基于功能性溶液型油墨的全印制导电图形制备技术研究

The project proposed a technology of forming all printed conductive patterns based on a solution-type precursor ink, in order to solve the problems of poor printing performance, need for annealing, high cost and the like that the nanoparticle based conductive inks for printed electronics faces at present. The project plans to develop a printable functional precursor ink that could be inkjet printed onto flexible substrates and be cured by laser or UV light. The restricted nano particles formed during the curing process could be used as catalyst for subsequent electroless copper plating. Finally conductive patterns with high electrical performance can be obtained by selective electroless plating. The project intends to study the printing performance and catalytic activity of the functional solution-type ink; explore the influencing law of substrates' physical and chemical treatment on adhesion of the ink/substrate interface and wetting property of the printed lines; optimize and match the printing parameters according to the characteristics of the ink to achieve high-resolution and high-speed printing; study the kinetic process and the selective catalytic mechanism of the metal-catalyzed deposition process on interfaces of different phases to achieve a preparation technique of all printed conductive graphics with high conductivity, uniform lines, high resolution and excellent adhesion. The research of this project will lay the theoretical and technical foundations of the industrialization of inkjet printed conductive lines and devices, while promoting the development of printed electronics industries.

针对目前全印制电子用纳米颗粒型导电油墨的可喷印性较差、需要退火结晶且价格昂贵等问题，本项目提出了一种基于溶液型前驱油墨的全印制导电图形制备技术。项目拟开发易喷墨印制的功能性溶液型前驱油墨，以此油墨在饶性基上喷印图形并进行激光/紫外固化，以固化过程中形成的有机束缚纳米金属粒子为催化剂，进行约束性化学镀，获得性能优良的图形化导电线路。项目拟研究功能性溶液型油墨的可喷印性能和催化活性；探索柔性基的物化处理对油墨/基板结合力和线边侧壁浸润扩展的影响规律；依据功能性溶液型油墨的特性，优化并匹配喷墨打印工艺参数，获得高喷印分辨率并实现高速喷印；研究异相表面金属催化沉积的动力学过程和受限控制催化机理，获得导电性高、线条均匀性好、分辨率高、附着力优良的全印制导电图形制备技术。项目研究将为我国喷墨印制导电线路或器件的产业化奠定理论和技术基础，同时推动全印制电子产业的发展。

鉴于金属纳米颗粒油墨成本高、易团聚堵塞喷头、喷墨印制后电导率低且需高温固化等缺陷，项目开发出了基于溶液型前驱油墨的图形化金属功能层制备技术。该技术核心思想是：采用一种溶液型前驱油墨经喷墨印制在柔性基材上形成催化图形，经约束性化学沉积，自组织生长形成金属导电图形。项目通过调控溶液型前驱油墨的物性参数，探讨了油墨的可喷印适性；针对不同柔性基材的特性，对基材进行了物化处理或接枝改性；探讨了高精度图形转移及喷印技术；研究了化学沉积技术参数对沉积铜层的生长速率、镀液稳定性及铜层质量的影响规律。项目研究获得的重要结果包括：（1）获得了具有优良可喷印适性及催化活性的溶液型前驱油墨；（2）获得了高速、高稳定的化学镀铜技术参数；（3）基于喷墨印制-化学沉积技术制备的导电线条线宽低至60µm，电阻率低至2.5×10-6 Ω•cm。本项目相关技术指标与国际上著名研究机构相比，在线宽、导电性及非高温固化方面具有综合优势；（4）对PI、PET、纸基等基材的表面改性、枝接、修饰，有效改善了油墨与衬底基材的界面接触特性，获得了在基材表面附着力优良的导电图层；（5）项目技术应用于刚/挠性LED基板布线，LED可实现稳定工作(PI基板上的LED已稳定工作三年)；（6）项目技术应用于工作频率915MHz的RFID标签天线中，天线的读写距离可达30cm；（7）在实现项目计划任务的基础上，基于项目技术思想，本项目还在钛酸锶钡（BST）介电陶瓷及锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷基上实现了贱金属电极制备，各项性能指标达到了工业应用要求，制造成本降低50%以上。项目技术所制备的线条精细度高、厚度可控、电导率高且附着力优良的导电图层，为刚/挠性基上的金属互联及金属功能图层的获得提供了一种大面积、低成本、绿色环保的技术实现手段。项目技术极具产业化应用前景，可为喷墨印制导电线路或功能器件的产业化奠定理论和技术基础。