vodivý atrament pre tlač: Aplikácie, kritériá výberu a praktické pokyny

Prototypový tím pracujúci na flexibilných teplotných senzoroch nedávno čelil známemu problému: strieborná pasta, na ktorej boli závislí, praskla, keď sa polyimidový substrát ohýbal, a krok vytvrdzovania vyžadoval 150 °C, čo vylučovalo použitie filmu citlivého na teplo. Potrebovali vodivý materiál, ktorý by sa dal tlačiť, vytvrdzovať pri nižšej teplote a stále si udržiavať stabilnú odolnosť počas stoviek ohybových cyklov. Ich hľadanie ich priviedlo k tlači vodivého atramentu ako alternatívy k tradičnému leptaniu a dávkovaniu striebornej pasty.

Dobrou správou je, že vodivý atrament sa posunul za hranice laboratórnych experimentov. Moderné formulácie sa používajú v membránových spínačoch, RFID anténach, vyhrievaných sedadlách, roztiahnuteľných medicínskych elektródach a prepojkách pre inteligentné balenie. Praktickou výzvou nie je nájsť atrament, ktorý funguje v ukážke, ale vybrať ten, ktorý prežije výrobné a poľné podmienky. Vodivý atrament je kompozitný systém a jeho konečný výkon je určený reťazcom vzájomne pôsobiacich volieb: typ plniva, chémia nosiča, povrchová energia substrátu, tlačový nástroj a spekanie alebo vytvrdzovanie po tlači.

Čo definuje formuláciu vodivého atramentu?

Vodivý atrament sa skladá z troch funkčných častí: vodivého plniva, nosnej fázy a sady aditív, ktoré riadia zmáčanie, reológiu, skladovateľnosť a priľnavosť. Výplň poskytuje dráhu elektrónov. Nosič funguje ako nosič, ktorý udržuje plnivo rozptýlené a prenáša ho na substrát. Po vytlačení sa nosič odstráni odparením, UV vytvrdením alebo tepelným spekaním, pričom zanechá vodivú sieť.

Najbežnejšie plnivá sú striebro, meď, uhlík a vodivé polyméry. Striebro je referenčným materiálom, pretože jeho objemový odpor je nízky a jeho oxidačné správanie je zvládnuteľné. Meď je lacnejšia, ale počas spekania potrebuje inertné alebo redukčné prostredie, aby sa zabránilo tvorbe oxidov. Uhlík je lacný a mechanicky flexibilný, ale má vyššiu plošnú odolnosť. Vodivé polymérové ​​systémy sú v priemyselnej výrobe zriedkavé kvôli obavám z dlhodobej stability, ale používajú sa tam, kde záleží na optickej transparentnosti alebo rozťažnosti.

Výber plniva je len jednou časťou problému. Systém rozpúšťadiel určuje, či je možné atrament vytlačiť na konkrétny substrát bez jeho poškodenia. Napríklad atrament pre atramentovú tlač vyladený pre PET fóliu musí mať špecifický rozsah povrchového napätia a viskozity, zatiaľ čo atrament pre sieťotlač určený na prenos textilu môže byť hustá pasta s úplne iným správaním.

Bežné typy tlačiarenského vodivého atramentu

Priemyselní používatelia zvyčajne klasifikujú vodivé atramenty podľa procesu tlače a chémie plniva. Nižšie je praktický súhrn najbežnejších kategórií a ich kompromisov.

Vo výrobe často závisí výber od toho, či je tlačený vodič povinný prenášať signál, dodávať energiu alebo slúžiť ako vykurovací prvok. Signálne linky môžu tolerovať vyšší odpor listu, preto sa berú do úvahy uhlíkové atramenty alebo medené atramenty. Napájacie cesty a vysokofrekvenčné antény zvyčajne vyžadujú častice potiahnuté striebrom alebo striebrom. V niektorých hybridných dizajnoch používa ušľachtilý kov iba kritický prvok obvodu, zatiaľ čo zvyšok vodivých stôp používa lacnejšie materiály.

Spôsoby tlače a procesné úvahy

Rovnaký vodivý atrament sa pri tlači pomocou atramentovej hlavy, šablóny alebo rotačného sita správa inak. Viskozita a veľkosť častíc sú prvé parametre, ktoré musí procesný inžinier prispôsobiť zvolenému tlačovému zariadeniu.

Atramentová tlač

Atramentová tlač je atraktívna pre rýchle prototypovanie a malosériovú výrobu, pretože ide o bezkontaktnú aditívnu metódu. Ponúka šírky jemných čiar až do 50 µm alebo lepšie. Atrament musí byť formulovaný s viskozitou typicky pod 20 cP a distribúcia veľkosti častíc musí byť dostatočne úzka, aby sa zabránilo upchávaniu trysky. Vodivé strieborné atramenty pre atramentovú tlač sú často disperzie kovových nanočastíc, ktoré po nanesení potrebujú spekanie, aby sa častice spojili do súvislého filmu.

Sieťotlač

Sieťotlač zostáva ťahúňom pre membránové spínače a flexibilné ohrievače. Používa hustú pastu s vysokým obsahom pevných látok, často 50–70 % hmotnosti, a rozsahom viskozity 1 000 až 10 000 cP. Pretože je pasta stieraná cez sieťku, potlačený film môže mať hrúbku 5–20 µm, čo pomáha dosiahnuť nízky odpor. Sieťotlač umožňuje použitie strieborných častíc v tvare vločiek, ktoré sa dobre balia a vytvárajú vodivosť s menším spekaním.

Hĺbkotlač, flexo a štrbinové pokovovanie

Pre veľkoobjemovú výrobu roll-to-roll ponúka hĺbkotlač a flexografická tlač vysokú rýchlosť a stálu hmotnosť povlaku. Povlak so štrbinovou matricou je bežný pre rovnomerné tenké vrstvy. Tieto metódy sú vhodné na balenie, tlačené batérie a veľkoplošné senzorové polia. Hlavným konštrukčným obmedzením je, že atrament musí schnúť alebo vytvrdnúť dostatočne rýchlo, aby podporoval nepretržitý pohyb pásu.

Základňa okruhu tiež potrebuje náležitú prípravu povrchu. Korónová alebo plazmová úprava môže zvýšiť povrchovú energiu plastov, čo umožní atramentu rovnomerne namočiť substrát. Malá zmena povrchovej energie môže spôsobiť dierkovanie alebo okrajový tok, čo následne zmení odpor konečnej stopy. Z tohto dôvodu zohráva riadenie procesu – nielen zloženie atramentu – hlavnú úlohu pri zabezpečovaní opakovateľnej vodivosti.

Kde sa iónové kvapaliny hodia do vodivých atramentových systémov

Iónové kvapaliny sú soli, ktoré sú kvapalné pri teplote miestnosti alebo blízko nej. Ich najdôležitejšou vlastnosťou pre vývoj vodivého atramentu je, že kombinujú nízku prchavosť, laditeľnú viskozitu a širokú elektrochemickú stabilitu. V tlačenej elektronike sa zvyčajne nepoužívajú ako primárna vodivá výplň. Namiesto toho fungujú ako funkčné prísady, ktoré menia správanie atramentu spôsobmi, ktoré zlepšujú spracovateľnosť alebo konečný výkon.

Jedna jasná úloha je ako modifikátor reológie. Pridanie malého množstva iónovej kvapaliny môže znížiť viskozitu vodnej disperzie alebo ovplyvniť tixotropné správanie sieťotlačovej pasty. To môže pomôcť formulátorovi dosiahnuť profil strihového stenčenia potrebný na konzistentnú tlač bez zvýšenia obsahu prchavých organických látok. Ďalšou úlohou je ako promótor adhézie. Niektoré iónové kvapaliny na báze imidazolia interagujú s kovovými časticami aj s polymérnym substrátom, čím sa znižuje kontaktný uhol a zvyšuje sa pevnosť väzby medzi vytlačenou stopou a filmom.

Iónové kvapaliny tiež ponúkajú cestu na zvýšenie výkonu tlačených elektrochemických zariadení. V senzore tlačeného plynu môže napríklad iónová kvapalina slúžiť ako elektrolytová fáza, čo umožňuje, aby tlačené kovové elektródy fungovali bez samostatnej vrstvy tekutého elektrolytu. To má praktické dôsledky pre nositeľné biosenzory a monitory životného prostredia, kde záleží na nepriepustnosti pevnej konštrukcie.

Pre flexibilné obvody určené na prevádzku pod napätím môže výber aditíva ovplyvniť správanie v tlaku a v ťahu. Niektoré iónové kvapaliny pôsobia ako zmäkčovadlá v polymérnej matrici, čo umožňuje, aby sa vodivá sieť ohýbala bez praskania. Je to analogické tomu, ako sa zmäkčovadlá používajú v pružnom PVC, ale iónová kvapalina prináša aj iónovú vodivosť, ktorá môže pomôcť udržať stabilný signál pri mechanickej deformácii.

1-Etyl-3-metylimidazolium bis(fluórsulfonyl)imid je príkladom iónovej kvapaliny, ktorá kombinuje nízku teplotu topenia s vysokou iónovou vodivosťou. Vo formulácii vodivého povlaku sa môže použiť na úpravu dielektrickej odozvy alebo na zlepšenie rozhrania elektróda-elektrolyt v štruktúre tlačenej batérie alebo superkondenzátora. Jeho aromatický imidazoliový katión môže interagovať s povrchom plniva, čo potenciálne pomáha udržiavať rovnomernejšie rozloženie častíc počas kroku sušenia.

1-Etyl-3-metylimidazolium bis(fluórsulfonyl)imid N-metylimidazoliumhydrogensulfát Zobraziť produkt →

1-Butyl-3-metylimidazoliumchlorid je klasickou voľbou pre formulátorov, ktorí potrebujú doladiť polaritu rozpúšťadla alebo upraviť správanie sa substrátu pri zmáčaní. Jeho chloridový anión je tiež známou alternatívou aditív organických kyselín v niektorých povrchových úpravách kovov. Ak sa použije v množstve niekoľkých hmotnostných percent, môže posunúť zeta potenciál suspenzie plniva a stabilizovať disperziu proti aglomerácii.

1-Butyl-3-metylimidazoliumchlorid N-metylimidazoliumhydrogensulfát Zobraziť produkt →

Pre hydrofóbne systémy ponúka metyltributylamónium nonafluórbutánsulfonát spôsob úpravy povrchu atramentu bez pridania významnej absorpcie vody. Je to kvartérna amóniová soľ s fluórovaným sulfonátom a jej objemná štruktúra môže prispieť k zníženiu absorpcie vlhkosti. V prostrediach, kde tlačený obvod musí prežiť vysokú vlhkosť bez zmeny jeho povrchového odporu, sa takáto prísada môže ukázať ako cenná.

Metyltributylamónium nonafluórbutánsulfonát TBMA perfluórbutánsulfonát je iónová kvapalina s chemickým názvom TBMA perfluórbutánsulfonát. Je to bezfarebná, priehľadná kvapalina, ktorá je stabilná pri izbovej teplote... Zobraziť produkt →

Je dôležité uviesť praktické obmedzenie: iónové kvapaliny nie sú náhradou za vodivý kov. Sami nedokážu znížiť odolnosť atramentu naplneného striebrom. Ponúkajú však cestu na riešenie problémov s formuláciami, ktoré súvisia s disperziou, zmáčaním a adhéziou, najmä vo flexibilnej alebo roztiahnuteľnej elektronike. Akákoľvek prísada musí byť preosiata s ohľadom na konečnú aplikáciu, pretože iónová kvapalina, ktorá zlepšuje zmáčanie, by tiež mohla znížiť vodivosť suchého filmu.

Výkonnostné benchmarky a výberové kritériá

Predtým, ako sa kupujúci zaviaže k chémii, mal by definovať minimálne požiadavky na výkon a tolerančné pásma. Nasledujúce otázky zvyčajne objasňujú skutočné požiadavky.

• Aký nízky musí byť odpor? Odpoveď určuje, či je potrebné striebro alebo či je možné zvážiť meď alebo uhlík.
• Aký je najnižší prijateľný polomer ohybu? Ak bude obvod opakovane zložený, krehký film z nanočastíc striebra môže zlyhať na vonkajšej deformačnej vrstve.
• Aká teplota vytvrdzovania je k dispozícii? Substráty ako PET umožňujú teplotu len do 150 °C, zatiaľ čo niektoré PI filmy dokážu vydržať 250 °C.
• Je systém rozpúšťadiel kompatibilný s čistými priestormi alebo obmedzeniami vlhkosti? Atramenty na báze rozpúšťadla môžu vyžadovať špeciálne odsávanie, zatiaľ čo atramenty na vodnej báze môžu na neporéznych substrátoch schnúť pomaly.
• Aký je očakávaný objem výroby? Veľkoobjemové série R2R odôvodňujú iné zloženie atramentu ako malá séria vyrobená na plochej tlačiarni.

V mnohých prípadoch najlepšie funguje hybridný prístup. Výrobca flexibilných ohrievačov môže použiť striebornú vločkovú pastu pre hlavné vodivé dráhy a uhlíkový atrament pre odporové alebo snímacie prvky. Ten istý výrobca môže pridať iónovú kvapalinu do striebornej pasty na zlepšenie priľnavosti k nízkoenergetickému substrátu alebo na zníženie teploty spekania potrebnej pre konkrétny druh polyimidu.

Tabuľka 2 sumarizuje riziká obstarávania spojené s každou skupinou atramentov. Toto sú režimy zlyhania, ktoré sa prejavia až po integrácii atramentu do produktu.

Aplikácie v real-World Manufacturing

Jednou rastúcou oblasťou sú tlačené elektródy na monitorovanie fyziológie. Jednorazová lekárska náplasť potrebuje elektródu, ktorá je flexibilná, bezpečná pre pokožku a vhodná na tlač s nízkymi nákladmi. V tejto aplikácii je pre vodič použitý strieborný atrament a nosná štruktúra snímača je založená na kombinácii uhlíka a ďalších prísad. Povrchový odpor musí zostať stabilný, aj keď sa náplasť naťahuje pohybom pacienta.

Ďalšia inštalácia sa nachádza v inteligentnom balení. Vodivá stopa vytlačená na papierovom alebo filmovom substráte môže pôsobiť ako vyhrievací prvok alebo anténa na sledovanie zásob. Nízka cena uhlíkových atramentov je tu atraktívna, ale obalové konvertory potrebujú aj konečnú bariérovú vrstvu na ochranu tlačeného prvku pred vlhkosťou. Hybridný dizajn môže používať striebro na anténach a uhlík pre antistatické oblasti alebo oblasti snímajúce vlhkosť.

Automobilový priemysel teraz tlačí elektricky vodivý obvod priamo na štruktúrované alebo zakrivené komponenty. Napríklad senzor obsadenia sedadla môže byť vytlačený na kompozitnú tkaninu, ktorá neznesie drsné vystavenie rozpúšťadlám. Tu je kľúčovou požiadavkou atrament, ktorý rýchlo schne pri nízkej teplote a znesie opakované mechanické stláčanie. Pridanie iónovej kvapaliny môže pomôcť znížiť teplotu vytvrdzovania a zlepšiť zmáčanie tkaného vlákna.

Výrobcovia, ktorí zvládajú procesy citlivé na kontamináciu, tiež používajú vodivé atramenty ako antistatickú vrstvu. To je relevantné pre trhy, ktoré vyžadujú kontrolovaný rozptyl statickej elektriny na etikete alebo ochrannej fólii. Vytlačený vodivý vzor je zvyčajne dostatočne jemný, aby bol sotva viditeľný, a elektrické vlastnosti sú zamerané na rozsah povrchového odporu 10^6 až 10^9 Ω/sq. Rovnaké prísady, ktoré zlepšujú zmáčanie vo vodivom obvode, môžu tiež pomôcť antistatickému povlaku spoľahlivo dosiahnuť cieľovú hodnotu.

Naše príklady aplikácií ukázať, ako špecializovaný dodávateľ aditív pristupuje k týmto priemyselným výzvam, od antistatických náterov až po separačné činidlá. V každom prípade zostáva základný princíp: porozumieť stresu pri konečnom použití pred výberom atramentového systému a zaobchádzať s aditívami ako so súčasťou konštrukčnej rovnice, nie ako s opravou na poslednú chvíľu.

Pre hlbší technický pohľad na chémiu aditív a priemyselnú syntézu, náš sprievodca aplikáciami iónových kvapalín ponúka praktické úvahy pre výrobcov, ktorí chcú overiť nové zloženie pred rozšírením. Sprievodca pojednáva o tom, ako sa navzájom ovplyvňujú vodivosť, tepelná stabilita a kompatibilita procesov pri prechode z laboratórneho overenia koncepcie na nepretržitú výrobu.