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奈米银导电墨水印刷适性测试与探讨(上)

《印刷新讯》第89期 文:张浩泓、吕章诚 更新日期:2012-04-18

摘要

奈米银导电墨水是印刷电子中导电油墨之应用目前备受瞩目发展技术,应用范畴及其未来市场发展, 包含厚膜应用、RFID、PV Contacts、Display 与Backplanes、Sensor、EL Lighting 及Novelties 和Disposable Electronics。奈米银导电墨水起步虽晚,但总市场规模成长快速,并且在各应用上都将具有良好之发展趋势,特别是RFIDTag 天线与Chip 之应用,将有大幅成长之势,这是因为RFID 之应用需求必须低温制程、高导电特性及高可挠应用等,故利用奈米银导电墨水来达到这些特性需求是必然的条件。

鉴于奈米银导电墨水市场发展潜力,本文分析国人自制奈米银导电墨水之印刷适性进行印刷品质分析,确定产品的耐用性及实用性。

关键词:奈米银、导电油墨、喷墨印刷。

壹、绪论

一、研究动机与背景

( 一) 印刷电子的崛起

印刷电子(Printed Electronics)为目前各方所注目的焦点技术,其技术原理为在电子产品制程中,将电子组件以印刷技术原理印制于电子产品之基材上,以印刷大量复制图文之特性,进而达到电子产品快速生产之成效, 印刷电路板(PrintedCircuit Board ,PCB) 便是最广泛的应用之一;由于近年软性电子(Flexible Electronics)、电子产品制程快速及成本需求导向,带动了印刷电子的崛起,印刷电子的方法很广,包括网版、凸版、凹版、平版等印刷基本版式,而数字化的高精密控制使得喷墨印刷在印刷电子产业得到了广泛的应用及技术的开发。印刷版式的选用决定于产品需求,根据墨厚的要求而选用不同的印刷方法,墨厚不同则电阻、阻抗性及耐摩擦性等也不同。

( 二) 导电油墨的发展与趋势

印刷电子组件之中又以导电油墨之应用最广泛,导电油墨是指印刷于非导电承印物上,使之具有传导电流和排除积累静电能力的油墨。一般是印在塑料、玻璃、陶瓷或纸板等非导体承印物上,导电油墨成分以主要由导电材料、黏合剂、溶剂及助剂组成,其中又以银金属被广泛应用于导电油墨开发,银金属为良好之电热传导体,广泛应用于各类电子产业及一般传统产业中,据NanoMarkets2008年统计,工业上每年约需5000 吨银金属用量,其所对应之全球市场价值约800 亿台币。于工业应用上主要呈现方式以金属线、粉末、油墨及金属膏等为主。因目前软性印刷电子产业蓬勃发展,其低价化、高速印刷及高可靠度等特性要求,使得金属导体线路需摒弃过去传统真空金属镀膜技术再蚀刻之制程,改采用印刷金属导电油墨一次成型制程,使银电极油墨或膏体增添其发展潜力,故特性化银导体油墨将于印刷电子产业发展中,具有举足轻重之关键技术领导地位。

银导体油墨之中,奈米银导电墨水是目前备受瞩目发展技术,最主要的原因在于制程温度的降低,奈米银导电墨水可以在低于200℃的制程形成导电沈积,使被印材料之应用大为增广,以下针对几项较为广泛之应用范畴及其未来市场发展做一说明,包含厚膜应用、RFID、PV Contacts、Display与Backplanes、Sensor、EL Lighting 及Novelties 和Disposable Electronics。根据NanoMarkets 2008 所做之市场调查如下图所示,在油墨种类上可分为奈米银导电墨水及传统厚膜银金属油墨两类,根据不同之应用进行未来八年市场规模的评估,结果显示传统厚膜银金属油墨市场规模虽大,但成长已趋缓,奈米银导电墨水起步虽晚,但总市场规模成长快速,并且在各应用上都将具有良好之发展趋势,特别是RFID Tag 天线与Chip 之应用,将有大幅成长之势,这是因为RFID 之应用需求必须低温制程、高导电特性及高可挠应用等,故利用奈米油墨来达到这些特性需求是必然的条件。    二、研究目的

鉴于奈米银导电墨水市场发展潜力,本研究就国人自制奈米银导电墨水作一印刷适性探讨。主要研究目的如下:

(1) 进行研制之奈米银墨水检测,以喷墨打印机,进行奈米银导电墨水印刷质量分析,其制作性、耐用性及实用性。

(2) 奈米银导电墨水印刷适性测试:黏度、粒度、挥发性有机化合物含量测试、硬度测试、干燥测试、耐候测试、耐摩擦测试、密着度分析、导电度分析、膜厚测试、抗化学药品测试。

贰、文献探讨

本研究就导电墨水、检测方法、墨水种类、喷印设备做一文献探讨。

1、导电墨水

(1) 喷墨导电墨水一般属于水基或醇基墨水,其组分是导电材料、高分子树脂、溶剂(水或醇类)、表面活性剂、分散稳定剂和其它助剂。制备喷墨导电墨水

(2) 导电材料

按导电性能可分为导体和半导体;导电材料又可分为无机系和有机系两类。本研究以奈米银为主要导电材料。

(3) 高分子树脂

高分子树脂是组成导电油墨的主要成膜物质。有天然树脂、合成树脂、碱金属硅盐等。

(4) 溶剂

溶剂是用来溶解黏合剂树脂的,因此溶剂必须具有能溶解黏合剂树脂和能力,另一方面,溶剂不能使导电材料的导电性变得不稳定,降纸墨膜的物理化学性能。 对于溶剂的选择还要考虑溶剂挥发速度对印刷适性的影响。

奈米银导电墨水在制作时,也需要考虑到喷墨制程的因素,包含了粒径分布、年度、表面张力、酸碱值、环境稳定性、储存性、溶剂挥发性、喷墨头兼容性、固化方式等( 高振裕、周更生 2010)

2、检测方法

(1) 黏度:

油墨的黏度是由它在印刷机上如何流动的情形来判定的,同时它会影响抗分裂力、渗透、干燥、光泽度、抗磨擦性及印刷品的颜色。油墨的流动性能印刷适性几乎与油墨的黏度有极大的关联,它是一个相当重要的衡量指标。

(2) 粒度:

粒度检测可以得到颜料分散的测试结果及在油墨中是否有出现微粒子的碎片。油墨的粒度是一种很重要的指标,它与油墨的流动性能有关; 油墨的粒度太粗,会引起印刷上不良现象。

(3) 挥发性有机化合物含量测试:

针对油墨中所含之挥发性有机化合物(VOCs)作一检测,以不同之印刷条件温度,了解制程中可能会产生之挥发性有机化合物

(4) 硬度测试:

针对被印材为塑料材质之油墨表面硬度测试,利用标准硬度铅笔测试样品油墨之表面硬度。

(5) 干燥测试:

油墨由糊状形成固体皮膜的过程所需的时间与温度,针对不同印刷条件与电路线径图有不同之评估方式。

(6) 耐候测试:

针对油墨于被印刷于被印材后,于不同环境之模拟效果,了解其耐候之程度。

(7) 耐摩擦测试:

针对印刷成品之适性测试,油墨于印刷被印材后,透过仪器检测评估成品于不同重力条件、摩擦次数下之耐摩擦效果。

(8) 密着度分析:

针对印刷成品之适性测试,油墨印刷被印材后与被印材密着度分析。

(9) 导电度分析:

针对印刷成品之适性测试,油墨印刷被印材后之导电度分析。

(10) 膜厚测试:

以厚度计对印刷成品进行墨厚测试,了解导电油墨于被印材上附着之厚度

(11) 抗化学药品测试:

抗化学药品测试主要目的测试油墨干燥后,对化学药品的抵抗能力。

3、喷印设备

(1) 热气泡式技术

是透过加热电阻的作用下,将喷头里的墨水加热,使其汽化产生气泡,将墨水推挤而出。使用热气泡式技术,在打印速度方面较快,但墨点只经过推挤就被喷出,力量较压电式技术较为不足,容易受惯性之影响,可能会有墨点不均匀或墨渣产生。且喷墨头常处于高热状态,使得墨头容易损耗,所以使用热气泡式的厂商,会将喷墨头与墨盒合一。 ( 陈忠辉、张嘉容,2006)。

(2) 压电式技术

利用电压脉冲驱动压电陶瓷组件,产生变形,推挤墨水,当力量大于喷墨头表面张力时,墨水会喷墨嘴射出。压电式喷墨不会因为高温气化,而产生墨水的化学变化,进而影响颜色质量之状况,且因为没有反复的高热映粒,故喷墨头具有较佳的耐久性。压电陶瓷的反应速度快,可以提升打印速度;热气泡式则受限于热传导速度。压电式较容易对墨点本身的浓度、大小精准掌控,使得打印质量能够达到很细微的质量( 林正轩,2003),下表为压电式与热气泡式喷墨技术之比较。


以本计划而言,采用的是压电式技术,透过电压脉冲驱动陶瓷组件,推挤导电墨水,并透过多次迭印以达到预设墨膜的厚度。

参、研究方法

本研究协助国人奈米银油墨之自行开发,进行研制之奈米银油墨检测,以喷墨打印机,进行奈米银油墨印刷质量分析,其制作性、耐用性及实用性,

本研究的流程如下:

 

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