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基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印和微转印的大面积透明电极制造

基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印和微转印的大面积透明电极制造

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作者：许权青岛理工大学

学位级别：硕士

透明导电电极在触摸屏、OLED显示、薄膜太阳能电池、LCD、透明显示、透明电加热、可穿戴设备等诸多光电子产品领域有着广泛的应用,然而,如何实现大面积透明电极的低成本和批量化制造是目前学术界和产业界所共同面临的一项挑战性难题和... 详细信息

透明导电电极在触摸屏、OLED显示、薄膜太阳能电池、LCD、透明显示、透明电加热、可穿戴设备等诸多光电子产品领域有着广泛的应用,然而,如何实现大面积透明电极的低成本和批量化制造是目前学术界和产业界所共同面临的一项挑战性难题和亟待突破的技术。本文提出一种实现高分辨率和大高宽比银网格透明电极大面积、低成本制造的新方法,即基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印和微转印实现透明电极制造。本文从理论分析、工艺优化实验研究以及案例研究三个方面对提出的工艺进行了系统的理论分析和实验验证。重点研究了材料和工艺参数对制造透明电极性能影响的工艺规律,优化出分别适合于高分辨率和大高宽比银网栅电极的两种制造工艺窗口,并通过具体应用案例验证了所制造的透明电极的光电性能。课题研究的主要工作如下:（1）基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印和液桥转印技术提出一种批量化制造大面积、高分辨率透明电极的新方法。同时,基于电场驱动熔融喷射沉积3D打印和UV辅助转印技术提出一种制造大面积、大高宽比透明电极的新方法,结合现有的理论对上述两种方法的基本原理进行了概述和分析。（2）根据理论分析,从纳米银墨水的制备、工艺参数的规律及影响、工艺窗口优化三个方面对电场驱动熔融喷射沉积3D打印和液桥转印结合制造透明电极进行了具体的实验研究。实验结果表明:（1）打印母版时打印床的温度过低会降低打印材料与基底的结合力,导致PDMS模具复制失败;温度过高会影响打印结构的质量（线宽、高宽比）,导致液桥转印难以实现。优化出打印床加热温度范围为30℃0℃。（2）低表面张力的纳米银墨水对PDMS模具沟槽很好填充的同时会部分残留在模具表面,而过高表面张力的纳米银墨水将难以连续停留在PDMS沟槽内部。（3）固化温度较低和时间较短时,液桥介质对银导线有一定程度的溶解,导致银颗粒横向扩散;温度过高和时间过长会使转印的银导线出现片段缺失（银导线不连续）,研究发现在100℃条件下固化10min,能够获得质量较好的银导线。（3）为实现高宽比大于0.5的银导线结构制造,对提出的UV辅助转印技术进行了相应的实验研究,针对工艺需要制备了相应的液体转移介质（UV油墨）。研究结果表明:（1）打印床温度对打印的母版影响体现为复制的PDMS工作模具凹槽开口大小,开口过大会导致银浆填充不完全,开口过小将降低银浆转移成功率,得出较优的打印床加热温度约为120℃。（2）固化温度过低时,银浆固化程度低,导致转印不完全;固化温度过高时,使银浆固化程度偏大导致银线变得硬且脆,易出现断裂的现象。经试验,较优的固化条件为:在90-110℃条件下加热10min。（3）刮刀角度不同会出现三种填充状态:月牙型、半填充型、完全填充型。研究所需的完全填充状态的刮刀与刮涂方向夹角为80°0°。（4）高温去除UV油墨固化膜,温度偏低时,固化膜出现与基底脱落、卷曲等现象,破坏银线结构。随着加热温度升高,银线结构趋于变好,温度为600℃时可以得到结构完整的银导线。（4）针对本文提出的两种工艺方法开展了透明电极的应用案例研究。通过电场驱动熔融喷射沉积3D打印以PCL为打印材料制备高分辨率母版,采用液桥转印技术根据优化的工艺参数实现了平均线宽4μm（最小线宽3μm）,图案面积50mm×50mm,周期150μm的线栅结构和图案面积20mm×20mm,周期200μm的网格结构透明电极的制造。经测试,网格电极的方块电阻约为12Ω/sq,线栅和网格透明电极在可见光波段550nm处的透光率分别为88.94%、88.15%。以PMMA为打印材料制备大高宽比母版,采用UV辅助转印技术根据优化的工艺参数实现了平均线宽15μm,图案面积70mm×70mm,高宽比约为0.7,周期1000μm的线栅和网格结构透明电极的制造。经测试,线栅结构电极的方块电阻约为0.5Ω/sq,不同周期（500μm-2000μm）透光率保持在94%以上。以1000μm周期线栅结构为例进行电加热实验,结果显示所制造的透明电极在电加热领域具有非常突出的性能。

关键词：透明电极电场驱动 3D打印微转印透明电加热器

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