压电波形对喷墨打印电极的调控规律

宁洪龙， 朱镇南， 陶瑞强， 陈建秋， 周艺聪， 蔡 炜，胡诗犇， 姚日晖， 徐 苗， 王 磊， 兰林锋， 彭俊彪

(高分子光电材料与器件研究所， 发光材料与器件国家重点实验室， 华南理工大学 材料科学与工程学院， 广东 广州 510640)

压电波形对喷墨打印电极的调控规律

宁洪龙， 朱镇南， 陶瑞强， 陈建秋， 周艺聪， 蔡 炜，胡诗犇， 姚日晖*， 徐 苗， 王 磊， 兰林锋， 彭俊彪

(高分子光电材料与器件研究所， 发光材料与器件国家重点实验室， 华南理工大学 材料科学与工程学院， 广东 广州 510640)

压电喷墨打印是制备印刷电子器件的主要手段之一，其墨滴喷射状态直接受压电波形的影响，因而压电波形对于器件打印具有重要意义。本文主要研究了压电波形对薄膜晶体管(TFT)电极打印效果的影响，实验通过改变压电波形的加压速率和脉冲持续时间，打印得到了一系列的电极样品，并对其图形效果及表面粗糙度进行了测量。实验表明，随着加压速率和脉冲持续时间的增大，墨滴喷出动能增大，最终打印的图形效果先改善后恶化，表面粗糙度则随之增大。在加压速率取值为0.08～1.65 V/μs、脉冲持续时间取值为1.216～2.688 μs的区间内得到了失真程度较小的电极图形，在加压速率及脉冲持续时间分别为0.25 V/μs、2.688 μs及0.65 V/μs、1.600 μs时，电极图形化效果较好，表面粗糙度分别为59.04 nm和59.27 nm。通过对压电波形参数的合理设置，能够实现对打印图形效果的优化。

喷墨打印； 加压速率； 脉冲持续时间； TFT电极； 表面粗糙度

1 引 言

近年来，印刷电子因其低成本、绿色环保、柔性化可大面积生产等特点而体现出广阔的发展前景[1]。其中喷墨打印技术因其非接触、直接写等优点在电子制造领域受到了广泛的关注[2-4]。薄膜晶体管(TFT)作为有源矩阵显示技术的核心器件，由于其传统制备工艺均采用真空法，成本较高，工序复杂，且近年来显示行业在柔性、可穿戴等方面表现出了巨大的发展潜力，故采用低成本、少工序、衬底兼容性高的喷墨打印技术制备TFT器件对于平板显示产业具有重要意义。TFT电极对其器件性能有着重要影响[5]，因此研究如何提升电极的打印质量对打印制备TFT器件具有重要意义。

许多不同领域的研究人员针对打印电极进行了相关研究。Whittow等利用界面层修饰的方法来降低衬底的表面粗糙度，从而改善了器件导电层的打印效果[6]。Shukla等通过喷墨打印制备了不同铂担量的聚合物电解质燃料电池电极，并研究了铂担量对电池性能的影响规律[7]。Rho等利用喷墨打印及激光退火等工艺制备了NiO/Ni电极[8]。 Ma等利用喷墨打印在光面纸上制备了银电极并测试了其阻抗[9]。Khan等在塑料衬底上打印制备了金电极及阵列，并研究其在生物电子领域的应用[10]。Qin等在玻璃衬底上打印制备了pH传感器的电极并测试了其灵敏度等性能参数[11]。

上述研究从不同材料、不同工艺以及不同领域的应用等方面对打印电极进行了研讨，并对电极打印效果或器件性能进行了表征与讨论。在压电喷墨打印中，墨滴喷射直接受压电波形的控制，因而压电波形必然会对最终打印结果产生很大影响。现阶段针对压电波形的研究大多集中在压电波形对墨滴喷射及飞行过程的影响，而关于压电波形对最终图形化效果的影响的研究相对较少。本研究通过调整打印机的压电波形，观察其对电极打印的影响，并优化得到了良好的电极形状。在此基础之上，研究了加压速率和脉冲持续时间对打印TFT电极表面粗糙度的影响。实验中，打印材料及打印衬底未进行任何额外处理，仅对打印机压电波形参数进行了适当调节，利用其对电极打印效果的作用规律，在一定范围内实现了对打印电极图形及其表面粗糙度的优化。

2 实 验

实验所用打印机为DMP-2800，是Dimatix公司的一款技术成熟，性能稳定的产品，被许多企业及科研机构用来进行喷墨打印相关研究[12-15]。其基本结构如图1(a)所示，喷头结构如图1(b)所示。

图1 DMP-2800示意图。(a)DMP-2800打印机图例；(b)喷头结构示意图

Fig.1 Schematic of DMP-2800 printer. (a)Legend of DMP-2800 printer. (b)Structure of nozzle

打印机喷头是利用压电陶瓷的压电效应，通过在压电陶瓷元件上施加电压信号，使其按一定规律发生形变，引起墨水腔室中的压力变化从而实现喷墨。

本次实验所采用的压电波形如图2所示。打印机完成一次喷墨需要经历4个波段的电压变化。每个波段包含两个主要参数，即加压速率(Slew rate,Rslew)和脉冲持续时间T。每个波段的加压速率为其斜线部分的斜率，其单位为V/μs；T为每个波段的时间长短，单位为μs，T1、T2、T3、T4分别为各个波段的脉冲持续时间。第一波段，压电陶瓷因起始电压V0而具有初始形变，随着电压减小，压电陶瓷形变减小，墨水被吸入喷墨腔室；第二波段，电压上升至V1，压电陶瓷产生形变，墨水被挤出喷口；第三波段，电压下降，压电陶瓷形变减小，腔室压力减小，墨水尾部断裂，完成喷墨；第四阶段，回复初始电压，准备下次喷墨。可见墨水的喷出状态主要受1、2波段的影响，故本次实验重点研究1、2波段的加压速率和脉冲持续时间对于电极打印的影响。

图2 压电驱动波形分段示意图

TFT是由多层纳米级薄膜组成的，包括电极、有源层、绝缘层等结构，其器件结构剖视图如图3所示。

图3 TFT器件结构示意图

TFT电极包括源、漏、栅极。本实验打印电极为源漏电极，其平面图形设计如图4所示。其中，L为器件沟道长度，A部分为电极，B部分为引线，C部分为引脚，D、S分别为漏、源极。

图4 打印电极图形设计示意图

实验样品采用ANP公司的纳米银墨水打印制备，产品型号为DGP 40LT-15C，打印基底为玻璃。打印机喷头温度为60 ℃，基板温度为60 ℃，墨滴间距为35 μm。

实验中第一、二波段的加压速率和T取值分别保持一致，即两波段的斜线斜率保持一致，且T1=T2始终成立。

实验参数取值采用单变量方法，即固定加压速率或脉冲持续时间值，改变另一参数从而得到两组打印结果。

实验样品二维图像测试所用仪器型号为NikonEclipseE600POL，装载DXM1200F数码相机，表面形貌测试所用仪器为白光干涉测试仪，型号Vecco NT9300，测量模式为PSI，放大倍数为2.5倍及10倍。

3 结果与讨论

3.1 压电波形参数对电极图形的影响

打印电极图形结果如图5所示。图5(a)为不同加压速率的电极打印效果，T=2.688 μs，Rslew=0.08，0.10，0.18，0.25，0.35，0.45，0.65，0.95，1.65，2.00 V/μs。由图可见，当加压速率过小时，图形发生横向偏移；当加压速率过大时，出现卫星墨滴，图形失真严重，电极沟道发生粘连。当加压速率取值为0.08～1.65 V/μs时，电极图形失真程度较小。图5(b)为不同脉冲持续时间的电极打印效果，Rslew=0.65 V/μs，T=1.216，1.280，1.472，1.600，1.920，2.112，2.368，2.560，2.688，2.880 μs。由图可见，当脉冲持续时间减小时，图形发生横向偏移；当脉冲持续时间增大，同样产生较多卫星墨滴，图形失真严重。当脉冲持续时间取值在1.216～2.688 μs区间时，电极图形失真程度较小，打印效果较好。

当外电场较小时，压电陶瓷元件的形变量与所加电场强度成正比，其关系遵循公式：

(1)

其中x为形变量，E为外加电场，dt为逆压电应变常数。

将公式两端同乘以压电陶瓷的电极间距d0，并将两边同时对时间求偏导，得到：

(2)

图5 调整压电参数得到的打印效果。(a)不同加压速率的电极打印效果；(b)不同脉冲持续时间的电极打印效果。

Fig.5Printingresultsofdifferentdrivingwaveformparameters. (a)Printingresultsofdifferentslewrate. (b)Printingresultsofdifferentduration(T).

打印机工作时的运动会使喷出的墨水具有水平方向的速度分量，当加压速率减小时，墨滴喷出速度减小，其飞行轨迹受横向速度分量的影响更为明显，图形会向打印机工作时的运动方向发生偏移；反之，当加压速率增大时，墨滴出射速度增大，首尾速度差增大，导致液柱易发生断裂[16]，产生大量卫星墨滴。

在一定范围内，当脉冲持续时间减小时，各波段在腔室中产生的压力波发生抵消，墨滴速度及大小均减小[17-18]，墨滴出射动能减小，图形同样易发生横向偏移；反之，墨水腔室中的压力波未完全叠加，使得墨滴不同部分所受压力波强度不同，因而产生较大速度差导致墨滴分裂，卫星墨滴增多[19-20]。

3.2 压电波形参数对电极表面粗糙度的影响

对上述失真程度较小的电极样品进行表面粗糙度的测量分析。利用白光干涉仪对这些样品的表面形貌进行测量。

图6中，不同颜色代表样品表面高度。在上述区域中，选取源、漏电极部分，得到其轮廓算术平均偏差Ra测量值，以此来表征样品的表面粗糙度。

图6 打印电极白光干涉测试结果示例

Fig.6Testresultofprintingelectrodebywhitelightinterferometer

由测试结果作出Ra随加压速率和脉冲持续时间的变化曲线，如图7所示。由图7(a)可知，在打印电极图形不失真的范围内，Ra与加压速率呈正相关；但在加压速率增加到一定数值后，Ra的增长趋势明显放缓。由图7(b)可知，在打印电极图形不失真的范围内，Ra与脉冲持续时间呈正相关。

图7 Ra随不同压电波形参数变化曲线。(a) Ra随加压速率的变化曲线；(b) Ra随脉冲持续时间的变化曲线。

Fig.7CurvesofthechangeofRawithdifferentdrivingwaveformparameters. (a) Ravs. Rslew. (b) Ravs. T.

墨滴的惯性力与表面张力的效应之比用韦伯数We表示，其定义如下：

(3)

其中ρ为墨滴密度，V0为撞击速度，σ为墨滴表面张力，D0为撞击前墨滴初始直径。墨滴撞击前的动能Ek、表面能Es分别如下所示[21]：

(4)

(5)

当We>30时，液滴在基板铺展接近薄盘状。本实验所用墨水在该打印条件下的We数经计算约为37～65，其在铺展过程中达到最大直径时的表面能Em可表示为：

(6)

Dm为墨滴铺展达到的最大直径，θ为接触角。由于墨滴在撞击过程中动能只有约1/2转化为了表面能[22]，因此有：

(7)

将Ek、Es、Em代入，可得：

(8)

即当We数较大时，最大铺展直径与We呈正相关。墨滴在接触基底直至其铺展达到平衡态的过程中，其动能转化为表面能并被粘性力所耗散[23]。随着加压速率和脉冲持续时间的增大，墨滴出射速度和出射墨滴体积都会相应增大，进而使得墨滴出射动能增大。在这个过程中，动能较大的墨滴具有较大的We数，故其达到的最大铺展面积越大，转化得到的表面能也越大，同时，铺展-回缩过程中固-液接触界面因剪切应力产生的粘性耗散也增加[24]。

可以推测：虽然动能较大的墨滴在铺展-回缩过程中粘性耗散较大，但其作用效果还是无法抵消动能差异而导致的墨滴的表面能差异。在一定动能范围内，墨滴的最终平衡状态主要与溶液以及基底性质相关[23]，因此不同条件下墨滴经铺展-收缩和融合后最终形状相近，故表面能的差异只能反映在膜层的微观起伏上，即具有较大动能的墨滴组成的图形最终具有较大的表面粗糙度。

相比脉冲持续时间而言，加压速率对出射墨滴的大小没有明显的影响。随着加压速率的增大，压电陶瓷的形变速率可能会达到极限。因此，墨滴的出射动能的增加受限，并最终反映为电极表面粗糙度的增加趋势放缓。

4 结 论

当加压速率和脉冲持续时间分别在0.08～1.65V/μs和1.216～2.688μs区间时，墨滴具有合适的出射动能，电极图形无卫星墨滴且沟道清晰，失真程度较小。在此范围内，电极表面粗糙度与加压速率及脉冲持续时间呈正相关。随着墨滴出射动能的增大，其铺展过程中转化得到表面能增大，最终使得表面粗糙度增大。在加压速率及脉冲持续时间分别为0.25V/μs、2.688μs及0.65V/μs、1.600μs时，电极图形化效果较好，表面粗糙度分别为59.04nm和59.27nm。

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宁洪龙(1971-)男，湖南株洲人，博士，教授，博士生导师，2004年于清华大学获得博士学位，主要从事新型信息显示材料与器件系统集成的研究。

E-mail: ninghl@scut.edu.cn姚日晖(1981-)，男，湖南涟源人，博士，副教授，2008年于中山大学获得博士学位，主要从事光电材料与器件领域的研究。

E-mail: yaorihui@scut.edu.cn

Regulation Rules of Piezoelectric Waveform on Ink-jet Printing Electrode

NING Hong-long, ZHU Zhen-nan, TAO Rui-qiang, CHEN Jian-qiu, ZHOU Yi-cong, CAI Wei, HU Shi-ben, YAO Ri-hui*, XU Miao, WANG Lei, LAN Lin-feng, PENG Jun-biao

(InstituteofPolymerOptoelectronicMaterialsandDevices,StateKeyLaboratoryofLuminescentMaterialsandDevices,MaterialCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Piezoelectric printing is one of the main processes of printed electronics. In this process, piezoelectric waveform has a direct impact on the spray regime of ink droplets, which will play an important role in the devices printing. In this text, effect of piezoelectric waveform on printing thin film transistor(TFT) electrode was studied. By changing slew rate and duration, the piezoelectric waveform parameters, a series of printing samples were obtained, and their patterning quality and surface roughness were measured. With the increasing of the slew rate and duration, the kinetic energy of the ink droplet increases, the patterning quality improves first and then deteriorates, and the surface roughness of final printing pattern gets higher. TFT electrodes with fine pattern are fabricated when the slew rate is from 0.08 V/μs to 1.65 V/μs, and the duration is from 1.216 μs to 2.688 μs. Fine-patterned TFT electrodes with surface roughness of 59.04 nm and 59.27 nm are fabricated when the slew rate and duration are 0.25 V/μs，2.688 μs and 0.65 V/μs， 1.600 μs, respectively. By adjusting the parameters of piezoelectric waveform, the optimization of printing quality can be achieved.

ink-jet printing; slew rate; duration; electrode of thin film transistor; surface roughness

2016-11-21；

2017-02-12

国家自然科学基金重大集成项目(U1601651)； 973国家重点基础研究发展计划(2015CB655004)； 国家重点研发计划专项(2016YFB0401504，2016YFF0203603)； 广东省自然科学基金(2016A030313459)； 广东省科技计划(2014B090915004, 2015B090914003,2016A040403037,2016B090907001，2016B090906002)； 中央高校基本科研业务费专项资金(2015ZP024， 2015ZZ063)； 广东省高校珠江学者资助计划(2016)资助项目 Supported by National Natural Science Foundation of China(U1601651); 973 National Key Basic Research and Development Program of China(2015CB655004); National Key R&D Program of China(2016YFB0401504,2016YFF0203603), Guangdong Natural Science Foundation(2016A030313459); Science and Technology Project of Guangdong Province (2014B090915004,2015B090914003,2016A040403037,2016B090907001,2016B090906002); Fundamental Research Funds for The Central Universities (2015ZP024,2015ZZ063); Project for Guangdong Province Universities and Colleges Pearl River Scholar Funded Scheme (2016)

1000-7032(2017)05-0617-06

TN41

A

10.3788/fgxb20173805.0617

*CorrespondingAuthor,E-mail:yaorihui@scut.edu.cn