一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法，属于增材制造和电子器件技术领域。本发明专利技术的超细、大高宽比网格透明电极的制备方法利用电场驱动喷射3D打印和电荷诱导自对正相结合。在交流脉冲电源一个脉冲周期内，正电压感应产生带正电荷的打印材料微液滴，负电压感应产生带负电荷的打印材料微液滴，沉积在衬底后相邻带电打印材料微液滴接触，正负电荷中和，随后利用电荷诱导自对正实现带电打印材料微液滴在已成型层上堆积，直至完成设定层数的网格的打印。该发明专利技术的超细、大高宽比网格透明电极的制备方法基板材料可选择范围广，并且能够得到高导电率、高透光率的透明电极，具有很好的推广应用价值。

A Method for Preparing Ultrafine Transparent Mesh Electrodes with Large aspect Ratio

The invention discloses a preparation method of ultra-fine, high aspect ratio grid transparent electrode, which belongs to the technical field of material addition manufacturing and electronic devices. The preparation method of the ultra-fine, high aspect ratio grid transparent electrode of the invention combines electric field driven jet 3D printing with charge-induced self-alignment. During a pulse period of AC pulse power supply, positive voltage induction generates positive charge print material droplets, negative voltage induction generates negative charge print material droplets, which are deposited on the substrate and contacted by adjacent charged print material droplets, and the positive and negative charges are neutralized. Then charge-induced self-alignment is used to realize charged printing. The material droplets accumulate on the formed layer until the grid printing of the set number of layers is completed. The preparation method of the ultra-fine, high aspect ratio grid transparent electrode has a wide selection of substrate materials, and can obtain transparent electrodes with high conductivity and transparency, which has a good application value.

【技术实现步骤摘要】
一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法
本专利技术涉及增材制造和电子器件
，具体提供一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法。
技术介绍
透明电极是指在可视光区域内同时具备高透光率和低面电阻的导电部件，透明电极在LCD和OLED等显示器、触摸屏、有机太阳能电池、光电子元件等电子领域具有极其广泛的应用。目前透明电极主要采用铟锡氧化物薄膜制备而成，但是该种方法制备的透明电极存在易碎以及制备过程高温处理破坏基板等问题，同时铟本身作为稀有金属也存在资源枯竭的隐患。包括石墨烯、碳纳米管、金属（金、银、铜）等新一代透明电极具有透明度高、方阻小、性价比高及基板材料可选择范围广等优点，显示出了突出的优势和广阔的工业化前景。目前，学术界和产业界已经提出多种制造网格透明电极的方法，诸如光学光刻法、纳米印压、喷墨打印、气溶胶打印、电流体动力喷射打印等多种制造技术。然而上述这些方法目前均存在一定的局限性。（1）、光学光刻法可以实现制备的网格透明电极的高分辨率，但是其主要面向二维成型，难以实现大高宽比，并且该方法生成成本高（光刻成本和材料成本）、大尺寸受限（目前最大的工业级是12英寸）；（2）、纳米压印在大面积制造时，由于模板和压印图案接触面积过大会造成剥离困难、压印图案变形等问题，在大尺寸制造方面面临严峻挑战，同时制备高精度模板通常需要用电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀的方法，耗时且价格昂贵；（3）、喷墨打印常见的有热泡式和压电式，但是目前都面临分辨率低的问题（线宽大于20μm），不能满足触摸屏、OLED等诸多领域对于透明电极的要求，而且打印材料粘度受限（粘度通常被限定在30cP以下），无法实现高粘度材料的打印；（4）、气溶胶打印虽然在打印精度（目前最高分辨率为5μm）和打印材料粘度方面（低于2500cP）有了很大的提高，并且能够实现大高宽比结构，但是现有的精度还是无法满足OLED、触摸屏等高分辨率透明电极的要求（线宽一般低于5μm以下，最小线宽低于2μm），并且该方法使用的设备成本非常高、打印材料受限；（5）、电流体动力喷射打印在喷嘴（第一电极）与基板（第二电极）之间施加高压，以“拉”的方式从喷嘴尖端产生极细的射流进行打印，具有打印亚微米、纳米尺度分辨率复杂微纳结构的能力，而且兼容性较好。但是该方法难以满足曲面共形衬底上的打印，在绝缘衬底上打印时稳定性较差，高分辨率（超细）图案大高宽比结构的打印能力不足。
技术实现思路
本专利技术的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种基板材料可选择范围广，并且能够得到高导电率、高透光率的超细、大高宽比网格透明电极的制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法，该制备方法利用电场驱动喷射3D打印和电荷诱导自对正相结合：导电喷嘴与交流脉冲电源相连，设定喷嘴与绝缘衬底之间的距离，在喷嘴与衬底之间形成电场，在电场作用下喷嘴尖端产生锥射流沉积在衬底上形成打印材料微液滴，其中在交流脉冲电源一个脉冲周期内，正电压感应产生带正电荷的打印材料微液滴，负电压感应产生带负电荷的打印材料微液滴，沉积在衬底后相邻带电打印材料微液滴接触，正负电荷中和，移动衬底，交流脉冲电源下一个脉冲周期继续重复正、负电荷打印材料微液滴交替沉积，完成单层网格打印；将喷嘴向上移动一个层厚的距离，在已成型层的基础上，继续控制交流脉冲电源正、负电压重复上述过程，通过已成型层与喷嘴之间的电场作用，利用电荷诱导自对正实现带电打印材料微液滴在已成型层上堆积，直至完成设定层数网格的打印，网格打印制件经烧结制备得网格透明电极。本专利技术中所述电场驱动喷射3D打印过程采用电场驱动喷射3D打印设备来完成。电场驱动喷射3D打印设备包括打印喷头、喷嘴、交流脉冲电源、位移台、衬底、材料供给单元和气压控制单元。其中喷嘴设置在打印喷头下端；交流脉冲电源由信号发生器和高压放大器共同组成；气压控制单元控制压缩空气通入至打印喷头中；材料供给单元与打印喷头相连，材料供给单元中盛放打印材料。衬底安装在位移台上，根据要打印图案预先设定程序控制位移台的移动，在打印过程中位移台实时移动，通过位移台的移动来实现衬底的移动，从而实现在衬底上打印图案。所述绝缘衬底为刚性或者柔性，本专利技术中选用如玻璃或PET。本专利技术中采用绝缘衬底、导电喷嘴和交流脉冲电源相结合。打印过程中喷嘴靠近衬底时，在交流脉冲电源作用下，喷嘴与衬底发生静电感应作用，导致衬底电荷重新排布，衬底上表面分布负（正）电荷，下表面分布正（负）电荷，喷嘴与衬底之间形成稳定的电场，提高打印过程中的电场稳定性。被挤出到喷嘴尖端的打印材料在电场力、粘性力、表面张力等综合作用下拉伸变形逐渐形成泰勒锥，随着泰勒锥尖端电荷不断聚集，当静电力（电场力）超过打印材料的表面张力后，打印材料液滴从泰勒锥顶部喷射产生极细的锥射流（射流直径比喷嘴尺寸小1-2个数量级），实现微液滴沉积在衬底上，再结合位移台的移动，实现任意复杂图案的高精度制备。电场驱动喷射3D打印和电荷诱导自对正相结合，首先完成超细线宽的单层网格打印，再利用电荷诱导自对正实现超细多层网格打印。在交流脉冲电源的作用下，喷嘴与衬底之间形成稳定的电场，提高打印过程中的电场稳定性，从而保证网格高分辨率（超细）打印的稳定性，并通过电荷诱导自对正堆积实现多层打印过程中微液滴的精准堆积，从而实现超细、大高宽比网格透明电极的制备。作为优选，所述透明电极的制备方法具体包括以下步骤S1：打印初始化将打印材料装入材料供给单元，将交流脉冲电源与喷嘴相连，喷嘴移动到初始打印位置，设定喷嘴与衬底之间的距离；S2：打印第一层网格设置好交流脉冲电源的工作参数，启动交流脉冲电源，在喷嘴与衬底之间形成电场，由材料供给单元挤出到喷嘴尖端的打印材料形成泰勒锥，在交流脉冲电源的一个脉冲周期的正（负）电压作用下形成带正（负）电荷的打印材料微液滴从泰勒锥形成锥射流沉积至衬底上，在同一脉冲周期的负（正）电压作用下形成带负（正）电荷的打印材料微液滴从泰勒锥形成锥射流沉积至衬底上，相邻带异种电荷的打印材料微液滴中和，使已打印层电中性，移动衬底，在下一个脉冲周期继续重复正（负）、负（正）打印材料电荷微液滴交替沉积至衬底，完成第一层网格打印；S3：打印第二层网格在打印的第一层网格的基础上，将喷嘴向上移动一个层厚的距离，同时衬底反向运动，调整交流脉冲电源的参数，控制交流脉冲电源正、负电压继续重复步骤S2的过程，利用电荷诱导自对正实现带电打印材料微液滴在已成型层上精准堆积，完成第二层网格打印；S4：打印多层网格重复步骤S3的过程，实现设定层数网格的打印；S5：打印结束，取下打印好的设定层数的网格打印制件，烧结制备得网格透明电极。作为优选，带电打印材料微液滴沉积在衬底上后，采用光源照射沉积在衬底上的打印材料微液滴，通过光源照射实现打印材料快速固化。作为优选，采用UV光源照射沉积在衬底上的打印材料微液滴，所述UV光源照射过程采用面光源照射方式，照射面积为100cm*100cm，光照强度为1.0-1.3W/cm2，峰值波长为385-405nm，光照时间为45-60秒。采用UV光源照射在已沉积在衬底上的打印材料微液滴，通过UV光源和打印材料的作用，产生热量实现打印材料微液滴在衬底上的快速固化，从而减轻多层打本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法，其特征在于：该制备方法利用电场驱动喷射3D打印和电荷诱导自对正相结合：导电喷嘴与交流脉冲电源相连，设定喷嘴与绝缘衬底之间的距离，在喷嘴与衬底之间形成电场，在电场作用下喷嘴尖端产生锥射流沉积在衬底上形成打印材料微液滴，其中在交流脉冲电源一个脉冲周期内，正电压感应产生带正电荷的打印材料微液滴，负电压感应产生带负电荷的打印材料微液滴，沉积在衬底后相邻带电打印材料微液滴接触，正负电荷中和，移动衬底，交流脉冲电源下一个脉冲周期继续重复正、负电荷打印材料微液滴交替沉积，完成单层网格打印；将喷嘴向上移动一个层厚的距离，在已成型层的基础上，继续控制交流脉冲电源正、负电压重复上述过程，通过已成型层与喷嘴之间的电场作用，利用电荷诱导自对正实现带电打印材料微液滴在已成型层上堆积，直至完成设定层数网格的打印，网格打印制件经烧结制备得网格透明电极。

【技术特征摘要】
1.一种超细、大高宽比网格透明电极的制备方法，其特征在于：该制备方法利用电场驱动喷射3D打印和电荷诱导自对正相结合：导电喷嘴与交流脉冲电源相连，设定喷嘴与绝缘衬底之间的距离，在喷嘴与衬底之间形成电场，在电场作用下喷嘴尖端产生锥射流沉积在衬底上形成打印材料微液滴，其中在交流脉冲电源一个脉冲周期内，正电压感应产生带正电荷的打印材料微液滴，负电压感应产生带负电荷的打印材料微液滴，沉积在衬底后相邻带电打印材料微液滴接触，正负电荷中和，移动衬底，交流脉冲电源下一个脉冲周期继续重复正、负电荷打印材料微液滴交替沉积，完成单层网格打印；将喷嘴向上移动一个层厚的距离，在已成型层的基础上，继续控制交流脉冲电源正、负电压重复上述过程，通过已成型层与喷嘴之间的电场作用，利用电荷诱导自对正实现带电打印材料微液滴在已成型层上堆积，直至完成设定层数网格的打印，网格打印制件经烧结制备得网格透明电极。2.根据权利要求1所述的超细、大高宽比网格透明电极的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤S1：打印初始化将打印材料装入材料供给单元，将交流脉冲电源与喷嘴相连，喷嘴移动到初始打印位置，设定喷嘴与衬底之间的距离；S2：打印第一层网格设置好交流脉冲电源的工作参数，启动交流脉冲电源，在喷嘴与衬底之间形成电场，由材料供给单元挤出到喷嘴尖端的打印材料形成泰勒锥，在交流脉冲电源的一个脉冲周期的正（负）电压作用下形成带正（负）电荷的打印材料微液滴从泰勒锥形成锥射流沉积至衬底上，在同一脉冲周期的负（正）电压作用下形成带负（正）电荷的打印材料微液滴从泰勒锥形成锥射流沉积至衬底上，相邻带异种电荷的打印材料微液滴中和，使已打印层电中性，移动衬底，在下一个脉冲周期继续重复正（负）、负（正）打印材料电荷微液滴交替沉积至衬底，完成第一层网格打印；S3：打印第二层网格在打印的第一层网格的基础上，将喷嘴向上移动一个层厚的距离，同时衬底反向运动，调整交流脉冲电源的参数，控制交流脉冲电源...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广明，兰红波，周贺飞，钱垒，许权，彭子龙，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37