美國麻省理工學院(MIT)的研究人員在《Science Advances》期刊中發表最新研究成果——「利用奈米孔隙壓印實現超薄的高解析度柔版印刷」(Ultrathin high-resolution flexographic printing using nanoporous stamps),重新探討柔版印刷技術,期望實現高解析度、低成本且大尺寸的印刷電子。

由於壓印期間的液體不穩定性以及油墨擴散等問題,利用橡膠壓印的柔版印刷解析度通常受限於幾十微米;研究人員因而開發出一種新型的壓印材料, 使其適用於搭配許多常見的電子油墨實現近1μm的解析度。

這種材料必須具有足夠大的孔隙,才能在以電子油墨潤濕時容納膠體油墨顆粒,但又不能太大以避免對於印刷特性造成負面影響。此外,它還必須具有抗溶性以及機械相容性,才能形成均勻的接觸,而又極其耐用。

研究人員在微影圖案化的矽基板上生長垂直排列的碳奈米管(CNT),創造出99%多孔隙且可重覆的微結構。在經過不同的化學表面處理和適形pPFDA聚合物塗層後,印模即適用於此目的,支援毛細管驅動的油墨載入,以及奈米級觸點介導的油墨轉移。

20161212 MIT NT01P1 壓印微結構的SEM影像,25μm x 25μm (左);以及(右)該結構陣列的光學和原子力顯微鏡影像,及其所取得的銀(Ag)印刷油墨圖案 (來源:MIT)

接著在剛性和軟性基板上,研究人員為ZnO、WO3與CdSe/ZnS等各種不同功能的奈米粒子油墨印刷許多微米級圖案。其執行時的解析度與印刷速度(0.2m/s)遠遠優於當今業界所採用的技術。研究人員並在文中指出,如果將這一製程轉換為捲對捲製造,就可能讓低成本量產電子成為現實。

例如,MIT研究團隊印刷了透明電極的導電網路——這是連接至LCD、LED、觸控螢幕面板或太陽能電池等應用的關鍵層。在利用蜂巢圖案化奈米多孔隙壓印的單一柔版印刷步驟中,研究人員能以相鄰孔隙之間至少3μm的線寬印刷薄層的Ag蜂巢圖案,並達到94% (從200-800nm)的透明度,以及3.6Ω/sq的電阻。印刷圖案表現出相當均勻的奈米級厚度,大約從5至50nm。

20161212 MIT NT01P2 (左上)最小內部線寬為3μm的蜂巢結構CNT壓印放大像。配合光學顯微鏡影像的機制顯示各種不同條件下的CNT壓印,乾燥的、塗染油墨的以及溶劑蒸發後在玻璃基板上形成的印刷圖案。 (來源:MIT)

20161212 MIT NT01P3 壓印特性(左上)的影像圖,以及線寬約20-150μm花狀圖案的印刷Ag NP油墨圖案(左下)光學影像圖。右邊是印刷QD油墨(CdSe/ZnS,5-6nm)圖案的螢光顯微鏡影像圖像,具有5μm的最小內部線寬以及11 μm的孔隙大小。 (來源:MIT)

另一項展示是印刷膠體量子點油墨(CdSe/ZnS),具有5μm的最小內部線寬以及直徑11μm的孔隙尺寸。

為了確保精確的印刷,以及施加施加合適的印模壓力以實現纖薄均勻的結果,研究團隊開發出一種模型,考慮壓印和基底的粗糙度以及油墨中的奈米顆粒濃度。

在此研究中,印刷圖案的解析度可能受限於所使用的微影設備解析度,研究人員認為,採用單壁CNT明顯較小(1-2nm)的直徑與間距,可望有助於將柔性印刷推向次微米的特性。

研究人員期,多層的捲對捲印刷途徑可望以低本的工業規模實現完整的電路與能量採集解決方案。其應用領域包括從食品包裝上無所不在的感測器,到印刷在玻璃窗上的天氣監測解決方案。

20161212 MIT NT01P4 在整個印刷過程中,將油墨從奈米多孔壓印轉移到目標基板

編譯:Susan Hong

(參考原文:Flexographic printing nears 1μm resolution for electronics,by Julien Happich)