摘 要

随着全球范围内逐渐涌现的能源危机以及全球变暖等环境问题，寻找更清洁，更可持续的能源成为人类发展的必经之路。太阳能作为最清洁的能源，它的的开发和利用也就很自然的成为各位科学家们的研究重点。随着人们对光电子器件和系统日益增长的需求，它的发展也愈来愈需要新的技术带动它的发展。

喷墨打印技术是非接触、数字化的一种打印方式，它的优点很多，方便快捷、操作方式简单可控、成本较低，环境友好、可重复等等都是它所独具的优势，并且成为它在众多印刷工艺中仍能立足根基的关键。对于印刷电子器件的制造越来越发挥出巨大的作用。所以，学习了解喷墨打印技术，并将其应用到生活中，具有非常深远的研究意义。

本次毕业设计为低成本喷墨打印技术制备金属电极，旨在对喷墨打印机进行改造，使其具有能够打印特殊墨水的功能。从而能够利用喷墨打印的方法，制备出各种不同电子器件的金属电极，满足它们不同的结构需求。本次设计通过对印刷工艺的物理化学原理和喷墨打印技术的技术原理入手，简要了解了喷墨打印机的分类。本次毕业设计所用的喷墨打印机采用的为压电式的按需喷墨打印工艺。而且通过对纳米银颗粒导电墨水和无颗粒型银基导电墨水等两种特殊导电墨水类型进行优缺点的综合比较，最终选用了对无颗粒型银基导电墨水进行制备。虽然它的导电性能不是很优，但是它可以减少对印刷喷嘴的堵塞，并且没有额外添加的分散剂，非常适合本次设计的实际要求。

对喷墨打印用导电墨水配置完毕后，将其加入到打印机墨盒中。最后通过采用喷墨打印的方法打印制备出金属电极，虽然金属含量较少，导致导电性能较差，但是对喷墨打印技术的整个过程有了非常深刻的了解。并且期望在今后的研究工作中，能够就设计中呈现的几个问题进行更深入的学习，争取获得更高质量的金属电极。

关键词：喷墨打印技术；压电式喷墨；导电墨水；金属电极。

Abstract

With the emerging global energy crisis and global warming and other environmental problems, the search for cleaner and more sustainable energy is the only way for human development.As the cleanest energy source, the development and utilization of solar energy naturally becomes the research focus of scientists.With the increasing demand for optoelectronic devices and systems, its development also needs new technology to drive its development.

Inkjet printing technology is a digital, non - contact printing method.It has a lot advantages and convenient and quick, simple operation control, lower cost, environment friendly, repeatable, and so on are its unique advantages. and these become the key that it in many printing process can still be based on the foundation.It plays an important role in the manufacture of printing electronic devices.Therefore, learning inkjet printing technology, and its application in life, has a very profound research significance.

This graduation project is to prepare metal electrode for low cost inkjet printing technology, aiming at reforming the inkjet printer so that it can print special ink.In this way, the metal electrodes of various electronic devices can be prepared by means of inkjet printing to meet their different structural requirements.This design through to the physical chemistry principle of printing process and the technological principle of the ink-jet printing technology, briefly learn about the classification of the inkjet printer.The inkjet printer used in this graduation project adopts piezoelectric on-demand inkjet printing technology.In addition, through the comprehensive comparison of the advantages and disadvantages of nano silver particle conductive ink and non-granular silver based conductive ink, I adopted a non-granular silver base conductive ink for configuration.Although its electrical conductivity is not very good, it can reduce the blockage of the printing nozzle, and no additional dispersants are added, which is very suitable for the actual requirements of this design.

Finally, ink-jet printing method to print out the metal electrode and metal content is less, result in poor electrical conductivity, but the whole process of inkjet printing technology have very deep understanding. Moreover, I hope that in the future research work, I can further study some problems in the design and strive for better results.

Keywords: Inkjet printing technology; Piezoelect ink-jet; Conductive ink; Metal electrode.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 喷墨打印技术的发展 1

1.3 喷墨打印及其参数 2

1.3.1打印头参数 2

1.3.2墨水参数 3

1.4 研究的内容和目的 3

第二章 喷墨打印技术 4

2.1 喷墨打印的原理 4

2.1.1分散度和比表面 4

2.1.2表面张力、表面能、比表面吉布斯函数 5

2.1.3润湿与铺展 6

2.2 喷墨打印的分类及技术原理 7

2.2.1 连续式喷墨打印 7

2.2.2 按需式喷墨打印 8

第三章 金属电极打印 11

3.1 打印前的准备 11

3.1.1 印前图案设计 12

3.1.2 基底的选择 12

3.2 导电墨水的制备 13

3.2.1实验试剂及仪器 13

3.2.2墨水的制备 14

3.3 打印及印后处理 15

3.4结果分析 16

第四章 结论与展望 17

参考文献 18

致谢 19

第一章 绪论

近几年来，喷墨打印技术的应用领域也越来越广阔，越来越在生产生活中的各个方面发挥它的作用，从户外广告，到陶瓷喷印，再到纺织印花等等，除了传统工业领域，其在新兴的高科技领域的应用，也越来越受到各个领域科学工作者的关注。随着世界上范围不断扩大的能源问题，寻找更加清洁、更加可持续的能源成为众多科学家的目标，太阳能电池等光伏产业产品的出现，无疑成为人们心中最合适的能源替代品。但是，利用以往的制造技术使得其生产成本非常的昂贵，要想实现大规模、低成本的生产，亟待一项技术革命，从而减少成本，实现大规模生产，而喷墨打印技术的优势较多，对各种材料的利用率较高、成本较低、数字化、方便快捷、环境友好、非接触等^[1][2]，因此研究喷墨打印技术具有切实可行的意义。

1.1 引言

印刷电子学，是以印刷理论为基础的电子学科，是利用传统的印刷工艺制备电子系统和电子器件的科学与技术。传统印刷工艺是可视化的图和文的印刷，不仅是电子印刷也是传统的平面媒体印刷的一个分支，与之存在差异的是它更多地采用了电子排版和计算机等电子手段。故印刷电子并非电子印刷。印刷电子工艺是一种类似于微纳米加工的“加成”工艺^[3]。构成电子器件或者电路系统的每一个组成成分都是采用印刷的方式将各种不同的材料以墨水或者油墨的形式进行层层沉积叠加而形成的。因此印刷电子制造工艺和传统的印刷制造工艺存在很多相似之处，只是印刷电子制造工艺中使用的“墨水”具有导电、半导体或者介电性质等。电子器件或者电路系统能够被印刷的原因的关键就是拥有可以被当做墨水打印的电子功能材料。故印刷电子学的发展过程与印刷电子材料的发展过程有着非常紧密的联系。

喷墨式印刷是当今适用范围最广和使用频率最高的无版数字印刷工艺之一，它的基本原理是首先接收到计算机指令，然后将墨水从微细的打印头喷嘴喷射到基板上的指定位置，至此完成对之前设计好的图案的印刷。它与传统有版印刷技术的差别在于，喷墨式印刷不用提前制作模板，同时在印刷的过程中喷墨打印的设备也不需要和基板进行直接接触^[4]。

1.2 喷墨打印技术的发展

喷墨打印技术是从二十世纪六十年代开始崭露头角的，随着液滴形成及其在电场中运动等基础理论的形成，连续式喷墨打印逐渐进入应用领域。二十世纪七十年代，用于喷墨打印机的连续式喷墨打印头被研制出来。二十世纪八十年代，热泡式喷墨打印因为其优于连续式喷墨打印的精度和操作方式简单等特点，热泡式喷墨打印头逐步取代连续式喷墨打印头。随后，热泡式喷墨打印被应用于广告喷绘等方面^[5]。二十世纪九十年代，压电式喷墨打印进入人们的视线。压电式喷墨打印工艺可以很好地控制墨滴的形成，其形成墨滴的体积较小，形成的图像分辨率较高，喷射速度较快，喷射频率也较高；除此之外，在打印过程中没有加热的步骤，避免了墨滴在加热的过程中发生不必要的化学反应，以致影响打印效果。

在其后的几十年间，随着喷墨打印技术的不断发展，为追求更好的打印输出效果，喷墨打印机也朝着分辨率更高、打印速率更快，墨滴控制更加准确的方向转变^[6]。如今的喷墨打印技术已经不再仅仅用于将图案和文字打印到纸张上供阅读，在有机晶体管、发光二极管、太阳能电池、传感器和生物制药等领域，都有将不同的功能墨水利用喷墨打印技术打印于不同材料上的应用。用喷墨打印技术来沉积材料，即把具有特定功能的流体打印到不同的基底表面，从而使其具备有特定的功能。

1.3 喷墨打印及其参数

传统的喷墨打印技术是指在计算机的控制下，将墨水逐滴喷射至基板上，并形成点阵图案的印刷技术，该方式仍然是现今主要的喷墨印刷技术。简单来说，喷墨打印技术包括连续式喷墨打印技术和按需式喷墨打印技术两大种类。连续式喷墨打印技术是指设备在工作过程中，喷嘴连续喷射出墨滴，但是需要存在对不需要参与成像的墨滴的偏转、回收等的装置。而按需式喷墨打印技术则是喷嘴只在有需要成像时才喷出墨水，故不需要存在对墨滴的偏转、回收等的装置，在各个方面的应用也更加广泛。

喷墨打印的过程中，无论是喷墨打印头或者是喷出的墨滴，均存在一个衡量他们属性和喷墨打印性能的参数，喷墨打印用的墨水的各项性能参数不仅决定了它能不能成膜，也决定了它所形成的薄膜质量。通过这些参数的比较，我们可以优化喷墨打印过程，从而能够获得更好的打印效果。

1.3.1打印头参数

喷墨打印头是一台打印机的重要部件，所以一个打印头的性能参数的好坏往往会影响打印机的性能优劣。

打印速度：喷墨打印机的表示为：ppm（页/分），并且数值越大则代表着喷墨打印的速率越快。

打印分辨率：指在每英寸长度范围内可以清晰地展现出的点的个数，单位是dpi（dot per inch），它可以影响输出产品的图像和文字质量的好坏。通常所说到的最高分辨率就是产品最高能够达到的分辨率。

1.3.2墨水参数

喷墨打印墨水是喷墨打印的核心，导电墨水不仅仅需要满足普通打印墨水的喷墨性能，还应该满足一些电学属性。即一般来说需要满足几个基本条件：体系稳定性、一定的流变特性和基底有很好的相容性^[7]。而这些性能的高低需要一些参数来衡量。

粘度和表面张力：液体在流动时阻力的大小用粘度表示，粘度值的大小会影响打印机的喷射速率；液体的表面张力则会影响喷墨液滴的形成质量，表面张力过大不容易形成细小的墨滴，过小则会使形成的墨滴不够稳定，从而使得墨水容易喷射到图案的外部环境。综上所述，为了使得墨水拥有好的流变性能，喷墨墨水应该保持低粘度、高表面张力。

PH值：用来衡量液体的酸碱度的物理量。PH值的数值越小，则说明溶液的酸性越强；PH值的数值越大，则说明溶液的碱性越强。为了防止打印头被墨水腐蚀，油墨的PH值一般应控制在7~12的区间之内，并且和染料所需的pH值相近，这样控制之后墨水的稳定性才能得以改善。

电导率：表示游离的电离子量的高低，即反映了墨水中含盐量的高低，是用来衡量墨水导电性能的物理量。对于压电连续式喷墨打印的整个装置来说，喷墨的墨水需要具有一定程度的电导率，来保证形成的墨滴能够带电，从而在偏转电场的作用下能够更容易改变路径，回到导流槽中^[8]。

分散剂：它是一种表面活性剂，主要用来改善墨水表面的物理性能，从而能够增强墨水与基底的相容性。

1.4 研究的内容和目的

本次毕业设计的基本内容就是利用喷墨打印技术制备出金属电极。在完成本次毕业设计的过程中，首先需要制备打印墨水，根据打印机的要求与实验的需求完成金属导电墨水的制备与性能研究；然后对实验用打印机进行改造以及控制墨滴的状态，调整喷嘴与基底薄膜的间隙；准备工作完成后，就可以使用喷墨打印机对基底进行印刷；打印完成后，需要对涂层进行烧结、干燥、固化等处理；最后，对打印出来的金属电极进行性能分析，完成设计论文。

本次设计的基本目标即是低成本喷墨打印技术制备金属电极，旨在利用喷墨打印技术的原理和方法，对喷墨打印机进行改造，使其具有能够打印特殊墨水的功能，然后将金属导电墨水按设定的程序通过打印头，直接喷射到基材表面，从而能形成程序设定的图形。并经过一系列的处理最终使得此结构具备金属电极的各种属性，从而能够极大地降低成本，为制备各种电子器件奠定基础。

第二章 喷墨打印技术

2.1 喷墨打印的原理

在印刷过程中，一旦墨水与基板材料接触，就将不再是一个简简单单的附着过程，喷射油墨要产生吸附、渗透、干燥等过程，最终牢固地附着于基板之上。而在这过程中的一些物理变化及化学变化都将会对印刷的质量产生一定的影响，且此过程中基板材料的物理化学性能，是影响这些变化的重要因素。

界面现象，简单地说，就是相界面上发生的物理或者化学的现象。其产生的原因为表面层分子和相内分子存在力场上的差异造成的，从而使得表面层分子具有特殊性。如图2.1所示在气液界面处，液相周围的其他分子对液相内部分子的吸引力是对称的，从而使得各个方向对它的吸引力可以相互抵消，使得总的受力为零。但是周围分子对表面层的分子的吸引力大小是不对称的，不均匀的，因为气相分子的密度较小，它对液相表面层分子的吸引力远远小于液相内部分子对液相表面层分子的吸引力大小，所以液相表面层分子总的受力不为零，最终这些力表现为一个方向指向液体内部的拉力的作用，这个力的作用效果为把表面分子拉向液相内部，所以液体表面表现出有自动收缩的趋势，即形成表面层分子的特殊性。

图2.1 液体分子的受力情况

2.1.1分散度和比表面

把某种物质分散成为细小微粒的粒度，叫做分散度(Dispersity)。而在一般情况下，我们通常用比表面(Unit Surface)来衡量不同物质的分散度。它是指单位体积物质的表面积大小，即：

(2.1)

其中A为物质所具有的总的表面积，V为物质的体积。

对于多孔固体而言，例如活性炭、分子筛、硅胶等吸附剂，它们不但有外表面，内部还包括很多微孔与孔道，所以还应包括内表面，然而此时通常外表面对于内表面来说是微不足道的。所以，在这类情况下，比表面则经常使用单位质量物质所拥有的表面积多少来衡量，即：

(2.2)

其中A为物质的总的表面积，m为物质的质量。

2.1.2表面张力、表面能、比表面吉布斯函数

如前所述，一杯水中位于液体的表面层分子总是受到向内的拉力，从而呈现出向内收缩之势。如果此时要将液相中的分子移到液相表面处，以此来增加液相的表面积，那么就应该对系统做功，而这种为了增大液相表面而做的功被叫做表面功。表面功为一种非体积功(),在可逆的条件下，外界对体系所做的表面功()和体系增加的表面积dA成正比^[9]，即：

(2.3)

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

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