drukowanie atramentu przewodzącego: zastosowania, kryteria wyboru i wskazówki praktyczne

Zespół prototypowy pracujący nad elastycznymi czujnikami temperatury stanął ostatnio przed znanym problemem: dostępna z półki srebrna pasta, na której polegali, pękała przy zginaniu się podłoża poliimidowego, a etap utwardzania wymagał temperatury 150°C, co wykluczyło zastosowanie folii termoczułej, której chcieli użyć. Potrzebowali materiału przewodzącego, który można zadrukować, utwardzać w niższej temperaturze i nadal utrzymywać stabilną odporność przez setki cykli zginania. Poszukiwania doprowadziły ich do drukowania atramentem przewodzącym jako alternatywy dla tradycyjnego trawienia i dozowania pasty srebrnej.

Dobra wiadomość jest taka, że ​​atrament przewodzący wyszedł poza eksperymenty laboratoryjne. Nowoczesne formuły stosowane są w przełącznikach membranowych, antenach RFID, podgrzewanych siedzeniach, rozciągliwych elektrodach medycznych i interkonektach do inteligentnych opakowań. Praktycznym wyzwaniem nie jest znalezienie atramentu, który sprawdzi się w wersji demonstracyjnej, ale wybranie takiego, który przetrwa warunki produkcyjne i terenowe. Atrament przewodzący to system złożony, a jego ostateczna wydajność zależy od łańcucha wzajemnie powiązanych wyborów: rodzaju wypełniacza, składu chemicznego nośnika, energii powierzchniowej podłoża, narzędzia drukującego oraz spiekania lub utwardzania po druku.

Co definiuje recepturę atramentu przewodzącego?

Farba przewodząca składa się z trzech części funkcjonalnych: wypełniacza przewodzącego, fazy nośnej i zestawu dodatków kontrolujących zwilżanie, reologię, trwałość i przyczepność. Wypełniacz zapewnia ścieżkę elektronową. Nośnik pełni rolę nośnika, który utrzymuje wypełniacz w dyspersji i przenosi go na podłoże. Po zadrukowaniu nośnik usuwa się poprzez odparowanie, utwardzanie promieniami UV lub spiekanie termiczne, pozostawiając siatkę przewodzącą.

Najpopularniejszymi wypełniaczami są srebro, miedź, węgiel i polimery przewodzące. Srebro jest materiałem odniesienia, ponieważ jego rezystywność nasypowa jest niska, a jego właściwości utleniające są łatwe do kontrolowania. Miedź jest tańsza, ale podczas spiekania wymaga środowiska obojętnego lub redukującego, aby zapobiec tworzeniu się tlenków. Węgiel jest niedrogi i elastyczny mechanicznie, ale ma wyższą odporność na arkusz. Przewodzące systemy polimerowe są rzadkością w produkcji przemysłowej ze względu na obawy dotyczące długoterminowej stabilności, ale są stosowane tam, gdzie liczy się przezroczystość optyczna lub rozciągliwość.

Wybór wypełniacza to tylko jedna część problemu. Układ rozpuszczalników określa, czy farbę można drukować na konkretnym podłożu, nie uszkadzając go. Na przykład tusz do drukarek atramentowych dostosowany do folii PET musi mieć określone napięcie powierzchniowe i zakres lepkości, natomiast tusz do sitodruku przeznaczony do transferu na tekstylia może być gęstą pastą o zupełnie innym zachowaniu.

Typowe rodzaje atramentu przewodzącego do drukowania

Użytkownicy przemysłowi zazwyczaj klasyfikują tusze przewodzące na podstawie procesu drukowania i składu chemicznego wypełniacza. Poniżej znajduje się praktyczne podsumowanie najpopularniejszych kategorii i ich kompromisów.

W produkcji wybór często zależy od tego, czy drukowany przewodnik ma przenosić sygnał, dostarczać energię, czy też służyć jako element grzejny. Linie sygnałowe tolerują wyższą rezystancję arkusza, dlatego należy rozważyć farby węglowe lub miedziane. Ścieżki zasilania i anteny wysokiej częstotliwości zwykle wymagają cząstek srebrnych lub pokrytych srebrem. W niektórych konstrukcjach hybrydowych tylko krytyczny element obwodu wykorzystuje metal szlachetny, podczas gdy pozostałe ścieżki przewodzące wykorzystują tańsze materiały.

Metody drukowania i zagadnienia dotyczące procesu

Ten sam atrament przewodzący zachowuje się inaczej podczas drukowania za pomocą głowicy atramentowej, szablonu lub ekranu obrotowego. Lepkość i wielkość cząstek to pierwsze parametry, które inżynier procesu musi dopasować do wybranego sprzętu drukującego.

Druk atramentowy

Druk atramentowy jest atrakcyjny w przypadku szybkiego prototypowania i produkcji niskonakładowej, ponieważ jest metodą bezkontaktową i addytywną. Oferuje cienkie linie o szerokości do 50 µm lub większej. Atrament musi mieć lepkość zazwyczaj poniżej 20 cP, a rozkład wielkości cząstek musi być wystarczająco wąski, aby uniknąć zatykania dyszy. Przewodzące tusze srebrne do drukarek atramentowych to często dyspersje nanocząstek metali, które po osadzeniu wymagają spiekania, aby stopić cząstki w ciągłą warstwę.

Sitodruk

Sitodruk pozostaje głównym narzędziem w przypadku przełączników membranowych i elastycznych grzejników. Wykorzystuje gęstą pastę o dużej zawartości substancji stałych, często 50–70% wagowych i zakresie lepkości od 1000 do 10 000 cP. Ponieważ pasta jest przecierana przez siatkę, zadrukowana folia może mieć grubość 5–20 µm, co pozwala uzyskać niski opór. Sitodruk pozwala na zastosowanie cząstek srebra w kształcie płatków, które dobrze się pakują i zapewniają przewodność przy mniejszym spiekaniu.

Powłoki wklęsłe, fleksograficzne i szczelinowe

W przypadku wielkonakładowej produkcji z roli na rolę druk wklęsły i fleksograficzny zapewnia dużą prędkość i stałą gramaturę powłoki. Powłoka szczelinowa jest powszechna w przypadku jednolitych cienkich warstw. Metody te dobrze nadają się do pakowania, baterii z nadrukiem i wielkopowierzchniowych układów czujników. Głównym ograniczeniem projektowym jest to, że atrament musi wysychać lub utwardzać się wystarczająco szybko, aby umożliwić ciągły ruch wstęgi.

Podstawa obwodu również wymaga odpowiedniego przygotowania powierzchni. Obróbka koronowa lub plazmowa może podnieść energię powierzchniową tworzyw sztucznych, umożliwiając równomierne zwilżenie podłoża przez atrament. Niewielka zmiana energii powierzchniowej może spowodować powstawanie dziur lub przepływ krawędziowy, co z kolei zmienia opór końcowego śladu. Z tego powodu kontrola procesu – a nie tylko formuła atramentu – odgrywa główną rolę w zapewnieniu powtarzalnej przewodności.

Gdzie płyny jonowe pasują do przewodzących systemów atramentowych

Ciecze jonowe to sole, które są ciekłe w temperaturze pokojowej lub do niej zbliżonej. Ich najważniejszą cechą w kontekście opracowywania atramentów przewodzących jest to, że łączą w sobie niską lotność, regulowaną lepkość i szeroką stabilność elektrochemiczną. W drukowanej elektronice nie są one zwykle używane jako główny wypełniacz przewodzący. Zamiast tego działają jako dodatki funkcjonalne, które zmieniają zachowanie atramentu w sposób poprawiający przetwarzalność lub końcową wydajność.

Jedną z wyraźnych ról jest modyfikator reologii. Dodanie niewielkiej ilości cieczy jonowej może obniżyć lepkość wodnej dyspersji lub wpłynąć na tiksotropowe zachowanie pasty sitodrukowej. Może to pomóc formulatorowi w osiągnięciu profilu rozcieńczania przy ścinaniu potrzebnego do spójnego drukowania bez zwiększania zawartości lotnych substancji organicznych. Inną rolą jest promotor przyczepności. Niektóre ciecze jonowe na bazie imidazolu oddziałują zarówno z cząstkami metalu, jak i podłożem polimerowym, zmniejszając kąt zwilżania i zwiększając siłę wiązania między drukowanym śladem a folią.

Ciecze jonowe umożliwiają również poprawę wydajności drukowanych urządzeń elektrochemicznych. Na przykład w drukowanym czujniku gazu ciecz jonowa może służyć jako faza elektrolitowa, dzięki czemu drukowane elektrody metalowe mogą działać bez oddzielnej warstwy ciekłego elektrolitu. Ma to praktyczne konsekwencje dla biosensorów do noszenia i monitorów środowiskowych, w których liczy się szczelna konstrukcja półprzewodnikowa.

W przypadku obwodów elastycznych przeznaczonych do pracy pod obciążeniem wybór dodatku może wpływać na zachowanie przy ściskaniu i rozciąganiu. Niektóre ciecze jonowe działają jak plastyfikatory w matrycy polimerowej, umożliwiając wyginanie się sieci przewodzącej bez pękania. Jest to analogiczne do stosowania plastyfikatorów w elastycznym PCV, ale ciecz jonowa zapewnia również przewodność jonową, co może pomóc w utrzymaniu stabilnego sygnału w przypadku odkształceń mechanicznych.

Bis(fluorosulfonylo)imid 1-etylo-3-metyloimidazoliowy jest przykładem cieczy jonowej, która łączy w sobie niską temperaturę topnienia z wysoką przewodnością jonową. W preparacie powłoki przewodzącej można ją zastosować do regulacji odpowiedzi dielektrycznej lub do ulepszenia granicy faz elektroda-elektrolit w konstrukcji drukowanej baterii lub superkondensatora. Zawarty w nim aromatyczny kation imidazoliowy może oddziaływać z powierzchnią wypełniacza, potencjalnie pomagając w utrzymaniu bardziej równomiernego rozkładu cząstek podczas etapu suszenia.

Bis(fluorosulfonylo)imid 1-etylo-3-metyloimidazoliowy Wodorosiarczan N-metyloimidazoliowy Zobacz produkt →

Chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy to klasyczny wybór dla formulatorów, którzy muszą dostroić polarność rozpuszczalnika lub zmodyfikować zachowanie zwilżania podłoża. Jego anion chlorkowy jest również znaną alternatywą dla dodatków w postaci kwasów organicznych w niektórych obróbkach powierzchni metali. Stosowany w ilości kilku procent wagowych może przesuwać potencjał zeta zawiesiny wypełniacza i stabilizować dyspersję przed aglomeracją.

Chlorek 1-butylo-3-metyloimidazoliowy Wodorosiarczan N-metyloimidazoliowy Zobacz produkt →

W przypadku systemów hydrofobowych nonafluorobutanosulfonian metylotributyloamoniowy umożliwia modyfikację powierzchni atramentu bez znacznego zwiększania absorpcji wody. Jest to czwartorzędowa sól amoniowa z fluorowanym sulfonianem, a jej nieporęczna struktura może przyczyniać się do zmniejszenia wchłaniania wilgoci. W środowiskach, w których obwód drukowany musi wytrzymać wysoką wilgotność bez zmiany rezystancji powierzchniowej, taki dodatek może okazać się cenny.

Nonafluorobutanosulfonian metylotributyloamoniowy Perfluorobutanosulfonian TBMA jest cieczą jonową o nazwie chemicznej TBMA perfluorobutanosulfonian. Jest to bezbarwna, przezroczysta ciecz, która jest stabilna w temperaturze pokojowej... Zobacz produkt →

Należy podać praktyczne ograniczenie: ciecze jonowe nie zastępują metalu przewodzącego. Nie są w stanie same obniżyć odporności atramentu wypełnionego srebrem. Oferują jednak sposób na rozwiązanie problemów związanych z formułowaniem receptur związanych z dyspersją, zwilżaniem i przyczepnością, szczególnie w elastycznych lub rozciągliwych urządzeniach elektronicznych. Każdy dodatek należy sprawdzić pod kątem końcowego zastosowania, ponieważ ciecz jonowa poprawiająca zwilżanie może również zmniejszyć przewodność suchej powłoki.

Testy wydajności i kryteria wyboru

Przed przystąpieniem do chemii kupujący powinien określić minimalne wymagania dotyczące wydajności i zakresy tolerancji. Poniższe pytania zazwyczaj wyjaśniają rzeczywiste wymagania.

• Jak niski musi być opór? Odpowiedź określa, czy wymagane jest srebro lub czy można rozważyć miedź lub węgiel.
• Jaki jest najniższy dopuszczalny promień gięcia? Jeśli obwód będzie wielokrotnie składany, krucha warstwa nanocząstek srebra może uszkodzić zewnętrzną warstwę naprężającą.
• Jaka temperatura utwardzania jest dostępna? Podłoża takie jak PET wytrzymują temperaturę do 150°C, podczas gdy niektóre folie PI wytrzymują temperaturę 250°C.
• Czy system rozpuszczalników jest zgodny z ograniczeniami dotyczącymi pomieszczeń czystych i wilgotności? Atramenty rozpuszczalnikowe mogą wymagać specjalnego odsysania, natomiast atramenty wodne mogą schnąć powoli na nieporowatych podłożach.
• Jaka jest przewidywana wielkość produkcji? Wysokonakładowe serie R2R uzasadniają inną formułę atramentu niż mała partia produkowana na drukarce płaskiej.

W wielu przypadkach najlepiej sprawdza się podejście hybrydowe. Producent elastycznych grzejników może zastosować pastę z płatków srebra do głównych ścieżek przewodzących i tusz węglowy do elementów rezystancyjnych lub czujnikowych. Ten sam producent może dodać ciecz jonową do pasty srebra, aby poprawić przyczepność do podłoża niskoenergetycznego lub obniżyć temperaturę spiekania wymaganą dla określonego gatunku poliimidu.

Tabela 2 podsumowuje ryzyko związane z zakupem każdej rodziny atramentów. Są to tryby awarii, które pojawiają się dopiero po zintegrowaniu atramentu z produktem.

Zastosowania w produkcji w świecie rzeczywistym

Jednym z obszarów uprawy są drukowane elektrody do monitorowania fizjologii. Jednorazowy plaster medyczny wymaga elektrody, która jest elastyczna, bezpieczna dla skóry i podatna na tanie drukowanie. W tym zastosowaniu w przewodniku zastosowano srebrny atrament, a konstrukcja czujnika nośnego opiera się na połączeniu węgla i innych dodatków. Opór powierzchniowy musi pozostać stabilny nawet wtedy, gdy plaster rozciąga się wraz z ruchem pacjenta.

Kolejna instalacja znajduje się w inteligentnych opakowaniach. Ścieżka przewodząca wydrukowana na podłożu papierowym lub foliowym może działać jako element grzejny lub antena do śledzenia zapasów. Niski koszt atramentów węglowych jest tutaj atrakcyjny, ale przetwórcy opakowań potrzebują również końcowej warstwy barierowej, aby chronić drukowany element przed wilgocią. Konstrukcja hybrydowa może wykorzystywać srebro w antenach i węgiel w obszarach antystatycznych lub wykrywających wilgoć.

Przemysł motoryzacyjny drukuje obecnie obwód przewodzący prąd elektryczny bezpośrednio na elementach teksturowanych lub zakrzywionych. Na przykład czujnik zajętości siedzenia można wydrukować na tkaninie kompozytowej, która nie toleruje ostrego narażenia na rozpuszczalniki. W tym przypadku kluczowym wymaganiem jest atrament, który szybko schnie w niskiej temperaturze i jest odporny na wielokrotne ściskanie mechaniczne. Dodatek cieczy jonowej może pomóc obniżyć temperaturę utwardzania i poprawić zwilżanie tkanego włókna.

Producenci zajmujący się procesami wrażliwymi na zanieczyszczenia stosują również tusze przewodzące jako warstwę antystatyczną. Jest to istotne w przypadku rynków wymagających kontrolowanego rozpraszania ładunków elektrostatycznych na etykietach lub folii ochronnej. Wydrukowany wzór przewodzący jest zwykle na tyle cienki, że jest ledwo widoczny, a właściwości elektryczne są ukierunkowane na zakres rezystywności powierzchniowej od 10^6 do 10^9 Ω/m2. Te same dodatki, które poprawiają zwilżanie ścieżki obwodu przewodzącego, mogą również pomóc powłoce antystatycznej w niezawodnym osiągnięciu docelowej wartości.

Nasze przykłady zastosowań pokaż, jak wyspecjalizowany dostawca dodatków podchodzi do wyzwań przemysłowych, od powłok antystatycznych po środki oddzielające. W każdym przypadku podstawowa zasada pozostaje niezmienna: przed wyborem systemu atramentowego należy zapoznać się ze stresem związanym z użytkowaniem końcowym i traktować dodatki jako część równania projektowego, a nie poprawki wprowadzane w ostatniej chwili.

Aby uzyskać głębsze techniczne spojrzenie na chemię addytywną i syntezę przemysłową, nasze przewodnik po zastosowaniach cieczy jonowych oferuje praktyczne rozważania dla producentów, którzy chcą zweryfikować nowatorski preparat przed zwiększeniem skali. W przewodniku omówiono wzajemne oddziaływanie przewodności, stabilności termicznej i zgodności procesu podczas przechodzenia od laboratoryjnej weryfikacji koncepcji do produkcji ciągłej.