创新型红外系统将印刷电子设备的烘干和烧结速度提高了将近2000倍

  • 贺利氏开发定制红外线模块
  • 测试在德国克姆尼茨理工大学成功进行,测试采用喷墨印刷银纳米粒子墨水和卷对卷印刷工艺。

显示器或太阳能电池的电子设备能否高效地连续印刷,具体取决于银纳米粒子墨水是否具有表面快干性能和良好的导电性能。贺利氏特种光源最新研发的一款红外线模块实现了这一目标:烘干时间大大缩短,仅0.32秒,比传统烘干工艺快将近2000倍。贺利氏将这一定制模块安装在卷对卷印刷系统中。测试证明,红外线辐射的烘干和烧结效果远优于传统的加热板和热风循环烘箱。这些试验分别在德国克姆尼茨理工大学的数码印刷与图形技术系以及弗劳恩霍夫协会电子纳米系统研究所进行。

2016年4月,在慕尼黑举办的LOPEC展览会上,贺利氏推出了这一振奋人心的创新成果,同时还展出面向印刷电子行业的紫外线、红外线及闪光灯系统。

印刷电子设备的金属纳米粒子通常采用喷墨印刷沉积在柔性聚合材料上,然后再进行烘干和烧结。在实验室,上述工艺大都是通过加热板和热风循环烘箱来实现的。然而,对于大规模生产来说,则必须使用卷对卷工艺,这意味着必须大幅度提高烘干和烧结速度。贺利氏已经对各种新技术进行了广泛研究,例如:微波、激光、强脉冲光(IPL)和红外线辐射。最优技术首先必须能够迅速、高效地进行烘干和烧结,同时还不会对热敏聚合物基材造成损伤。

贺利氏开发出了一种用于卷对卷印刷系统的专用红外线模块。该模块已经被用于喷墨印刷纳米银涂层(基材为聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN))的红外线烘干和烧结测试。测试表明,经过后处理的喷墨印刷沉积层,比纯银的电导率高出15%。与采用传统加热板和热风循环烘箱的烘干和烧结工艺相比,采用红外线辐射只需要0.32秒就能够实现两倍的电导率。相比之下,使用加热板的烘干和烧结时间大约需要十分钟。

然后,使用电子显微镜成像可对烧结银粒子的微观结构进行分析,其中影响微观结构的红外线参数包括:辐射器的灯丝温度、辐射持续时间和辐射功率、辐射器和反射器与基材之间的距离。优化这些参数之后,就可以用50 kW/m2的辐射功率对银涂层进行烘干,并以150 kW/m2的辐射功率进行烧结。每次测试都使用相同的短波辐射器,只需要进行必要的调节。这样,位于连续薄膜基材表面的印刷电子电路就可在一步工序中完成烘干和烧结,传送速度高达1米/秒,辐照时间短于0.32秒。

此次研发成果最近发表在《材料化学C》(Journal Materials Chemistry C)期刊上:E. Sowade, H. Kang, K.Y.Mitra, O.J. Weiß, J. Weber, R.R.Baumann,在1秒内完成喷墨印刷银纳米粒子墨水卷对卷红外线烘干和烧结,J. Mater. Chem. C. 3 (2015) 11815–11826. doi:10.1039/C5TC02291F.

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