Изготовление электронных устройств путем печати проводящих соединений на пластиковых подложках вызывает растущий интерес.
В качестве металлов для изготовления чернил и паст на основе металлов для печатной и гибкой электроники используются Серебро (Ag), золото (Au) и медь (Cu).
Среди них медь является наиболее многообещающим кандидатом для красок и паст на основе металлов.
Медь обладает высокой собственной электропроводностью и теплопроводностью, что является более экономичным и доступным по сравнению с золотом.
В последнее время чернила и пасты на основе меди привлекают все большее внимание как проводящие элементы для печатной и гибкой электроники.
Можно разделить чернила и пасты на основе меди на четыре категории:
- традиционные чешуйчатые порошки микронного размера,
- наночастицы,
- нанопроволоки,
- ионные прекурсоры.
Однако образование оксида меди (CuO) вызывает низкую проводимость в спеченных пленках Cu и препятствует спеканию частиц Cu.
Конструкции поверхности и интерфейса для проводящих красок и паст на основе меди являются важными стратегиями для повышения стойкости меди к окислению и низкотемпературного спекания для создания рисунков и электродов из меди с высокой проводимостью на гибких подложках.
Подходы к контролю поверхности включают дизайн поверхности с помощью полимеров, малых лигандов, структур ядро-оболочка и активацию поверхности.
Смешанные чернила и пасты на основе меди обеспечивают улучшенные характеристики по сравнению с индивидуальным использованием каждого компонента.
Медь (Cu)
Медь (Cu) является одним из важных металлов в промышленности, который может использоваться в различных областях. Он обладает рядом превосходных свойств, в том числе электропроводностью, теплопроводностью и антимикробной активностью.
Сплав можно изготовить, используя медь в сочетании с другими элементами, такими как золото (Au), серебро (Ag), алюминий (Al), никель (Ni), олово (Sn) и цинк (Zn), для улучшения его свойств, такие как коррозионная стойкость или обрабатываемость. Кроме того, простота изготовления и экономичность Cu также важны для промышленного применения.
Высокая электропроводность (т. е. низкое удельное сопротивление, примерно 1,68 Вт·см) является наиболее привлекательной характеристикой меди как электропроводного материала.
За последние 10 лет новые электронные формы были разработаны от их традиционных жестких и громоздких форм к мягким и тонким формам, которые являются гибкими, гибкими и растяжимыми.
Мягкость объясняется использованием гибких подложек, таких как полимеры (полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полиэтиленнафталат (ПЭН), полиимид (ПИ) и поликарбонат (ПК)), бумага, текстиль и резина.
Современные технологии печати, в том числе флексография, офсетная, глубокая, трафаретная и струйная печать, предлагают прямое нанесение проводящих материалов на гибкие подложки для экономичного и крупномасштабного изготовления гибкой электроники.
Проводящие чернила и пасты для печатной и гибкой электроники
Печатная электроника необходима для облегчения широкого использования гибкой электроники и, в последнее время, растягиваемой электроники, такой как датчики, электронные дисплеи, солнечные элементы, тонкопленочные транзисторы и суперконденсаторы.
Пригодные для печати проводящие электроды на гибких подложках требуют следующих характеристик для применения в печатной электронике:
- высокая проводимость,
- экономичность,
- долговечность в экстремальных условиях окружающей среды (тепло и влага),
- возможность печати. технологичность на недорогих пластиковых подложках (непременно ПЭТФ для продуктивных процессов с рулона на рулон (R2R)).
В процессе печати проводящие материалы, диспергированные в растворителях (т. е. чернила и пасты), наносятся на гибкие подложки в виде заранее разработанных рисунков.
Многочисленные типы токопроводящих чернил и паст были разработаны с использованием различных источников электропроводности, таких как графен, углеродные нанотрубки, наночастицы и нанопроволоки металлов (Ag, Au и Cu), наночастицы оксидов металлов (Zn, Al и Sn), проводящие полимеры и металлоорганические комплексы для различных применений.
Эти проводящие материалы имеют преимущества и недостатки для проводящих красок и паст.
Проводящие органические чернилаи пасты (например, полимеры и углерод) подходят для гибкой электроники благодаря их естественной мягкости. Более того, они хорошо совместимы с полимерными подложками. Однако их электропроводность не идеальна для электронных приложений.
Краски и пасты на основе металлов имеют преимущества с точки зрения их высокой электрической и теплопроводности. Однако их гибкость и растяжимость недостаточны для изготовления гибких и растяжимых устройств. Кроме того, связывание металлов с полимерными подложками без использования клея слабое.
Решение таких проблем остается сложной задачей для токопроводящих красок и пастов в печатной и гибкой электронике.
Проводящие краски и пасты на основе меди
В настоящее время, в качестве металла для изготовления чернил и паст на основе металла для печатной и гибкой электроники используется серебро (Ag), которое обладает высокой электропроводностью среди различных металлов. Оно относительно рентабельно по сравнению с золотом (Au).
Окисление серебра происходит медленно, что со временем незначительно влияет на проводимость красок и паст на основе серебра. Кроме того, чернила на основе наночастиц серебра позволяют получать токопроводящие пленки при низкотемпературном спекании (менее 150 °С), и в этом преимущество формирования токопроводящих рисунков на гибких подложках с низкой термостойкостью.
По этим причинам чернила и пасты на основе серебра часто используются в качестве чернил и паст на металлической основе и коммерциализируются многими компаниями.
Текущей проблемой является замена Ag другими более дешевыми проводящими металлами, такими как Cu, Al или Ni. Среди этих металлов медь является наиболее многообещающим кандидатом для красок и паст на основе металлов.
За последнее десятилетие многочисленные исследователи разработали стабильные чернила и пасты на основе меди.
Смешанные чернила и пасты на основе меди обеспечивают улучшенные характеристики по сравнению с однократным использованием каждого компонента, такого как нано и микрочастицы меди, металлоорганическое разложение (MOD) и частицы меди, нанопроволоки меди и чернила Cu nano или углеродные нанотрубки.
Основными компонентами чернил и паст на основе меди являются следующие:
- Частицы меди или их предшественники (например, соли меди или комплекс формиата меди и амина) в качестве проводящих наполнителей.
- Растворители для стабильного диспергирования частиц меди или растворения их предшественников, облегчения транспортировки и высыхания чернил и пасты и контроля вязкости и поверхностного натяжения для печати. Кроме того, восстановительные растворители, такие как этиленгликоль, могут использоваться для красок/ и паст на основе меди для подавления окисления меди при высоких температурах.
- Дисперсионные и защитные агенты для стабильности дисперсии частиц Cu и стойкости Cu к окислению.
- Другие добавки для улучшения или изменения свойств чернил и паст (например, антиоксиданты, связующие вещества и усилители адгезии).
Температура спекания колеблется от 50 до 80 % от температуры плавления материала, но для наноразмерных порошков температура спекания может быть значительно ниже, т. е. от 20 до 30 % от температуры плавления. Таким образом, применение микронных порошковых паст ограничивается низкотемпературным спеканием.
По сравнению с порошками меди микронного размера чернила на основе наночастиц имеют гораздо более низкую температуру спекания (менее 250 °C).
Когда размер частиц металла достигает наноразмера, его температура плавления снижается, что приводит к снижению температуры спекания наночастиц Cu.
Уменьшение общей межфазной энергии вызывает этот процесс спекания наночастиц Cu за счет уплотнения-восстановления в межфазной области твердое тело/жидкость.
Используя чернила на основе наночастиц Cu, можно получать спеченные пленки Cu при низкотемпературном (менее 150 °C) спекании на термочувствительных гибких подложках (например, полимерных, бумажных, текстильных, резиновых).
Чернила-предшественники Cu также полезны для снижения температуры процесса. Предшественниками Cu являются металлы в окисленных формах, которые могут представлять собой органические комплексы Cu, такие как комплексы формиата Cu с различными алкиламинами.
Во время термического процесса предшественник Cu разлагается и вызывает образование на месте наночастиц Cu при температурах ниже 150 °C, в результате проводящая пленка Cu на гибких подложках.
Гибкие электрические устройства должны сохранять свои электрические характеристики при некоторых механических деформациях, таких как изгиб, скручивание и растяжение.
Однако спеченные металлические пленки склонны к деформационному разрушению под действием этих механических деформаций. Кроме того, спеченные пленки Cu часто имеют пористость и микротрещины внутри пленки. Такие дефекты могут ускорить зарождение и рост трещин, что может привести к снижению механической прочности пленки.
Кроме того, спеченные пленки Cu часто имеют пористость и микротрещины внутри пленки. Такие дефекты могут ускорить зарождение и рост трещин, что может привести к снижению механической прочности пленки.
Нанопроволоки Cu могут улучшить микроструктуру, проводимость и механическую стабильность спеченных пленок Cu благодаря их высокой механической прочности и электропроводности.
Примеры применения
Чернила и пасты на основе меди позволят реально применять гибкие устройства, такие как интеллектуальная робототехника, электронная кожа, оптоэлектроника, движение человека, системы мониторинга здоровья и интерактивные системы человек-машина.
Удобная для человека растяжимая электроника в сочетании с аналитическим биосенсором расширяет концепцию здравоохранения и обеспечивает гораздо более точный и удобный мониторинг в режиме реального времени.
Ожидается, что мощные полупроводниковые устройства, такие как SiC и GaN, с широкополосными запрещенными зонами, будут работать в течение длительного периода времени при температурах выше 200 °C, даже 350 °C, что является слишком высоким для традиционных материалов для крепления кристаллов, которые в настоящее время широко используются.
Чернила и пасты на основе меди обладают высоким потенциалом низкотемпературного связывания Cu-Cu для мощных полупроводниковых устройств в качестве наноматериалов следующего поколения для прикрепления кристаллов.