米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心[研究中心主任 Toshihide Kamata] 柔性材料基础设施团队首席研究员 Tatsuo Hasekawa、AIST 特别研究员 Yuki Noda 等人正在为电子制造的先进印刷制造技术奠定基础喷墨打印方式强，如不同微滴接触形成时所示表面张力为主的独特混合机制
世界各地正在积极进行利用印刷技术制造电子设备的印刷电子技术的研究和开发。这次，双射喷墨打印方法但同质单晶薄膜之所以能形成这种现象，是由于不同微滴混合在一起时观察到的独特混合模式，同时也阐明了控制这种混合模式所必需的微滴混合机制。
这项研究为推进使用喷墨印刷方法制造电子纸和柔性显示器的技术提供了指导，并有望大大加速印刷电子技术的研究和开发。
详情请参阅德国学术期刊先进功能材料
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| 不同微滴的具体混合方式及其与薄膜形成的相关性 |
世界各地正在积极进行印刷电子技术的研究和开发，其中使用绘制文本和照片的印刷技术形成半导体、金属等的高清薄膜图案，并将它们组合起来制造电子设备。然而，为了通过印刷方法制造电子器件，需要形成在原子和分子水平上均匀的半导体层和金属层。因此，一个主要的技术挑战是如何控制和抑制随着溶剂蒸发而进展的材料的不均匀性，这对于使用打印方法施加含有溶解或分散的半导体或金属的墨滴后的正常打印来说不会出现问题。
作为解决方案之一，AIST提出了一种双射喷墨打印方法，通过将高浓度溶解材料的墨水与不易溶解材料的墨水混合来控制材料的沉淀（2011 年 7 月 14 日日产 AIST 新闻稿）。该技术已被证明可以在溶剂蒸发之前使所涂墨滴表面附近的半导体变薄。此外，通过控制液滴表面附近的晶体生长，还可以形成具有极高均匀性的薄膜，例如单晶薄膜。然而，直到现在还不清楚为什么薄膜生长发生在墨滴表面附近，以及这种薄膜生长对于各种墨水组合是否可能。进入学术上不成熟的领域也是阻碍印刷电子技术进步的一个因素。
AIST 正在进行广泛的研究和开发，旨在实现印刷电子产品。在致力于电子功能材料和适合使用印刷方法形成电子器件的新型印刷工艺的开发和完善的同时，我们开发了一种双射喷墨印刷方法，可以形成高度均匀的有机半导体薄膜图案。 AIST认为，阐明不同微液滴的混合机制是推进这项技术的关键，并通过系统地研究不同微液滴如何混合来实现这一成果。
该研究部分得到新能源和产业技术发展机构产业技术研究补助金项目、文部科学省科学研究补助金项目的资助。
我们使用喷墨方法形成固定液体和不同液体的微滴，并使用配备高速相机的显微镜详细检查它们是如何混合的（图1）。在实验中，我们系统地研究了微滴和由可混合液体组合组成的固定液体的混合，如图1所示。
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图1 微滴混合实验
使用高速相机观察不同微滴的混合以及本研究中使用的 10 种可混合液体的组合的观察实验示意图。 |
预先将液滴涂在基材上（固定水滴)，用于混合在一起的各种液体组合。结果发现，根据液体的组合、体积等，观察到以下三种行为。（图2）
(1)“润湿”：微滴到达固定液滴的液面后，固定液滴的形状几乎保持不变，微滴迅速润湿并铺展在固定液面上，形成薄薄的液层（图2a）。
(2)“排斥”：固定液滴从滴落微滴的位置被向外推，内部出现固定液滴被排斥的圆形区域，该区域扩大然后逐渐消失（图2b）。
(3)“静”：微滴穿透固定液滴的液面，同时保持其球形形状，沉入液面下方，然后逐渐消失（图2c）。
其中，当微滴的表面张力小于固定滴的表面张力时，会发生“润湿”和“排斥”（图1中的组合1至5），而当微滴的表面张力大于固定滴的表面张力时，会发生“流挂”（组合6至10）。
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图2 在微滴中观察到的三种类型的混合行为
观察（a）“润湿”、（b）“排斥”和（c）“掉落”的连续延时照片，以及每种行为的示意图（底部）。 |
“润湿”和“排斥”是由相同的液体组合引起的，当固定液滴的体积减少时，突然发生从“润湿”到“排斥”的变化。图3b显示了具有不同扩散面积的固定液滴从“润湿”到“排斥”发生变化的条件。由此可见，这些变化的发生取决于固定液滴的液层的厚度。即，发现当滴下的微滴的动能克服固定滴的表面张力的弹性并到达基材表面时，发生“排斥”。对于所使用的所有液体组合，两种液体之间的表面张力差异，韦伯数发生的润湿、排斥和滴落现象。
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图3润湿、排斥、滴落现象的表现和竞争
(a) 每种现象的示意图。 (b) 图1(5)所示的液体组合中“润湿”和“排斥”之间的竞争。
(c) 观察到 10 种液体组合的润湿、排斥和滴落现象的表达和竞争。 |
这些混合现象的机制被认为如下。在“润湿”行为中，具有低表面张力的微滴变形以覆盖具有高表面张力的固定液滴的表面。另一方面，在“排斥”行为中，具有低表面张力的微滴穿透固定液滴并铺展在固体基底上，使具有高表面张力的固定液滴变形，从而使其表面积减少了微滴铺展量。此外，当滴落具有高表面张力的微滴时，无法获得与微滴变形相关的表面能增益，并且微滴表现出“下垂”行为，其中它们下沉同时保持其球形形状。看似截然不同的“润湿”、“排斥”和“滴落”现象，都是微滴特有的现象，是由两种液滴之间的表面张力差异引起的。
这些微滴的混合模式对于通过喷墨打印形成高度均匀的薄膜非常重要。图4显示了如何通过混合两种类型的液滴来沉淀半导体，其中使用不易溶解半导体的有机溶剂（N,N-二甲基甲酰胺）作为固定液滴，以及溶解在容易溶解有机半导体的有机溶剂（二氯苯）中的半导体溶液作为微滴。图 4a 和 4b 分别对应于发生“排斥”和“润湿”的情况。当“排斥”发生时，由于随后两种液体的快速混合，然后随着溶剂的蒸发，半导体随机沉淀咖啡渍效果形成环形沉积物已存入。另一方面，当发生“润湿”时，在固定液滴的气液界面附近沉积出固体薄膜，然后通过溶剂的蒸发获得覆盖整个区域的高度均匀的薄膜。
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图4 微滴混合行为与薄膜形成之间的相关性
当（a）“排斥”现象和（b）“润湿”现象发生时，液滴混合和薄膜形成的连续照片。 (c)(d)获得的薄膜覆盖率与粘附液滴体积之间的相关性。 |
未来，我们的目标是利用不同微滴独特混合机制的知识，并利用喷墨印刷优化半导体的印刷制造条件，从而提高半导体器件的性能和稳定性。我们还将致力于使用全印刷方法结合金属布线和介电材料的印刷制造技术来制作高性能电子设备的原型。
国立产业技术综合研究所
柔性电子研究中心
研究总监 Tatsuo Hasekawa 电子邮件：
AIST 特别研究员 Yuki Noda 电子邮件：