墨水打印适印性调研结果

金属氧化物沉积喷墨打印技术在应用方面的一个主要挑战是找到合适的墨水配方。墨的化学成分和制剂类型不仅决定了液滴喷射特性和稳定性，而且决定了打印图案的质量^{[7，17，18，25]}。按需喷墨（DOD）的方法是现代工业应用中最常见的方法。该方法精确存放一定数量的功能性墨水，通过施加一个很小的压力，以液滴的形式从一个直径20～50μm的喷嘴中打印在任意表面上^[26，27]。喷射运行机制涉及后面的喷射孔，由于通路中填充有流体，产生了压力波。在该孔的端部，表面张力保持不变，液面呈弯月状。波可以传播对流体的表面张力，从而形成一个小的液滴，并使它从喷嘴喷出。在适当的电压条件下，喷出的流体可以进一步变成较高质量的喷墨单滴。然而，一个适当的压电致压功能性墨水材料的可用性有限。不相称的墨水会导致在喷嘴与液滴之间形成不易断裂的长丝^[28]，造成墨水喷射的不稳定，从而会影响打印的位置精度和分辨率以及墨水的适印性。现今已经开始喷墨打印流体动力学的研究^[29-32]，同时喷墨动力学的原子论理论也正在形成^[33，34]。

黏度、密度和表面张力是打印流体的重要物理参数。在给定的电压下，流体的这些性质会影响滴落形成机制和随后的液滴尺寸。这种喷墨打印行为的特点与奥内佐格（Ohnesorge）数（Z）的逆有关，它涉及黏度、表面张力及流体的密度。综合考虑了打印的几个特征，包括单液滴成形性、最小间隔距离、位置精度和最大允许的喷射频率后，重新定义可打印范围的Z值，即4≤Z^-1≤14。流体Z^-1值（低于4）时，液滴形成时产生长寿命细丝，单液滴产生的时间也较长，降低了定位精度和打印分辨率。具有较高的Z^-1值流体（高于14）也不合适喷绘打印，因为它们不能形成单一的液滴。这些低黏度流体的黏性耗散较小，容易造成液滴喷射。大振荡动能和高表面张力导致迅速下降的液滴上会产生分离退丝，形成并不需要的丝团。合适的喷墨打印范围代表流体是否可以稳定地和准确地通过喷墨进行打印。

对于金属氧化物的溶胶凝胶溶液，其Z^-1值落入可打印范围内，这意味着所述的溶胶凝胶前驱体溶液是易于进行喷墨打印的。然而，含水的碱性前驱体在进行打印时，具有较高的表面张力。另外，氨的蒸发可能导致喷射变得不稳定。加入异丙醇（IPA）可以在一定程度上改善墨水的可喷射性。如图15.1a所示，IPA加入含水氧化锌的前驱体，可以提高喷墨的稳定性。受控表面张力在IPA加入前驱体中，可以使丝线断开，形成大小、形状和间距都相等的球形小液滴。氧化锌水溶液前驱体中加入氨水，会导致一些不稳定球形液滴的形成和非直线的液滴喷射。当放置基板时，IPA加入前驱体可以进行精确沉积，而氨系水溶液的ZnO前驱体液滴的滴落位置则会偏离，如图15.1b所示。喷墨打印设备的性能显著依赖于沟道层在源极/漏极电极之间形成的方式。当该打印点位置偏离中心时，创建的设备参数的波动是非均匀性的，沉积的圆形薄膜在沟道层和电极上就会较厚。只有在良好控制的条件下，才有可能大面积打印TFT阵列。然而，应该指出的是，如图15.2所示，IPA的电气性能会下降。加入IPA的前驱体制造的旋涂氧化锌通道为基础的TFT在200°C下在空气中退火。结果表明，这种方法制造出的TFT具有较高的V_th值，滞后性也增加，与其水性前驱体衍生物相比，具有较低的流动性。这种性能下降是由于在IPA存在的环境下，IPA会抑制冷凝和结晶过程，从而导致较高密度的缺陷并降低了其性能[21]。(www.xing528.com)

图15.1 a）具有代表性的不同液滴滴落的一系列图片：水的氧化锌前驱体和加入了IPA的水的ZnO前驱体；b）喷墨打印的ZnO的光学图像前驱体点：在相同的地方滴了1～4滴液滴的数量。喷墨头的喷嘴直径为30μm，液滴的喷射通过施加 25～28V脉冲，频率为1400Hz，基板不预热