thức 훾 = , với F lực trên vòng gây ra sự đứt gãy dung dịch chất lỏng cần 4 푅 đo; R là bán kính của vòng; B là hệ số hiệu chỉnh liên quan tới hình dạng của mặt khum hình thành trên vòng. Phương pháp khối lượng giọt đơn giản hơn nhiều so với phương pháp Du Nouy và không cần các thiết bị chuyên biệt (hình 1.4). Phương pháp này cho độ chính xác có thể chấp nhận được và vì thế chúng được sử dụng phổ biến trong khảo sát sức căng bề mặt. Quy trình của phương pháp này là hình thành các giọt chất lỏng tại đầu của một ống, và sau đó cho các giọt chất lỏng này rơi xuống một bình chứa đến khi đủ để khối lượng của mỗi giọt được xác định một cách chính xác. Sức căng bề mặt sau đó được tính theo công thức = , với m là khối lượng của mỗi giọt nước, g là hằng số trọng 2 lực, flà hệ số hiệu chỉnh, và r là bán kính của ống. 1.3.1.2. Độ nhớt Độ nhớt cũng là một thông số quan trọng của mực in phun.Độ nhớt là một phép đo chống lại sự chảy của một chất lỏng, nó được mô tả như một lực ma sát nội của một chất lỏng di chuyển. Một chất lỏng có độ nhớt thấp thì chảy một cách dễ dàng bởi vì sự tương tác phân tử của nó ítnên ma sátdi chuyển của nó rất ít. Sức căng bề mặt có giá trị từ 25 – 70 mN/m và độ nhớt Newton có giá trị từ 1 – 30 mPa là phù hợp nhất cho công nghệ in phun.Hầu hết các mực dẫn thương mại có sức căng bề mặt và độ nhớt vượt mức cho phép và vì thế sẽ không hình thành được các giọt nhỏ có kích thước trong khoảng 30 – 100 μm khi sử dụng công nghệ in phun [5].Bảng 1.4 cho thấy các thông số đặc trưng của mực sử dụng trong công nghệ in phun. Độ nhớt và sức căng bề mặt là hai tính chất quan trọng nhất của mực in nói chung. Kích thước hạt, độ phân tán kích thước và sự bền vững của các hạt nano kim Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 19