《Progress in Organic Coatings》：基于UV固化和IPL烧结的无需热处理的高性能印刷电极

发布日期：2023-08-26浏览次数：301

文献摘要：

我们开发了柔性和紫外线固化电极，通过两种光工艺提高了电导率。现有的微粒电极耐久性较差。在这项研究中，我们通过使用纳米银粒子促进紫外线透射来提高电极的耐久性，并使用光子烧结工艺作为后处理工艺来提高电导率。该方法制备的UV固化纳米银膏的配方在横切胶带测试中没有问题，且具有优异的铅笔硬度(>3H)。电阻率为2.76×10−5Ω⋅cm，在曲率半径为3mm的条件下重复测试5万次，电阻变化率<1%。当我们制作了12个带有LED安装和弯曲的电极图案时，我们确认亮度没有变化。最后，由于聚对苯二甲酸乙二醇酯是一种低温基材，即使在工艺完成后也没有损坏，因此膏体和工艺即使在低温工艺中也表现出足够的性能。

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文献介绍：

印刷电子产品是指使用具有导电性、绝缘性和半导体性能的功能性油墨印刷或涂覆在各种基材(塑料、薄膜、纸张和玻璃)的方法制成的电子电路或电子产品。除了现有的刚性基板外，印刷电子产品还可以印刷在薄膜上，因此可以应用于需要电极电路的柔性显示器或电子元件。印刷工艺可分为接触式法和非冲击式法。接触印刷方法包括丝网印刷、压板印刷、平卷印刷和卷对卷印刷，而喷墨印刷是一种常见的非冲击印刷方法。印刷电子是有利的，因为它们可以以低成本生产电子电路，在薄而小的物体上制造电子电路，并实现生态友好的制造。

在印刷电子产品中，我们使用由材料制成的特殊墨水(粘贴)来形成电子电路，并使用喷墨打印机或层压机在目标物体上打印设计的电路图案是该过程的核心。因此，我们可以说打印机或层压机的驱动技术和专用油墨的制造是印刷电子技术的中心。在特种膏体中，紫外光固化膏体具有混合变化范围广、能耗低、固化快、可应用于易受热基材、优化能耗和生态友好等优点。在UV固化过程中，我们使用了一种由光引发剂引发并交联的环保聚合物。

在这项研究中，我们开发了一种具有优异导电性和柔性特性的紫外光固化电极。我们使用了非冲击丝网印刷工艺和低成本的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为基材，它在加热时易于延展性和弯曲。正如之前的研究表明，采用热烧结方法在PET衬底上印刷银电极，增加了工艺时间和温度，同时降低了电阻。然而，这种方法破坏了基材，增加了工艺成本。为了解决这些问题，采用了轻烧结的方法，在较低的温度和较短的时间内降低了电阻。

对于构建粘合层的树脂，我们使用了环氧丙烯酸酯，它具有长链，可以赋予电极柔性特性，并对基材具有优异的粘合强度。我们开发了一种配方，使用两种不同直径的微片状银颗粒和纳米银来获得优异的导电性。我们之所以没有在微银颗粒中使用微球型，是因为大部分颗粒为高温烧结型;当这些颗粒在低温下使用时，由于混合了树脂，银颗粒之间的接触面积变小，因此电导率测量不好。因此，我们选择颗粒间接触面积大的微片状银颗粒，制备大直径和小直径两种类型，通过不同直径的紫外光穿透率来检测固化程度。此外，在使用非常小的纳米银颗粒后，我们比较了使用微银颗粒时固化程度的差异，并进行了光子烧结工艺作为后处理工艺。光子烧结是利用氙灯照射电极表面，将氙光反射到反射板上的过程，适用于烧结金属纳米颗粒。结果表明，对于粒径较大的片状银电极，由于固化不良，粘接强度不佳，电阻率(3.27×10−3Ω⋅cm)较高。采用粒径较小的片状银电极时，固化效果好，粘接强度好，但电阻率较高(3.9×10−4Ω⋅cm)。最后，在纳米银的情况下，我们没有测量紫外线固化后的电阻，但以750J/cm²能量光烧结的电极显示出最优异的电阻率(2.76×10−5Ω⋅cm)，并且粘接强度和铅笔硬度(>3H)也很好。大多数研究往往忽略了进行单独的电极-衬底粘附试验。当我们验证以这种方式制作的电极的柔性特性时，以3mm的曲率半径重复5万次后，电阻变化率<1%。

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图1所示。制造工艺示意图:(a)丝网印刷，(b)UV固化，(b-1)聚合，(c)光子烧结

与先前研究中使用的电极相比，在经过1000次重复测试后，使用场发射扫描电镜(FE-SEM)证实电极表面出现了许多裂纹，而现有电极表面几乎没有裂纹;因此，由于精确测量了粘合剂的优异柔韧性和粘附性能，几乎没有增加阻力。当我们在安装了12个led并弯曲的图案上打印后，视觉上观察亮度的变化，我们发现没有变化。工艺完成后，我们确认PET基板没有熔化或损坏，因此验证了在低温下是可行的工艺。

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图2所示。UV固化（a）和(b)光子烧结后纳米银基电极的电阻

文献结论：

对于光固化膏体，我们可以确认固化程度是根据填料的大小来决定的。通过选择三种不同直径的银颗粒进行测试，纳米银的导电性最好。然而，由于电阻不能在UV固化后立即测量，我们必须执行光子烧结过程作为后处理。我们首先通过穿透紫外线固化后，通过光子烧结工艺扩大了电导率，并通过使用长链环氧丙烯酸酯树脂赋予电极柔性性能。我们利用流变特性开发了一种适合丝网印刷的浆料，并将其印刷在刚性基材(玻璃、PET)上，并测量了电极的耐久性(横切胶带测试、铅笔硬度)。结果表明，铅笔硬度达到3H以上，粘接强度也很好。由于PET是低温基板，加工后没有损坏，因此可以在低温下进行。为了验证其高耐久性和优异的电阻率(2.76×10−5Ωcm)，我们通过FT-IR峰分析观察了低聚物反应碱的变化，并通过SEM和FIB观察了电极的表面和截面。考虑到C—C键合的减少，紫外光固化性能优异，因此在测量时电极的耐久性很好。此外，由于光子烧结过程的有机物质蒸发和纳米银的烧结不仅在电极表面而且在电极内部都表现优异，因此在测量时电导率优异。最后，我们进行了弯曲测试和LED测试，验证了优异的导电性和柔性特性，同时我们进行了多次重复测试(50,000次)，曲率半径为3mm，电阻变化率<1%。由于LED图案弯曲到5毫米的曲率半径，由于暴露在测量设备上的LED数量减少，12个LED的亮度从81 lx下降到55 lx。因此，证实了柔性是可以验证的，并且导电性能优异。在上面，我们完成了一种低温型和紫外光固化银膏的开发，使具有优异导电性的柔性电极的快速制造过程成为可能。