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摘要：本文在当前柔性电子、喷墨打印制造技术及烧结技术发展现状基础上，针对当前微导电图案制造过程中存在的不足，以基于纳米铜导电墨水微导电图案化制作为研究出发点，以纳米铜墨水低功率激光烧结为关键理论基础，提出以纳米铜导电墨水为介质的低功率激光在线烧结微导电图案的制作、应用等方面的研发问题，并利用纳米铜进行了微导电图案的制备，获得了较好的性能，为今后纳米铜墨水的复合打印提供理论支撑。

关键字：纳米铜银导电墨水;低功率激光;烧结;微导电图案

Abstract： Based on the current development status of flexible electronics， inkjet printing manufacturing technology and sintering technology， in view of the shortcomings in the current micro-conductive pattern manufacturing process， this paper takes the micro-conductive patterning based on nano-copper conductive ink as the research starting point. Low-power laser sintering is the key theoretical basis， and the research and development problems of the fabrication and application of low-power laser in-line sintering micro-conductive patterns using nano-copper conductive ink as the medium are proposed. The better performance provides theoretical support for the composite printing of nano-copper ink in the future.

Key words： Nano-copper Conductive Ink; Low-power Laser; Sintering; Micro-conductive Pattern

1 引言

柔性电子是将有机/无机材料电子器件沉积在柔性/可延性基板上形成导电图案的新兴电子技术[1]。随着柔性电子的进一步快速发展，涉及领域不断扩展，其重要性也日益凸显，已成为当前各国竞相发展的前沿技术。柔性电子具有在弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸、甚至变形成任意形状后仍保持相应性能的特点，可提升需要“柔性化”应用场景的智能化程度，具有显著的智能化特质，在未来信息技术中具有不可替代的作用[2-6]，部分柔性电子产品如图1所示。柔性电子技术随着学科交叉的深入，新的应用不断出现，尤其在人类大健康、公共卫生防疫等领域中发挥了巨大作用，但在新型电子材料、制造工艺、打印质量、设备、绿色环保等方面不断涌现出新的研究问题。

微图案的打印是影响柔性电子器件的关键因素之一。目前，银以其独特导电性、易制备性及抗氧化性等优势，成为柔性电子产业主要的打印材料，但银价格昂贵，使用成本高，而纳米铜成为一种新型的材料用于打印，可以大大降低微图案的打印成本，因此，纳米铜墨水的打印成为众多学者研究的热点。

Byoungyoon Lee[7]等通过混合羧酸铜制备了新型铜纳米有机导电墨水，该墨水可印制在柔性衬底上，再通过低温退火工艺可形成高导电性金属膜，具有较好的性能。Liu[8]等人通过将制成的球形铜粉纯化后制成CUO薄膜，并在250-400℃下进行烧结，获得了较好的导电性。Shen[9]等人通过水相的方法制备了平均粒径为200 nm的铜颗粒，并利用PVP和水合肼制备了纳米铜墨水，墨水在200℃下进行烧结，研究结果显示，烧结后的纳米铜具有良好的导电性。JONGEUN[10]等人对覆盖有氧化物外壳铜颗粒进行闪光烧结，以醇类化合物为还原剂，利用透射电镜（TEM）对颗粒光照前后的衍射环图案进行分析。结果表明，强脉冲光可以在空气环境下在短时间（2毫秒）内去除颗粒的氧化铜外壳，并形成致密的纯铜图案。他们发现，紫外光照射下（高温环境），氧化铜会与醇类分解是产生的中间酸或羟基（-OH）端发生氧化还原反应，从而形成铜。Chantal[11]等人则是对闪光烧结时，打印与烧结的间隔时间、闪光波长、辐射能、脉冲宽度和光源与基底之间的距离进行探究，发现最佳的烧结参数与打印图案的宽度有关。通过图2可以发现，不同宽度的打印图案烧结完成后颜色有所差异，线宽较短的图案颜色偏亮，而线宽较长的图案颜色偏暗，这是烧结不均匀引起的。由于闪光烧结非选择性烧结，大面积同步光照无法满足不同面积、厚度的打印图案的需求，会造成部分打印图案过烧结或欠烧结的现象。虽然，一些学者主要停留在纳米铜墨水性能的研究上，但针对纳米铜导电墨水进行微导电图案的打印方面的研究较少，尤其是采用EHD动力学打印纳米铜墨水，几乎处于空白状态。

本文在前期研究的基础上，针对微导电图案制备过程存在的问题，以EHD电流体动力打印设备为依托，以纳米铜导电墨水为打印材料，进行微导电图案的制备，并对打印后的微导电图案进行了性能研究，最终获得纳米铜导电微图案的电阻率，本研究为今后纳米铜墨水取代纳米银墨水进行制备微图案提供了理论和实验支撑，对推动柔性电子产业的低成本制造提供了新的方法。

2实验

2.1 实验仪器、材料及检测

本实验的实验仪器主要是自主研发的EHD电流体动力打印设备、数字绝缘电阻测试仪（HR2307A，武汉华瑞远大电力设备有限公司，武汉），光学显微镜（Leica DMI 3000M，徕卡微系统有限公司，德国），PET薄膜（厚度2mm，东莞市众联电子材料有限公司，中国，广东），商业纳米铜墨水（ICV-002HV，美国）。

2.2 实验方法

项目以我校实验室为依托，在前期研究开发的基础上，采用技术研究、理论方法和实验研究相结合进行研究工作，从而力求解决纳米铜墨水复合打印微导电图案的性能的应用研究及制作过程中的关键工程问题，制定的研究技术路线和实验方法如图2所示。

图 2研究技术路线及实验方法图

3 实验结果

3.1 电流体动力EHD微图案打印

通过EHD动力学打印设备进行纳米铜导电墨水的打印。打印时，EHD电流体动力设备的施加电压为1500V，流量泵的流速设置为20 μL/h，喷头距离PET表面的高度为5 cm，打印速度为vx=vy=vz=40 mm/min。打印结果结果如图3所示。

图3 纳米铜打印的微图案

3.2 微导电图案的烧结

微导电图案打印完成后，采用激光低温在线烧结的方法对微导电图案进行固化，从而完成微导电图案的烧结。烧结结果如图4所示。

图4 纳米铜微导电图案的烧结

4 实验结果表征

为深入研究纳米铜导电墨水的实际效果，采用电子显微镜对打印和烧结前后的微导电图案的表面形貌进行表征，如图5所示。

（a）烧结前纳米铜墨水打印的微图案表面形貌

（b）烧结后纳米铜墨水打印的微图案表面形貌

图 5 纳米铜微导电图案的表面形貌

通过数字绝缘电阻测试仪对烧结后的纳米铜微导电图案进行电阻测量，测量结果显示，纳米铜导电墨水打印的微图案的电阻值达到了8欧姆，电阻值明显比纳米银导电墨水打印的微图案电阻值大，基本可以满足要求不高的柔性电子产品的制造要求。

5 结论

采用EHD电流体动力设备对纳米铜导电墨水在进行打印时，由于纳米铜导电墨水在空气中易氧化，整体电阻率比纳米银导电墨水的效果稍差，但整体性能已可以满足对微导电图案要求不高的场合。与传统银纳米墨水制备相比，铜的价格与银相比，铜的价格更为低廉，同时铜的导电性能比银更优，铜纳米墨水的使用，大大降低了微导电图案的制造成本。

通过对基于EHD电流体动力学纳米铜墨水复合打印微图案的研究，为今后进行柔性电子产品的低成本制造提供了方法，同时，为柔性电子产品在进行批量化生产提供了一种新的思路，弥补了市场上对纳米铜墨水制备微导电图案的研究较少的研究空白。

参考文献

[1] 黄风立， 孙权， 张礼兵等.近场电流体动力锥射流微图案化打印方法研究综述[J].机电工程技术，2017，46（2）：58-62.

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[3] Chen Shanyong， Li Ying， Jin Rong， et al. A systematic and effective research procedure for silver nanowire ink[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2017， 706： 164-175.

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[5] B Wucher， L Arbaoui. Multiscale modeling of the sintering process of printed nanoinks[J]. Computers and Mathematics with Applications， 2019， 78（7）： 2325-2337.

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[7] Byoungyoon Lee， Yoonhyun Kim， Seungnam Yang， et al. A low-cure-temperature copper nano ink for highly conductive printed electrodes[J]. Current Applied Physics， 2009， 9： 157-160.

[8] 刘文平，秦海青，雷晓旭，等. 纳米铜导电墨水涂覆后的烧结工艺研究[J]. 粉末冶金技术，2016，34（4）：295-299.

[9] 沈启慧，刘岩. 用于导电墨水的纳米铜简易制备方法[J]. 广州化工， 2016， 44（16）： 114-115， 133.

[10] J Ryu， H Kim， H Hahn. Reactive Sintering of Copper Nanoparticles Using Intense Pulsed Light for Printed Electronics[J]. Journal of Electronic Materials， 2011， 40（1）： 42-50.

[11] C Paquet， R James， A Kell， et al. Photosintering and electrical performance of CuO nanoparticle inks[J]. Organic Electronics， 2014， 15（8）： 1836-1842.

基金项目：《浙江省浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）》（项目编号：2021R417031）;嘉兴南湖学院2021年度校级SRT计划项目《EHD电流体动力高精度多层打印柔性压力传感器微结构的研究及应用》（项目编号：8517213009）;嘉兴南湖学院2021年度校级SRT计划项目《基于选择性激光烧结的EHD打印CUO纳米颗粒墨水导电性能实验研究》（项目编号：8517213010）。

作者简介：李中烨，（2001-），男，浙江三门，本科，研究方向：机械制造及其自动化。