印刷超窄线条的方法技术

公开了一种印刷功能性材料的超窄线条的方法。该方法需要提供具有在其上的中间层的基板，并通过将墨水沉积在基板的中间层上来印刷超窄线条，该墨水包含功能性材料和部分溶解基板上的中间层的溶剂混合物，以使墨水收缩并沉入基板上的中间层，从而减小线条的宽度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】印刷超窄线条的方法
本专利技术总体上涉及用于可印刷电子设备的制造技术，并且尤其涉及用于在制造可印刷电子设备中印刷窄线条的技术
技术介绍
在柔性和低成本基板上的印刷是日益流行的制造低成本电子设备的方法。然而，使用传统印刷工艺可实现的特征与通过传统光刻技术获得的特征相比仍然太大。例如，据报道，具有一个商业化的微微升体积的打印头可直接打印的最窄的导线宽度为～30μm。为了能够打印高性能的电子设备，缩小诸如线宽等特征尺寸是非常重要的。当在平滑和无孔基板上印刷时，使用常规印刷技术通常可以获得约30μm至50μm的线宽。线宽主要取决于基板表面和墨水之间的表面能差。通过控制这个表面能差和其它参数，例如墨水粘度、干燥过程、基板温度、表面能和表面张力，使用具有大约1pl到10pl的液滴体积的商业打印头可以打印出15μm的线宽。对于可扩展的印刷方法，如喷墨印刷、柔版印刷、凹版印刷和丝网印刷，直接印刷的限制是10～30μm。已经开发了一些新技术来打印更窄的线条，但是它们需要额外的步骤。例如，流行的墨盒方法(ink-bankmethod)需要使用具有期望的表面能的材料对基板进行初始图案化，以在印刷到基板上之后控制墨水的扩散。其他技术，如电流体动力学喷印，已被证明使用毫微微升喷嘴印刷小于2μm宽的窄线条。但是，电流体动力学喷印不适合大规模生产。优化表面张力差、粘度、干燥过程和其它参数的传统方法仅能将线宽减小到约15μm。尽管图案化步骤可以将印刷线宽度减小到亚微米级，但是该图案化步骤也是昂贵的并且引入了降低集成密度的非功能性特征。因此，为了印刷超窄线条，新的或改进的印刷技术将是非常合乎需要的。
技术实现思路
本公开提供了一种通过利用含有溶剂混合物的墨水和其上沉积有墨水的基板(或中间层)之间的相互作用来印刷超窄线条的新方法。该溶剂混合物稍微地溶解基板(或中间层)，而其蒸发/干燥导致线宽收缩。生成的线条具有凹陷或嵌入的轮廓。因此，本公开的一个创造性方面是一种提供在基板上具有中间层的基板并通过在基板的中间层上沉积墨水来印刷超窄线条的方法，该墨水包含功能性材料和溶剂混合物，该溶剂混合物部分地溶解中间层，同时其蒸发/干燥导致墨水收缩并沉入基板上的中间层，由此减小线条的宽度。在一个实施方例中，表面能在蒸发/干燥期间可能改变。提供本
技术实现思路
是为了强调某些重要的创造性的方面，但并非旨在成为本公开的所有专利技术方面的穷举或限制性定义。其他专利技术方面可以在详细描述和附图中公开。附图说明根据以下结合附图的详细描述，本技术的其他特征和优点将变得显而易见，其中：图1描绘了乙醇，乙二醇和甘油的混合物在23℃下的表面张力和悬滴体积对时间的函数关系；图2A描绘了已经在PET(例如MelinexST505)上喷墨印刷的新鲜印刷的红色墨水线条(基于乙醇，乙二醇和甘油的混合物)；图2B描绘了在70℃热处理5分钟后的线条；图3示出了乙二醇和甘醇混合物在未交联的SU-8上的接触角，其中乙二醇与甘醇的比例与图1中使用的混合物中的比例相同，并且SU-8为旋涂在PET薄膜上的光致抗蚀剂环氧树脂，并且该SU-8仅在没有暴露于UV的情况为软背衬，在用于交联时为硬背衬；图4A示出了新鲜印刷在未交联的SU-8上的银纳米墨水的光学显微镜图像；图4B示出了在70℃下热处理5分钟后未交联的SU-8上的银纳米墨水的光学显微镜图像；图5A示出了印刷在具有15μm的收缩线宽的未交联的SU-8上的银纳米墨水的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，其中，该图像以45度倾斜角度拍摄，所以用于高度标定的Y轴应该除以0.7；图5B示出了印刷在具有5μm的收缩线宽度的未交联SU-8上的银纳米墨水的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像，其中，该图像以45度倾斜角度拍摄，所以用于高度标定的Y轴应该除以0.7；图6示出了进一步收缩线条宽度的排放机构，其中，红色区域代表墨水覆盖区域，箭头指示墨水收缩方向；和图7描绘了使用银(Ag)纳米墨水印刷在SU-8/PET基板上的超窄银线条的光学显微镜图像；和图8示意性地描绘了由本方法印刷的超窄线条。需要注意的是，在整个附图中，相同的特征由相同的附图标记表示。具体实施方式本文公开了一种印刷诸如导电墨水的功能性材料的超窄线条的方法。该方法通常涉及如下步骤、动作或操作：提供在其上具有中间层的基板，并通过在基板的中间层上沉积墨水来印刷超窄线条，该墨水包含功能性材料和部分地溶解基板上的中间层的溶剂混合物，以使墨水收缩并沉入基板上的中间层，从而减小线条的宽度。溶剂混合物的表面能在蒸发/干燥过程中可能会改变。在一个实施例中，功能性材料是导电墨水，例如银纳米粒子墨水。该功能性材料可以是导体、半导体、电介质、电致发光、光伏或任何其他具有电子功能的材料。在一个实施方案中，溶剂是乙醇，乙二醇和甘油的混合物。在另一个实施方案中，溶剂是乙醇，乙二醇和甘油的混合物，基板是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，并且中间层是由完全环氧化的双酚A/甲醛酚醛共聚物组成的SU-8。在印刷之后，通过热处理墨水、中间层和基板，线宽可以进一步变窄。例如，墨水、中间层和基板在70℃下热处理5分钟，或者在50℃下热处理，然后在75℃下进行热处理。线条的进一步变窄可以通过沿线条的纵向排放墨水来实现，沿线条的纵向排放墨水通过在线条的每个端部处沉积更大区域的墨水来实现，该更大区域的自由能低于线条的自由能，从而导致墨水在收缩过程中朝向每个更大区域排出，从而进一步减小线条的宽度。本方法可以实现0.11或更大的线条的高宽比。打印，例如使用喷墨打印机执行，可以实现低于10μm的线宽。这对于打印可打印电子设备的晶体管的栅极非常有用。在一个实施方案中，该方法还需要在干燥的同时控制墨水的表面张力以保持小于基板的表面张力，该墨水在该基板上干燥。所选墨水和中间层/基板之间的相互作用减少了打印线条的宽度。在某些情况下，它可以将宽度降低到1.5-3μm。墨水在干燥过程中增加了其表面能，导致线宽减小。墨水中还含有能部分溶解选定的中间层/基板的溶剂，从而使印刷的特征在干燥过程中下沉或嵌入中间层/基板中，这有助于进一步减小线宽。在该方法的实施例中，选择墨水使得墨水可以在基板上良好地润湿并且形成稳定的线条边缘，并且因此沉积的墨水的脱湿工艺可以导致印刷线条的宽度在墨水表面张力和墨水与中间层/基板的相互作用(即墨水中溶剂对基板/中间层的局部的、部分的溶解)的影响下在基板上受控地收缩。因此，在至少一些实施例中，为了获得低于10μm的超窄线宽，选择的墨水溶剂与中间层/基板的溶解度的组合是关键的。墨水沉积在基板上后，其在基板上的润湿性可以改变。一个例子是使用含有低表面张力和低沸点溶剂的溶剂混合物。该混合物具有较低的表面能以初始润湿基板，但是随着挥发性溶剂蒸发和墨水表面能的增加，其逐渐失去润湿性。图1演示了乙醇，乙二醇和甘油混合物的表面张力和悬滴体积随时间的变化。表1列出了可用于该方法的一些溶剂的表面张力和沸点：溶剂沸点(℃)表面张力(mN/m，在20℃下)乙醇7822.1乙二醇17347.7甘油29064.0当用上述溶剂混合物配制红色墨水并将其印刷在PET膜上时，可以形成约79μm宽的稳定线条(如图2A中的示例所示)。然而，在将印刷后的膜加热到70℃并维持5分钟之后，墨水线宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种印刷功能性材料的超窄线条的方法，所述方法包括：提供基板，所述基板上具有中间层；和通过将墨水沉积在所述基板的所述中间层上来印刷超窄线条，所述墨水包括功能性材料和溶剂混合物，所述溶剂混合物部分地溶解所述基板上的所述中间层，并使所述墨水收缩并沉入所述基板上的所述中间层从而减小线条的宽度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.03 US 62/188,5791.一种印刷功能性材料的超窄线条的方法，所述方法包括：提供基板，所述基板上具有中间层；和通过将墨水沉积在所述基板的所述中间层上来印刷超窄线条，所述墨水包括功能性材料和溶剂混合物，所述溶剂混合物部分地溶解所述基板上的所述中间层，并使所述墨水收缩并沉入所述基板上的所述中间层从而减小线条的宽度。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述功能性材料为导电墨水。3.如权利要求2所述的方法，其中，所述墨水为银纳米粒子墨水。4.如权利要求1～3任一项所述的方法，其中，所述溶剂为乙醇，乙二醇和甘油的混合物。5.如权利要求1～3任一项所述的方法，其中，所述墨水为银纳米粒子墨水，所述溶剂为乙醇，乙二醇和甘油的混合物，所述基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，所述中间层是由完全环氧化的双酚A/甲醛酚醛共聚物组成的SU-8。6.如权利要求1～5任一项所述的方法，还包括在印刷之后，热处理所述墨水、所述中间层和所述基板。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述墨水、所述中间层和所述基板在60～80℃间的一个温度下热处理5分钟。8.如权利要求6所述的方法，其中，所述墨水、所述中间层和所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱达雅，张志一，陶业，
申请(专利权)人：加拿大国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA