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【科普篇】什么是打印电子导电油墨?

发布时间:2021-10-19


增材电子为电子工业和硬件设计方面提供了整个新的可能维度。柔性混合电子代表了对如何进行产品设计的一种认知转变,这种绝对的可能性势不可挡。

 

       是否你正在尝试关注着不断缩小的消费电子需求、减小汽车和航空每克燃油浪费或者在追逐着可穿戴传感器、结构电子或软体机器人,打印电子所带来的设计选择打开了传统刚性硬质板之外的可能。

 

    但是怎样才能将你脑中的想法变成手中的产品?需要在你的工程工具盒中添加什么样的工具?怎样才能将外来的基板做成手板电子产品?有什么可能可以实现柔性混合电子?

 

      在这一系列,Voltera的技术专家将会从盒内电子到增材打印以及批量化制造柔性混合电子器件,提供一些有帮助、实际的见解。

 

      我们将会讨论打印电子中重要的一部分:导电墨水。导电墨水是优异产品的关键,Voltera已经开发了在墨水材料科学以及实际设备应用经验方面的专业知识。在这篇文章之后,希望可以看见导电墨水可以作为工程工具盒中一项,像你的焊枪、电压表、镊子一样。

 

从导电墨水开始

 

      当很多导电墨水的创新是在面向遥远未来的全打印,事实是你很有可能经常会涉及到导电墨水。笔记本电脑的薄膜键盘,射频标签、葡萄糖试条、太阳能面板,印刷加热器等等。导电墨水在很多成熟工业中是主要部分。取决于你的定义,甚至SMT电阻都是归于导电墨水的提携(尤其固化厚膜浆料类。)

 

     如果墨水已经如此普遍,为什么我们大多数人却很少用到?主要有一些原因,接触导电墨水(和通常的印刷电子)是有点模糊的情况下。从获取电灯泡那一刻到你手中的实际产品是项艰难的工作。

 

      当我们在构建最终的V-One设备时候,经历了这个确切的情况。当我们在早期阶段意识到导电墨水会是我们产品的关键部分,我们立刻舍弃了这些终端数据以及模糊的特性,感觉到这些最终会带来的不确定的结果。

 

      幸运的是,9年后,数百种墨水合成,成千个小时的测试,以及花费的很大力气,我们在这来帮助指导大家顺利通过同样的过程,希望在过程中能够碰撞出火花。

 

    如何选择墨水的?

 

       对于每个人,让我们在开始之前澄清最重要的一件事,你不能选择真空条件下的墨水。一个墨水是一项工程决策。它意味着从你的需求开始,看看可能的选项,针对预想的结果以及资源进行优化

 

     性能标准是什么?计划如何实现它?预算多少开支?它是如何与用户交互以及使用环境是怎样?需要满足哪些规范?等等

 

      同样,选择墨水意味着要做一系列很重要的决定,所有都是基于你需要你的设备做什么?一旦你知道你的应用特征,将会做出墨水选择—三个选择:

a)墨水

b)基板

c) 打印技术

 

我知道还有很多需要考虑,不用担心,我们将会解决在独立的小方块中解决这些问题,很快你就会像专家一样讨论这些墨水。

 

在这篇文章中,我们将会讨论一些墨水的基本面,这样你能够熟悉一些术语和核心概念。

 

   接下来我会讨论打印技术和基板方面的选择,你需要做出什么样的选择,之后会以Voltera的案例来解释如何根据我们的需要来做出选择,这些将会帮助阐明你需要关注什么,为什么以及如何测试。

 

什么是导电油墨?

 

我们先从下面广义和狭义的定义开始:

 

导电墨水是一种可印刷的材料,经过处理后可导通电流。

我们从定义中快速挖掘一下:

 

印刷:意味着墨水可以通过某种方式增材图形化至表面。不同的墨水存在不同印刷技术,每种都有其优点和缺点。

 

处理:大多数墨水实际上在处理之前是不能导电的,其通常意味着要加热。我们的目的,仅仅讨论低温固化墨水(<250℃)

 

导电性:导电墨水实际上是功能墨水的一个分支,意味着墨水在审美或者结构之外的用途。导电墨水到目前是最大的一个分支,其任务是为电子提供A到B的通道。

 

说了这些,让我们讨论下这些墨水是如何制成的。

 

导电墨水是由什么制成的?导电墨水主要有两部分:

 

填料:这个是导电部分,通常是金属颗粒,这为导电墨水提供电特性。

 

载体:包含了粘结剂、分散剂、溶剂、添加剂,其可以使金属颗粒悬浮,墨水可以流动或者干燥,使其结构具有稳定性和适应性,墨水的其他特性需要使其自身性能最佳。

 

填料材料

 

填料材料归根结底有两种选择,银和其他填料。我知道这是具有很大的广泛性,但是听我讲,这是一个实用性指导而学术评论。

 

     当遇到选择填料时,银通常会由于人们所关注的一些因素而胜出。

导电性和成本;可获取性;容易使用/稳定性

 

     银在导电性方面是最好的,和性能一样重要的事实是银墨水是最普遍的。银很早就进入了工业领域,从最主要的墨水供应商提供的为银基墨水,有很多选择在化学特性以及配置方面可以适合你特别的需求。

 

从容易使用方面,通过与其最相近的竞争者铜的对比进行说明。

 

我知道上面提的银和其他类型填料,但是铜是值得一提的,因为其通常是人们的首选,铜的价格比银便宜好多。如果你是从传统电子工业中出来的,便知道铜到处都是。

 

事实是,墨水并不是块体金属。就像电脑的成本是比其所有零部件加起来的成本要高,油墨整体的成本包括原材料成本、研发成本以及使用它所产生的额外成本。

 

铜最大的问题是氧化。铜墨水在空气固化过程中会氧化,导致铜颗粒无法实现导电性。为了阻止氧化,你需要在还原剂氮气中进行泵送,增加了成本以及在原材料成本方面的复杂性。

 

当然还有一些变通的方法,如银银包铜,但都会增加额外的成本以及稀缺性,意味着银在导电性和成本的平衡方面是最优的。

 

 

据说,有一些团队致力于大气气氛下固化铜墨水,如果处理成本具有可比性的话,铜在焊接性方面比银好很多,其在与标准的SMT工艺方面具有很好的兼容性。

 

 其他类型

 

在这还有很多其他不同类型的导电墨水填料-碳纳米管、石墨烯、导电树脂或者无颗粒相墨水,每种都有其自身独特的配方和说明,这些都不在本文的讨论范围。如果你正在沿着其中一条技术路线,必然应该有很好的理由。

 

 

颗粒尺寸?形貌?金属含量?

 

颗粒的尺寸,形貌以及固含量是在合成墨水是主要考虑的,需要权衡考虑导电性、处理温度、成本和流动特性等。

 

除非是你了解到事实本质,深入研究配方,这些问题还是留给制造商。在这需要知道的是:金属固含量高意味着高导电性和高粘度。例如,低粘度、水一样的喷墨墨水通常固含量在10~20%范围,厚膜丝网印刷的浆料可以达到80%左右的银含量。通常颗粒尺寸和形貌,越小的颗粒,导电性越高,成本也更高。为了方便,这里按照经验总结进行了大致分类:

 

微米尺寸(1~5微米):通常,最便宜,低导电性主要在于其接触电阻;亚微米尺寸:(0.3~1微米),纳米尺寸:(<0.3微米)

 

当谈论到颗粒形貌时,你可以假设其为片状,但是通常并不是。可以通过下面的扫描电镜图片可以看出。

 



当采用低温固化油墨时,你的导电网络是在热处理过程中挥发溶剂所形成的,在粘结剂中悬浮的填料颗粒,在这种浸渗体系中颗粒之间是可以相互接触的,本质上,这种随机连接网络是可以让电子从一端到另一端的。

 

在大多数情况下,就是这样,颗粒就待在那,随机相互接触,当电子在网络中找到最短的路径。这意味着导电性主要由接触电阻所限制。如果颗粒足够小,这样就有可能形成颈联和烧结,颗粒之间的边界线将会模糊化。这样的话,导电性将会提高,但通常是价格和性能之间的权衡。

 

载体:这是很多配方设计师所擅长的。选择合适的组合体以及添加剂、粘结剂、溶剂和分散比例能够确保墨水的稳定性、稳定机械性能、可打印性都是一门艺术和科学。这些并不是在这深挖的,我们仅需要熟悉每部分是什么:

 

 

溶剂:溶解粘结剂和颗粒,主要影响墨水的流动性

 

 

粘结剂:粘结剂是树脂或者树脂的混合物,其主要提供墨水的结构特性,如粘附性、柔韧性、机械稳定性、工作温度以及其他。

 

 

分散剂:如果想让墨水正确地流动、固化以及存储稳定性,需要确保颗粒能够很好的分散。颗粒团聚是非常不好的,容易造成打印过程中堵头。

 

添加剂:其他所有的东西,通常,添加剂包括调节剂用于调节墨水的流动性来保证最佳的打印性能。