有芯喷头结构对电液耦合喷印的影响

徐 磊 汪 超

（1.江西景德镇陶瓷学院 江西 景德镇：333403；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080）

目前，喷印技术不仅应用于传统的文字打印，也在微电子制造方面发挥了独特的作用，如电极［1］、太阳能电池［2－3］、半导体［4］、有机场效应管［5－6］、发光器件［7－8］、传感器［9－10］等。由于喷印方式属于加成工艺，因而使用这种方法制作微机电器件，能够实现无掩膜光刻工艺［11］，简化微器件的生产工艺、降低其生产成本。

传统的按需喷印技术主要包括热气泡式、压电式、静电式，它们通过液腔变形挤压溶液而实现喷射。但是当溶液粘度较高时，有限的挤压变形产生的挤压力难以克服液体的粘滞力作用，因而难以有效地将液流分裂成液滴喷射，故传统的喷印技术一般要求溶液粘度较低（＜20mPa·s［12－13］）。

基于电液动力学原理的电液喷印技术（简称EHD喷印），由于从外部提供静电力，并诱使液体射出，因而不仅能够喷射粘度很高的溶液，而且其射流直径远小于喷头尺寸，因此喷头不易堵塞。

脉冲高压作用下的EHD喷印能够喷射微米级微滴［14］，或者使微滴重叠成连续线结构。EHD喷印能够替代传统喷印技术，直接应用于柔性电子领域，是较为理想的、潜在的无掩膜图形化喷印方法。在EHD喷印中，有芯喷头与空心喷头是喷头的两种基本结构。前期的研究工作表明，使用有芯喷头与空心喷头，在脉冲高压作用下，溶液的沉积频率与电压频率间存在分频关系，因而能实验喷印的有效控制［15－16］。但是由于有芯喷头中针芯抑制着溶液流动，使得有芯喷头更能实现高频率喷印。本文主要讨论有芯喷头结构对脉冲喷印的影响。

1 实验

实验使用前期研究中采用的实验装置［16］，其中高压脉冲电源（圣火HVP－402NP1）的正极接有芯喷头、负极接硅收集板，收集板与XY运动平台（固高GXY1515GT4）固定连接，微注射泵（Harvard 11 Pico Plus）向喷头内连续供给1%PEO溶液。溶液的粘度为5cP，供液速度为50μL／hr。有芯喷头是在空心喷管中插入直径为0.20mm的实心不锈钢针制做而成，针尖曲率半径约为10μm，如图1所示。图中，dcap、htip、lctc为本文的实验参数，即喷管内径、针芯伸出喷管的长度、喷管至收集板距离。

实验时，溶液在脉冲占空比为12%的脉冲电场作用下由喷头喷出，沉积在硅收集板上。沉积物的形态通过光学显微镜（Mitutoyo）及数字摄像机（Sony SSC－DC80）进行观察，并利用图像处理软件（CoolRuler）测量沉积液滴的间距。溶液沉积频率fdep则表示为收集板运动速度vcol与沉积液滴间距的比值。

图1 有芯喷头结构

2 结果

2.1 喷管内径对脉冲喷印的影响

图2表征了喷管内径dcap对溶液喷射的影响。实验中，喷管至收集板间距lctc＝2.2mm，针芯伸出长度为htip＝0.16mm。实验使用了三种喷管，其内径分别为0.26mm、0.34mm、0.41mm，外径对应为0.51mm、0.64mm、0.72mm。图2（a）显示了溶液在不同喷管内径下的实际沉积情况，更多的实验统计结果反映在图2（b）中，其工作电压为3300V。由图可知，溶液沉积频率随电压频率增加而增大，且电压频率与溶液沉积频率的比值均近似为整数倍，即满足fdep＝fapp／N（N＝1，2，3，…），这是使用有芯喷头喷印的基本规律［16］。当fdep＜fapp时，溶液的沉积频率跟随喷管内径的减小而增加。图2（c）则揭示了喷管内径对溶液极限喷射电压的影响。当电压频率fapp＝50Hz时，溶液喷射电压的上极限不随喷管内径发生变化，其基本维持在3375V，但溶液喷射电压的下极限随喷管直径增大而从2875V提高到3025V。

图2 喷管内径对脉冲喷印的影响

2.2 针芯伸出长度对脉冲喷印的影响

图3表征了针芯由喷管中伸出长度htip对溶液喷射的影响。实验中，喷管内径dcap＝0.26mm，喷管至收集板间距lctc＝2mm。实验中，调针芯伸出长度htip分别调节为100um、200um、350μm。图3（a）显示了溶液在不同针芯伸出长度下的实际沉积情况，更多的实验统计结果反映在图3（b）中，其工作电压为3000V。由图可知，实验满足喷印规律，即溶液沉积频率具有分频关系，且随电压频率增加而增大。同时，当电压频率fapp＞60Hz时，溶液在不同针芯伸出长度下的沉积频率是相同的，但是当fapp＜60Hz时，溶液沉积频率随针芯的收缩而提高。图3（c）则揭示了针芯伸出长度对溶液极限喷射电压的影响。当电压频率fapp＝50Hz时，溶液喷射电压的下极限不跟随针芯伸出长度发生变化，即基本维持在2750V，而溶液喷射电压的上极限随针芯伸出长度增加而从3450V下降到3025V。

2.3 喷管至收集板距离对脉冲喷印的影响

图4表征了喷管至收集板距离lctc对溶液喷射的影响。实验中，喷管内径dcap＝0.26mm，针芯伸出长度htip＝200μm。实验中，喷管至收集板间距lctc分别调节为1.8um、2.0um、2.3mm。图4（a）显示了溶液在不同喷管至收集板距离下的实际沉积情况，更多的实验统计结果反映在图4（b）中，工作电压为3000V。由图可知，喷管至收集板距离不影响已知的喷印规律，即溶液沉积频率的分频特性。同时，当电压频率fapp＝60Hz时，溶液在不同喷管至收集板距离下的沉积频率是相同的，但是当fapp＜60Hz时，溶液沉积频率随喷管至收集板距离的增加而提高。图4（c）则揭示了喷管至收集板距离对溶液极限喷射电压的影响。当电压频率fapp＝50Hz时，随着喷管至收集板距离的增加，溶液喷射电压的下极限从2700V提高到2975V，而溶液喷射电压的上极限从3150V提高到3525V。

图3 针芯伸出长度对脉冲喷印的影响

图4 喷管至收集板距离对脉冲喷印的影响

3 讨论

粘性溶液在喷管中流动时，由于附壁效应，实心针芯的表面起着抑制溶液流动的作用。即当溶液顺流时，针芯表面会阻碍溶液向收集板方向运动；而溶液回流时，针芯表面会阻挡溶液向喷管方向收缩。这种阻流作用，使有芯喷管比空心喷管更容易实现高分辨率的喷印［16］。

另一方面，实心针芯也改变了电极间的电场分布，使得针芯尖端存在强电场区。因而针芯尖端表面附着的溶液在电场作用下流动较快，并率先发生喷射。当电场作用时间越长或者电场力越大，则从针芯尖端喷射的溶液量越多。这种现象导致了溶液的单次喷射量增加，液滴沉积后的尺寸增大。在确定的供液速度下，则使溶液的沉积频率下降。

在固定的喷管至收集板距离下，当针芯伸出长度变长，会导致尖端距收集板距离缩小，从而使尖端电场增强，以致于从尖端喷射的溶液增多，沉积频率下降（图3）。同理，当针芯伸出喷管的长度保持固定不变时，若喷管至收集板距离减小，也会导致针芯尖端电场增强，沉积频率下降（图4）。同时，喷管内径增大，会导致流入针芯尖端处的溶液增多、单次喷射量增加，从而使沉积频率下降（图2）。

另外，在有芯喷头结构中，当针芯突出喷管或者与喷管持平时，由于针芯顶端的曲率半径很小，同时脉冲喷射时的电极间距较小，这使得针芯顶端处的电场强度远远高于喷头的其它部位。因此，若电压升高导致电极间出现击穿放电现象时，几乎都是由针芯顶端开始的。由此可见，溶液喷射电压的上极限是由针芯尖端到收集板的距离确定。另一方面，溶液是在电场作用下，经由喷管末端的悬滴表面涌向针芯尖端并形成喷射。因而，能否形成悬滴的表面流是喷射的关键，故喷管尺寸及其到收集板的距离决定着溶液喷射电压的下极限。

4 结论

喷管中插入的针芯不仅起着抑制溶液顺流与回流的作用，还改变了电极间的电场分布。这使得针芯尖端处的电场最强，以致于溶液总是从针芯尖端处开始喷射。实验表明，喷管内径减小、针芯伸出长度缩短、喷管至收集板距离增加，会导致单次从针芯尖端处喷射的溶液量减少，从而使溶液的沉积频率更容易等于电压频率。同时，由于针芯尖端曲率半径小、距离收集板近，因而限制了溶液喷射的上极限电压；而喷管末端悬滴表面流是电纺丝形成的基本条件，故喷管尺寸及其至收集板板距离决定了溶液喷射的下极限电压。

［1］M.Layani，I.Cooperstein，S.Maqdassi.UV crosslinkable emulsions with silver nanoparticles for inkjet printing of conductive 3Dstructures［J］.J.Mater.Chem.C，2013，1（19）：3244－3249.

［2］D.Angmo，J.Sweelssen，R.Andriessen，Y.Galagan，F.C.Krebs.Inkjet printing of back electrodes for inverted polymer solar cells［J］.Advanced Energy Materials，2013.

［3］Y.Sun，Y.Zhang，Q.Liang，Y.Zhang，H.Chi，Y.Shi，D.Fang.Solvent inkjet printing process for the fabrication of polymer solar cells［J］.RSC Adv.，2013，3（30）：11925－11934.

［4］C.Newby，J.K.Lee，C.K.Ober.Inkjet printing of fluorinated materials and their application to patterning organic semiconductors［J］.J.Mater.Chem.C，2013.

［5］L.Teng，M.Plotner，A.Turke，B.Adolphi，A.Finn，R.Kirchner，W.J.Fischer.Nanoimprint assisted inkjet printing to fabricate sub－micron channel organic field effect transistors［J］.Microelectronic Engineering，2013，110：292－297.

［6］K.H.Shin，J.Cho，J.Jang，H.S.Jang，E.S.Park，K.Song，S.H.Kim.Polypyrrole top－contact electrodes patterned by inkjet printing assisted vapor deposition polymerization in flexible organic thin－film transistors［J］.Organic Electronics，2012，13（5）：715－720.

［7］A.Teichler，Z.Shu，A.Wild，C.Bader，J.Nowotny，G.Kirchner，S.Harkema，J.Perelaer，U.S.Schubert.Inkjet printing of chemically tailored light－emitting polymers［J］.European Polymer Journal，2013，49（8）：2186－2195.

［8］H.Gorter，M.J.J.Coenen，M.W.L.Slaats，M.Ren，W.Lu，C.J.Kuijpers，W.A.Groen.Toward inkjet printing of small molecule organic light emitting diodes［J］.Thin Solid Films，2013，532：11－15.

［9］F.Molina－Lopez，D.Briand，N.F.de Rooij.Inkjet printing of interdigitated capacitive chemical sensors with reduced size by the introduction of a dielectric interlayer［J］.Procedia Engineering，2012，47：1173－1176.

［10］C.Hu，X.Bai，Y.Wang，W.Jin，X.Zhang，S.Hu.Inkjet printing of nanoporous gold electrode arrays on cellulose membranes for high－sensitive paper－like electrochemical oxygen sensors using ionic liquid electrolytes［J］.Anal.Chem.，2012，84（8）：3745－3750.

［11］Y.Wang.Applying drop－on－demand inkjet printing method to maskless lithography ［D］.University of California，Berkeley，2005.

［12］Y.Jang，Y.D.Park，J.A.Lim，et al.Patterning the or－ganic electrodes of all－organic thin film transistors with a simple spray printing technique［J］.Applied Physics Letters，2006，89（18）：183501.

［13］B.J.de Gans，U.S.Schubert.Inkjet printing of well－defined polymer dots and arrays［J］.Langmuir，2004，20（18）：7789－7793.

［14］J.U.Park，M.Hardy，S.J.Kang，et al.High－resolution electrohydrodynamic jet printing ［J］.Nature Materials，2007，6（10）：782－789.

［15］L.Xu，X.Wang，T.Lei，D.Sun，L.Lin.Electrohydrodynamic deposition of polymeric droplets under low－frequency pulsation［J］.Langmuir，2011，27（10）：6541－6548.

［16］L.Xu，D.Sun.Electrohydrodynamic Printing under Applied Pole－Type Nozzle Configuration［J］.Applied Physics Letters，2013，102（2）：024101.