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随着电子产业的迅速发展,喷墨印刷技术因具有低成本,高精度,快速度,环保,适用材料广等优点而受到广泛关注。金属导电墨水是喷墨印刷技术不可或缺的组成部分,具有重要的研究意义。金属导电墨水主要以金、银和铜为导电源,其中金价格昂贵,铜易氧化,相比之下,银具有高导电性、抗氧化性以及相对合理的成本等优势。目前,高性能环保银基导电墨水的开发是喷墨印刷技术主要的瓶颈之一,其应满足绿色环保、低温烧结、高稳定性及高导电性等需求。本论文围绕着如何提高墨水导电性、稳定性、环保性及降低烧结温度和成本,主要开展了以下几个方面的工作:
(1)首先制备了一种水基型银导电墨水,用于提高导电墨水的环保性及降低成本,并通过筛选墨水组分提高导电性及降低烧结温度。具体是以醋酸银为前驱体,去离子水为溶剂,有机胺为络合剂制备出醋酸银基导电墨水。实验结果表明,选取的六种有机胺均可与醋酸银形成络合物,能不同程度的降低醋酸银的热分解温度。其中异丙醇胺作为络合剂时对墨水的络合能力最强,且形成的络合物热分解温度只有162℃,比醋酸银热分解温度低了133℃,因此,确定了异丙醇胺为最佳络合剂。虽然调节银胺比及银含量不能进一步降低导电墨水的热分解温度,但银胺比为1:3时制备的墨水烧结银膜电阻率最低,为397.2μΩ·cm。除此之外,伴随着银含量的增加(10-18%),导电银膜的电阻率从397.2μΩ·cm降至81.9μΩ·cm。烧结温度和保温时间对银膜电阻率有很大影响,当保温时间延长至50 min,烧结温度从130℃升高到250℃时,导电银膜电阻率从7980.8μΩ·cm降至76.5μΩ·cm。
(2)针对醋酸银基导电墨水存在烧结温度高,导电性能差等问题,设计了一个通过添加还原剂降低烧结温度和提高导电性的方案,具体是以醋酸银为前驱体,去离子水为溶剂,异丙醇胺为络合剂,选取了甲酸和聚乙烯亚胺(PEI)作为导电墨水的两种还原剂,分别加入制备出两种银导电墨水。通过实验发现,添加 1%~5%的 PEI 不仅可以将墨水粘度从18 cp提高到37 cp,且使烧结银膜在PI基底上的附着性从3级提高到了最高级。另外,添加3%的PEI可一定程度降低烧结银膜电阻率,在250℃的条件下烧结50 min的银膜电阻率达到20.1μΩ·cm,且值得注意的是,PEI使生成的银粒子尺寸更加均匀。添加1%~5%的甲酸可大幅降低烧结银膜电阻率,当甲酸含量为4%时,烧结银膜在130℃保温50 min的条件下烧结的银膜电阻率达到14.4μΩ·cm,在250℃下烧结50 min的银膜电阻率仅为4.5μΩ·cm。
(3)为了探究醋酸银基导电墨水的稳定性,设计了两种不同的储存环境,一种是储存在冰箱中(5℃),另一种是储存在室温下(25℃)。通过实验发现,以甲酸为还原剂制备的墨水稳定性最佳,于低温(5℃)与室温(25℃)条件下可分别稳定储存超过6个月和2个月,且烧结的银膜电阻率基本不变。聚乙烯亚胺作为还原剂制备的墨水稳定性次之,于低温(5℃)下可稳定储存2个月。除此之外,通过紫外数据对比发现,甲酸、醋酸银和异丙醇胺三者间可发生相互作用,形成三元络合物,且该络合物在溶剂水中的溶解性更好。
(1)首先制备了一种水基型银导电墨水,用于提高导电墨水的环保性及降低成本,并通过筛选墨水组分提高导电性及降低烧结温度。具体是以醋酸银为前驱体,去离子水为溶剂,有机胺为络合剂制备出醋酸银基导电墨水。实验结果表明,选取的六种有机胺均可与醋酸银形成络合物,能不同程度的降低醋酸银的热分解温度。其中异丙醇胺作为络合剂时对墨水的络合能力最强,且形成的络合物热分解温度只有162℃,比醋酸银热分解温度低了133℃,因此,确定了异丙醇胺为最佳络合剂。虽然调节银胺比及银含量不能进一步降低导电墨水的热分解温度,但银胺比为1:3时制备的墨水烧结银膜电阻率最低,为397.2μΩ·cm。除此之外,伴随着银含量的增加(10-18%),导电银膜的电阻率从397.2μΩ·cm降至81.9μΩ·cm。烧结温度和保温时间对银膜电阻率有很大影响,当保温时间延长至50 min,烧结温度从130℃升高到250℃时,导电银膜电阻率从7980.8μΩ·cm降至76.5μΩ·cm。
(2)针对醋酸银基导电墨水存在烧结温度高,导电性能差等问题,设计了一个通过添加还原剂降低烧结温度和提高导电性的方案,具体是以醋酸银为前驱体,去离子水为溶剂,异丙醇胺为络合剂,选取了甲酸和聚乙烯亚胺(PEI)作为导电墨水的两种还原剂,分别加入制备出两种银导电墨水。通过实验发现,添加 1%~5%的 PEI 不仅可以将墨水粘度从18 cp提高到37 cp,且使烧结银膜在PI基底上的附着性从3级提高到了最高级。另外,添加3%的PEI可一定程度降低烧结银膜电阻率,在250℃的条件下烧结50 min的银膜电阻率达到20.1μΩ·cm,且值得注意的是,PEI使生成的银粒子尺寸更加均匀。添加1%~5%的甲酸可大幅降低烧结银膜电阻率,当甲酸含量为4%时,烧结银膜在130℃保温50 min的条件下烧结的银膜电阻率达到14.4μΩ·cm,在250℃下烧结50 min的银膜电阻率仅为4.5μΩ·cm。
(3)为了探究醋酸银基导电墨水的稳定性,设计了两种不同的储存环境,一种是储存在冰箱中(5℃),另一种是储存在室温下(25℃)。通过实验发现,以甲酸为还原剂制备的墨水稳定性最佳,于低温(5℃)与室温(25℃)条件下可分别稳定储存超过6个月和2个月,且烧结的银膜电阻率基本不变。聚乙烯亚胺作为还原剂制备的墨水稳定性次之,于低温(5℃)下可稳定储存2个月。除此之外,通过紫外数据对比发现,甲酸、醋酸银和异丙醇胺三者间可发生相互作用,形成三元络合物,且该络合物在溶剂水中的溶解性更好。