材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案
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当今时代电子技术迅猛发展，传统的刚性电子产品已无法满足人们对电子产品便利性、人机交互能力以及舒适性的使用要求，从而限制了该类产品在日常生活中的实际应用，而可延展柔性电子技术可以在保持产品系统完整性的同时具备一定程度的拉伸、弯曲以及扭转等形变能力，受到了国内外电子产业界的广泛关注。可延展柔性电子技术是指在具备一定拉伸、弯曲以及扭转能力的聚合物薄膜基材上通过直写、转印等方式形成具有导电能力的互连电路图形的新型电子技术，其产品因在保持系统功能完整性的同时具备一定程度的拉伸、弯曲以及扭转等形变能力，可以应用在复杂的三维工作曲面环境中，大大地提高了此类电子产品的应用便捷度以及应用范围。目前，可延展柔性电子技术在光伏、显示、传感器等领域得到了快速的发展，出现了可延展太阳能电池面板、柔性有机电致发光器件（OLED）、电子纸（E-paper）、柔性智能标签（Smart tag）、柔性电池等应用。柔性电子制造过程通常包括:材料制备、沉积、图案化、封装, 可通过卷到卷(R2R)基板输送进行集成。 喷墨打印技术经过不断发展已经在工业生产中变得越来越常见，打印机工作原理是以热感或压电的方式将喷头腔体内的油墨以微小的液滴喷射出来，在柔性衬底上形成设计的图案。MicroFab公司的Jetlab系列产品可以实现在任意3D对象上, 包括曲面的柔性表面打印任何电路结构。
微机电系统(Micro Electro-Mechanical System，简称MEMS)，是微电子技术与机械加工技术结合的典范，涉及微电子、流体力学、材料力学、声学等多种科学工程技术。MEMS具有以下几个特征：（1）尺寸在毫米到微米范围之间，区别于传统机械，但并没有进入到物理上的微观层次；（2）基于硅微加工技术制造；与微电子芯片相同，可以大批量、低成本生产，使性能价格比较传统的宏观机械制造技术有大幅度的提高；（3）MEMS中的机械不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转换、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁、化学和生物等；（4）MEMS的目标是微机械与IC集成在一起的微系统，即具有一定自适应处理能力的智能化微机电系统。由于单个封装需要集成多种功能，MEMS封装需要光学和电子I/O，并且需要非平面结构的制造，通过光刻工艺难以实现。 一般来说，压电系统难以在150℃以上的温度下工作。Micro Fab公司研发的Jetlab II平台可用于喷墨点胶应用，研发的压电喷墨设备可在高温下操作，使用按需模式喷墨技术分配高粘度聚合物、焊料和其他材料。目前，该设备可成功用于嵌入式电阻的喷墨打印，印刷电阻的尺寸从125μm到几毫米。此外，还可用于电容器和电感器的打印，电容器打印时，由于下电极、电介质和上电极层依次铺设，可以通过重复铺设形成多层电容器，改变电介质的面积和厚度改变电容量值的范围。电感器打印时，主要是打印中心电极、铁氧体层和导体线圈，可通过改变印刷线圈的匝数来改变电感值。目前，通过喷印已成功制备出铁氧体纳米颗粒层上的250μm 银纳米颗粒线。
RFID标签天线是按照射频识别所要求的功能而设计的电子线路，其性能对RFID系统的性能有着重要影响。目前，RFID标签天线的制备方法主要有蚀刻法、电镀法及导电油墨印刷法等。其中，蚀刻法存在成本高、 生产流程复杂、生产过程慢、精度较低及环境污染等问题；电镀法的小量生产成本昂贵，但大批量生产所需的设备投资又较高。导电油墨印刷法按照印制设备原理可分为丝网印制、凹版印制、柔性版印制和喷墨印制。其中，丝网印刷工艺精度可达10μｍ，具有较高的天线制备精度，但采用的油墨一般为高黏度油墨，墨层厚度较大，不适用于超高频、微波段墨层较薄的天线印制。凹版印制工艺可以获得较好的图形分辨率，印制油墨的层厚适中，但印制过程中印制压力大，可能使天线发生扭曲变形而影响天线的性能。柔性版印制基底材料适用广泛，但印制过程中的印制压力会使印版变形，造成制备的天线边缘均一性差，降低天线成品率。喷墨印制法是一种非接触式的数字化无版印制工艺，其制备过程中喷头与基底不接触，避免了微喷头的损坏和导电油墨被污染，对基底表面不产生压力，提高了制备稳定性和精度；可以使用较低黏度的墨水；无需制版，简化了印制过程；对天线图形可以在线修改，提高了天线制备的灵活性。
柔性电子材料具有高灵敏度、可弯折等优点，具有可穿戴性，可应用于各类柔性传感器，如压力传感器、触觉传感器、气体分子传感器等。在电子皮肤、医疗监测、智能机器人等方面应用广泛。上图所示为基于银纳米线(AgNW)喷墨打印的柔性电阻式压力传感器，灵敏度达0.48 kPa-1。
天津大学相关课题组开发了一种柔性表皮生物微流控装置，以实现连续血糖监测。如图A所示，该装置可以像创可贴一样紧紧地贴在皮肤表面，以获得血糖浓度变化的信息。柔性装置不会影响人体的正常活动，应用起来非常方便。此外，柔性装置可以随着皮肤的运动而变形，这避免了由装置和皮肤之间的相对运动，从而促进透皮吸收。图B显示了表皮生物微流体装置的结构，其包括两个部分:温度控制部件和葡萄糖检测贴片。图C显示了制造的葡萄糖检测贴片的照片。该装置完全由喷墨打印的直写技术制造，包括柔性电极的形成、纳米材料的原位改性和酶分子的固定。全印刷工艺使得制造容易，成本低，有利于实际生产。
喷墨打印全聚合物弯曲板波传感器。使用孔径为40μm的MicroFab喷头在18μm厚的PVDF薄膜上打印墨水。打印的传感器和电极布局如图所示。使用该喷头、墨水和基板可实现的线宽约为100μm，从而产生400μm的声波波长。在这项工作中使用了声波波长为800μm的传感器。
喷墨打印混合碳纳米管/纳米晶体光传感器。在PET柔性透明基板上制造MWCNT-NP的喷墨打印传感器。MWCNT通道打印在打印的银电极之间。
上图显示了使用喷墨技术和两种后处理方法打印两种不同铜油墨的结果。打印和后处理都是在惰性环境(手套箱)中进行的。 喷墨打印的铜层：左上角，打印的纳米铜颗粒墨水；右上角，激光退火；左下角，打印的溶液相铜；右下角，热转换。
上图为使用Jetlab Ⅱ喷墨打印设备打印的纳米银图案。
结构健康监测（SHM）代表了下一代碳纤维增强复合材料无损检测。磁致伸缩SHM应用面临的一个挑战是执行器和传感器的轻量化和易于安装。喷墨打印（IJP）技术非常适合生产可与磁致伸缩致动器配对以检测应变的小型电子感应传感器。这些传感器有几个优点：它们的厚度可以小化，表面积可以大化以提高灵敏度，并且可以制造复杂的多股线圈配置。在“用于磁致伸缩结构健康监测的平面喷墨印刷铜感应线圈：与散装空气线圈和各向异性磁阻传感器 (AMR) 传感器的比较”的研究中，谢菲尔德大学相关研究团队对具有不同参数（线圈数量、单线/双线、尺寸）的IJP感应线圈的功效进行了参数研究，该线圈在许多执行器功能化复合试样（FeSiB带和浸渍环氧树脂传感器）上进行了测试。样品的特征是通过感应应变测量它们的电感响应。10匝单线IJP传感器的灵敏度和准确度提高了 1) 70匝手绕线圈、2) 三轴AMR传感器和 3) 其他小于10匝的IJP执行器。这归因于复合材料表面的接触面积增加以及应变检测的小灵敏度（即匝数和表面积）的要求。（上图为2个样本。 左起：直径22mm（小）的10匝单股线圈，直径33mm（中）的10匝单股线圈，直径14mm（小）的5匝单股线圈，外径5匝的单股线圈20mm（中）。）（使用了配有两个喷头的MicroFab Jetlab 4系列的喷墨打印系统，均配备60μm喷嘴孔。第一个喷头用于沉积基于功能性铜纳米颗粒的墨水，另一个喷头用于沉积UV固化绝缘体墨水。）
在PE材料上喷墨打印的铜线图案。(MJ-AT- 01, MicroFab)
喷墨打印是一种有效的支架成型方法，该技术在神经组织工程精密支架的制备中具有很大的应用前景。周围神经损伤占世界创伤损伤的2.8%，主要是挤压、穿刺、牵引、电击和振动损伤，这些伤害影响到全世界数以百万计的人，导致人们的预期寿命缩短并增加社会和经济负担。虽然受伤的神经有再生的能力，但需要外部治疗干预以确保适当的愈合，因此，用于引导神经细胞附着、排列和增殖的工程神经支架的研制受到了大的关注。英国谢菲尔德大学化学与生物工程系招秀伯教授课题组，利用一种自组装肽作为细胞吸引剂，并以再生丝素（RSF）作为排斥剂，利用Inkjet喷墨打印技术对神经元PC12细胞进行图形化处理，来指导神经元细胞的生长。
20世纪80年代初，蛋白质的喷墨打印技术已得到发展。在新的研究中，抗体被印在膜上，抗体与硝化纤维相结合用于诊断分析。如图所示，雅培公司的妊娠指示器TestPack™使用MicroFab技术公司开发的两种液体连续喷绘系统进行打印操作，使用硝化纤维素打印出两种抗体(通常是ßHCg和一个control)。Abbott TestPack™也可用于链球菌和药物滥用测试。
可打印的钙钛矿量子点(QD)墨水对于使用喷墨打印为不同种类的新兴钙钛矿光电应用实现高质量无咖啡环荧光微阵列非常重要。在“用于使用喷墨打印的无咖啡环荧光微阵列的可打印 CsPbBr3钙钛矿量子点墨水”的研究中，相关研究团队通过混合高沸点十二烷和低沸点甲苯作为溶剂制备了可打印的CsPbBr3钙钛矿QD墨水。通过调整这两种溶剂的体积比，仔细优化油墨的蒸发速率、粘度和表面张力，形成合适的马兰戈尼流动，从而平衡毛细流动，进一步消除咖啡环效应。通过在PVK（聚-（9-乙烯基咔唑））层上喷墨打印（MicroFab Jetlab Ⅱ）优化的钙钛矿量子点墨水，成功地实现了具有均匀表面、低粗糙度和无咖啡环的CsPbBr3钙钛矿微阵列。此外，研究团队对CsPbBr3钙钛矿QD墨水进行了图案化，打印的图案仅在紫外(UV)光下可见，未来可应用于隐形防伪标签和加密。
提高喷墨打印量子点发光二极管(QLED)的稳定性对于该技术在商业上可行至关重要。主要障碍是油墨系统的可印刷性和载体传输层的功能之间的折衷。在“具有高运行稳定性的高性能喷墨印刷量子点发光二极管”的研究中，报道了一种由辛烷、1-环己基乙醇和乙酸正丁酯组成的三元油墨系统，它解决了打印量子点油墨与下方空穴传输层之间的腐蚀问题。开发了梯度真空后处理，以配合具有梯度真空压力的三元油墨系统，这有助于形成均匀的打印层。基于这两种技术，喷墨打印（MicroFab 高精度纳米材料沉积喷墨打印系统 Jetlab Ⅱ）的 R/G/B QLEDS 具有高分辨率图案，显示出高效率和稳定性。 R/G/B器件的外量子效率分别为19.3%、18.0%和4.4%。相应地，半工作寿命分别达 25 178 h @ 1000 cd m-2、20 655 h @ 1000 cd m-2 和 46 h @ 100 cd m-2。该研究在油墨工程和后处理方面的改进，将器件的效率和稳定性提升到了一个更高的水平，并证实了印刷QLED在显示行业的应用前景。
随着科学技术的发展，对于防伪技术的要求也越来越高。一种理想的防伪技术应该是廉价的、无损的、不可复制的，以及便于鉴定和大批量生产的。虽然产业界已经开发了多种防伪技术，但能满足上述要求的技术却很少。福州大学研究团队采用MicroFab公司研发的Jetlab Ⅱ高精度喷墨打印设备，并配合采用直径30μm的打印喷头制作出微米级量子点发光图案，创新性地在基板表面构建有随机分布的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微纳米颗粒，作为喷墨打印输运过程中的聚集钉扎点，强化微米级墨滴蒸发流动以及量子点组装过程中的差异性，形成不可复制的“花状”发光图案；成功应用于低成本、可柔性化、自然条件下隐蔽、具有多重防伪和商业化价值的不可复制的全彩荧光防伪标签。该团队还提出了一种方便可靠的基于人工智能的验证方法，能够快速辨别出具有不同清晰度、亮度、旋转、放大等不同参数的，且具隐蔽性的、不可复制的花状发光图案。
目前量子点油墨主要使用昂贵的、有毒的、易燃的有机物质作为溶剂，针对此背景，厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室的解荣军教授课题组提出了以水作为溶剂，通过MicroFab Jetlab 4-xl喷墨打印设备利用卤化物和聚乙烯醇基水性油墨原位制备了绿色转换膜，该转换膜显示出90μm的高分辨率点阵，85%的高光致发光量子产额，并且在环境中具有空气和光稳定性，蓝色和红色转换膜也可以使用水性油墨进行喷墨打印制备，新型水性量子点油墨具有的高分辨率及高可靠性在mini/micro LED领域有很大前景。
随着能源需求与消耗不断增加，新能源的开发和利用受到各国的重视。利用光生伏特效应直接将太阳能转化为电能的太阳能电池成为国内外研究的热门项目。人们采用各种印刷技术用来制备太阳能电池，其中，喷墨打印技术作为一种非接触式的数字成型技术，具有材料利用率高、成本低、适用于柔性基底沉积等特点而受到广泛关注。喷墨打印技术被认为是新一代太阳能电池制备技术。 在过去的十年中，喷墨印刷技术已经被视为一种精密的微分配工具。今天，该工具被广泛应用于制造和仪器应用。MicroFab作为压电喷墨打印技术的先驱者，在能源打印方面有着非常丰富的经验和技术积累。MicroFab及客户们正在开发许多替代能源应用，包括有机太阳能电池、硅太阳能电池导体、印刷电池和燃料电池催化剂。 常见太阳能电池主要有晶体硅太阳能电池、薄膜硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池、碲化镉太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池等。通常，太阳能电池包括吸收层和电极层。吸收层的作用是吸收太阳光，并将其转化为电子-空穴对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流；电极的作用则是将产生的光电流导入外电路。为了进一步提高太阳能电池的光电转换效率，通常还有缓冲层和减反层等。 目前，绝大多数商用太阳能电池都是采用丝网印刷的方式来制备金属电极，但丝网印刷存在几点不足：一是印刷过程中，丝网与基底（硅片）接触，容易造成硅片的破损；二是丝网印刷往往造成浆料的浪费。因此，喷墨打印技术在制备太阳能电池栅线方面越来越受重视。 中科院苏州纳米所曾采用MicroFab公司的Jetlab Ⅱ设备打印出钙钛矿太阳能电池的透明纳米银线上电极，并实现了全溶液法制备钙钛矿太阳能电池的制备。并得到了14.17%的高功率转换效率和21.2%的平均透光率的钙钛矿太阳能电池。 实验中的纳米银线（AgNW）平均直径为35nm，长度为15μm，在打印过程中为了避免堵塞喷头，用异丙醇将其稀释至1mg/mL，打印速度为16mm/s。实验中通过改变打印时间来实现银电极的透明度和导电率的平衡。 通过一步涂覆法制备钙钛矿太阳能电池根据先前报告的方法制备结构倒置的平面钙钛矿太阳能电池。通过在去污剂、去离子水、丙酮和异丙醇中进行超声波处理，接着进行30分钟的紫外线-臭氧（UVO）处理，依次清洁氧化铟锡玻璃。 将PEDOT:PSS溶液旋涂在ITO薄膜上，然后140℃退火处理10min。 PSSNa溶液旋涂法制备薄膜，在140℃退火处理5min。 将甲基碘化铵（MAI，381.7mg）和氯化铅（氯化铅，222.5mg，99%）在无水二甲基甲酰胺（1mL）中以60℃过夜以形成钙钛矿前体溶液。 用Jetlab Ⅱ喷墨打印系统将异丙醇分散体中的AgNW直接打印到PC61BM或PC61BM/PEI上，制备了带有AgNW电极的半透明钙钛矿太阳能电池。 最后，在80℃下对印刷有银纳米线电极的太阳能电池进行退火。保持10分钟。 MicroFab研究团队曾使用Jetlab 4喷墨打印系统研究有机太阳能电池器件。这种类型的太阳能电池是基于一层结构，其中有源层由混合的电子供体和电子受体材料。对体异质结太阳能电池性能的关键参数是供体/受体比，薄膜厚度，以及产生的薄膜的形态。特别地，形态对于有机太阳能电池的效率是非常重要的，因为激子必须在形成后的几纳米内到达供体-受体界面。因此，良好的供体和受体材料的混合是一个良好的设备功能所必需的。除供体/受体比外，影响纳米形貌的重要参数是所使用的加工溶剂、溶质浓度和薄膜制备方法。通过喷墨印刷薄膜，系统研究了油墨成分、基材性能以及不同印刷参数对薄膜性能的影响，以一种快速、可复制、简单、材料效率高的方式进行喷墨印刷。喷墨印刷作为一种非接触工艺，还可以实现大面积和卷对卷（R2R）加工。因此，一旦确定了制备有机太阳能电池的合适候选材料，喷墨打印也可以用来制备薄而均匀的活性材料层。 总之，喷墨打印技术是一种原材料利用率高，低成本且工艺简单非接触式的制造技术，并且能够与卷对卷技术相结合，实现器件的大面积制造。从太阳能电池制造角度考虑，喷墨打印技术将是未来的主流。
多家机构的研究人员在开发基于喷墨的燃料电池制造工艺。具体活动包括：控制昂贵催化剂的沉积；印刷聚合物膜材料；使用组合方法开发新材料；和图案化粘合剂/密封剂。MicroFab的开发活动包括印刷纳米粒子墨水，功能聚合物，粘合剂和3D互连结构。 喷墨技术在燃料电池制造中的一些优势包括： 铂等贵重金属浪费少； 低成本沉积工艺； 高精准度; 直接写入，数据驱动的过程； 非接触式印刷； 可扩展到生产； 允许组合方法； 允许在保形表面上打印。
研究人员通过MicroFab的Jetlab Ⅱ直接喷墨打印导电聚合物作为源/漏和栅电极证明了超短沟道器件，无需任何复杂的基板预制图工艺。通过全溶液工艺在3cm×3cm柔性基板上制造了一个由200个器件组成的有机TFT阵列，通道长度为2μm。显示出良好的均匀性和高产量。
在PET基材上喷墨打印的TIPS并五苯/ APC TFT阵列。
在ITO/玻璃上喷墨打印有机光伏器件。上图显示了一个完整的太阳能电池装置，阴极作为背电极。
按需喷墨 (DOD) 喷墨打印允许精确沉积皮升 (pL) 大小的含有无机和有机材料的溶液液滴，以支持NIST的各种关键程序。在其中一个项目中，他们正在探索使用喷墨打印机作为制备个性化药物的方式的可能性，重点是根据患者的需要，结合患者的需要，在正确的时间以正确的剂量制备“正确的药物”。方便实时准备。这当然需要用于表征和验证的工具，而喷墨打印机目前协助为成像质谱仪等高级表面分析工具准备定量测试材料。 研究团队开发了量化和控制沉积过程的专业知识，并将这些知识应用于将药物成分直接打印到多种递送机制上（例如，上图 显示了可食用纸上NaCl的打印图案。 (a) 将水性“墨水”沉积在疏水表面上以控制足迹，以及 (b) 使用成像质谱仪生成的2D化学图像，显示打印在可食用纤维素纸上的Na+离子的分布。喷墨打印机上的线性致动器的运动增量为1µm。图像尺寸为10mm×10mm）。使用一系列光学和质谱技术，他们已经证实了大量药物和药物的空间局部沉积，其数量达毫克 (mg) 水平。
在生物传感领域，喷墨打印代表一种低成本图案化的制备工艺，该技术可用于制备SERS基底。意大利都灵理工大学Novara教授课题组曾利用Jetlab 4xl压电喷墨打印机，成功开发出高性能的表面增强拉曼基底，其对染料分子的检测限可达皮摩级。利用位于颗粒之间的热点区域获得了巨大的拉曼增强效果（EARE>108）。（上图为多孔硅上的银纳米颗粒图案。图案化样品的FESEM图像。显示了喷墨步长对条纹均匀性的影响：(1) 130 dpi、(2) 260 dpi、(3) 1,000 dpi 和 (4) 1,300 dpi。）
喷墨印刷技术能够在表面上非接触式沉积导电油墨等功能材料，从而减少污染和基材损坏的风险。在印刷电子产品中，喷墨技术提供了控制沉积材料体积的显着优势，因此可以微调打印几何形状，这对于最终印刷电子产品的性能至关重要。功能性墨水的喷墨打印可用于生产传感器，以检测碳纤维增强复合材料 (CFRC) 组件等机械结构的故障，而不是使用易发生分层的附加传感器。在“在碳纤维增强尼龙复合材料上集成制造新型喷墨印刷银纳米颗粒传感器”的研究中，基于银纳米颗粒的应变传感器通过使用喷墨打印（MicroFab Jetlab 4xl喷墨打印系统）直接嵌入绝缘碳纤维层压板中，以实现优化的导电和粘合几何形状，形成压阻应变传感器。在喷墨打印优化过程之后，评估了传感器的电导率和粘附性能。最后，通过使用弯曲装置对传感器进行量化，该装置施加了预定的应变，随着电阻随着应变的增加而增加，响应表明准确的灵敏度。将传感器直接嵌入CFRC的能力可防止使用界面粘合剂，这是由于分层而导致故障的主要来源。
喷墨微图案化是一种通用的沉积技术，在许多领域都有广泛的应用。然而，它在植物科学中的应用在很大程度上尚未得到探索。叶片膨胀是植物科学领域重要的参数之一，并且已经开发了许多方法来检查叶片不同部分的不同膨胀率。其中，基于通过数字成像跟踪自然地标的方法需要复杂的设置，其中叶子必须保持固定并处于张力下。此外，分辨率仅限于自然地标的分辨率，这些地标通常很难找到，尤其是在幼叶中。为了使用人工地标研究叶层的精细尺度扩展动态，有必要在叶表面放置小的非侵入性标记，然后在一段时间后恢复这些标记的位置。 为了在非常精细的尺度上监测二维叶片扩张，相关研究团队使用了喷墨微图案系统（MicroFab，MJ-AB-63-40）在常春藤（Hedera helix）的小发育叶片上打印由 0.19mm2细胞组成的网格，使用直径为40μm，间距为91μm的点构成。不同生长阶段的叶子在放大倍数下成像以提取标记的坐标，然后将其用于随后的计算机辅助叶子扩展分析。例如，研究人员获得了量化的全局和局部扩展信息，并在整个叶子表面上创建了扩展图。结果揭示了短期内精细尺度扩张差异的显着模式。在这些实验中，叶子的基部是膨胀的“冷点”，而叶窦是膨胀的“热点”。研究人员还测量了对叶子膨胀的强烈阴影效果。讨论了构建用于植物科学的喷墨打印设备所需的功能，这将进一步扩大可以在这些尺度上打印的组织范围。 为了将喷墨微图案技术应用于植物研究，研究人员成功地在常春藤叶表面提供了地标，并实现了对不同生长阶段叶片扩张的高分辨率二维监测。该测量能够可靠地识别植物生长过程中的细微尺度变化。除了提供地标外，该技术还可用于提供微尺度目标生物成分，例如生长激素，并可能用于直接在叶子上形成传感器图案。
MicroFab研发的阵列式按需液滴压电喷墨打印头技术，将120个独立通道的线阵列被制作成不到一英寸(170微米间距)，可用于高速且效果逼真的打印。作为打印头技术开发工作的一部分，MicroFab公司研发了动态调节滴墨量的技术，在打印的光斑区域中可达到4:1的调制范围，得到的打印质量如图所示。该技术具备输出高精度专业摄影照片的功能，可为艺术家、高端摄影工作室提供探索与定制开发。
