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喷墨打印制备PDA纳米颗粒线阵列应用于透明柔性触摸传感

发布时间:2023-05-19
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纽约州立大学机械工程系T.J.Singler教授团队使用MicroFab的喷墨技术将PDA-NP油墨打印至PET基材上形成具有可控线间距的超细聚多巴胺(PDA)纳米颗粒线阵列(NPLA),随后进行ELP工艺将NPLA转化为导电银微线阵列(SMWA)。形成的SMWA具有4.7μm的最小单线宽度,可控间距尺寸范围为77至380μm,展示了基于SMWA的电容式触摸传感器,为透明触摸传感提供了潜在应用。


介绍

喷墨打印为实现具有成本效益、环境友好和可扩展的打印电子产品提供了一种很有前途的方法,因此在柔性、可拉伸、和混合电子应用方面具有巨大潜力,但其分辨率较低(典型特征尺寸范围为35至100μm),在先进精密微电子应用中的进一步发展受阻。为了克服特征尺寸的限制,已经进行了各种实验研究。纽约州立大学机械工程系T.J.Singler教授则是选择将喷墨打印与ELP技术结合,利用MicroFab的喷墨技术将PDA-NP油墨可控的打印至PET基材上,NPLA的间距大小和单线宽度分别为244和11.4μm,如图一b所示。当θa为7.8°时,实现的最大间距尺寸约为380μm,当θa为53°时,最小间距尺寸为约77μm,如图1e所示,对于相同的墨水浓度,可以清楚地观察到单线宽度对θa的依赖性。

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▲  图1 a)O2等离子体处理后光学显微照片;b)PDA-NPLA的光学显微照片c)PET的表面润湿性表征;d)PET基底的表面润湿性与打印NPLA间距尺寸之间的相关性;e)具有变化θa的特征的单线宽度。

通过ELP工艺可以将打印的的PDA NPLA转化为导电SMWA,图2显示了使用三种不同PDA-NP油墨浓度(分别为0.125、0.25和0.5 wt%)制造的SMWA的薄层电阻值。对于固定的PDA NPLA尺寸,SMWA薄层电阻随着ELP时间的增加而降低,因为ELP时间越长,形成越致密、越厚的银层。生成的SMWA的薄层电阻可以与氧化铟锡(ITO)膜的薄层电阻相当,甚至更低(图2a–c中的水平红线),研究可知,通过调整PDA-NP油墨浓度、ELP时间和SMWA间距大小,实现了低的薄层电阻值。在相同的ELP时间(15、30或60分钟)下,与具有较大(383μm)或较小(153、89和79μm)间距的SMWA相比,具有249μm间距的SMWAs表现出最低的薄层电阻。(图2d–f),通过使用0.125、0.25和0.5 wt%PDA-NP油墨制造的SMWA的OM图像,如图2h-j所示,视野中清晰地显示出均匀间隔且连续的银色线条。

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▲ 图2 三种不同PDA-NP油墨浓度(分别为0.125、0.25和0.5 wt%)制造的SMWA的薄层电阻值。

严谨进一步探索了NP线增长的理论模型,超细PDA-NP线在印刷液体图案的接触线上的自组装如图3a–c所示,NP向接触线的优先迁移是由于类似于“咖啡污渍”现象的流体动力学效应。图3d–e分别显示了在具有不同表面润湿性的基底上印刷液线的接触线附近测得的平均CA和对流通量。

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▲ 图3 NP线增长的理论模型研究表征。

为了探索其在触摸传感器中的应用,该研究团队进行了传感器组装,如图4a所示,制造的电容式触摸传感器的电气和机械性能(如图4b-d所示。传感器使用间距尺寸在240至250μm之间的SMWA和颗粒浓度为0.125、0.25和0.5 wt%的PDA-NP油墨制备。在相同的ELP时间(0.125<0.25<0.5 wt%)下,使用更浓的墨水制造的传感器观察到更大的电容值,被人的手指触摸后,电容会减少(图4c),对于0.125和0.25wt%的油墨组,在长达20000次的连续弯曲循环后产生了最大10%的电容损失,表明其是一种有前途的耐疲劳柔性触摸传感器。

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▲ 图4 a)电容式触摸传感器结构示意图;b)未接触传感器的电容测量值作为ELP时间的函数;c)触摸传感器的电容和变化;d)触摸传感器的循环弯曲结果;e–h)通过触摸相应的电容传感器打开两个(e–f)和三个(g–h)独立LED的演示。


结论

通过PDA-NPLA的喷墨打印制备和ELP工艺可控地制造导电SMWA结构,所制备的SMWA具有77至380μm的可调间距尺寸,由最小宽度为4.7μm的高分辨率单线图案组成,实现了一种基于SMWA的透明电容式触摸传感器,具有强大的机械柔性。研究探索的结构在不使用ITO的情况下实现了透明触摸传感器的制备,具有成本效益高、环境友好的特点,这一工艺将在未来适用于柔性触敏设备的可持续制造。


参考文献:

[1] Liu L ,  Pei Y ,  Ma S , et al. Inkjet Printing Controllable Polydopamine Nanoparticle Line Array for Transparent and Flexible Touch-Sensing Application[J]. Advanced Engineering Materials, 2020:1901351.


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