在这篇文章里，我们主要研究喷墨打印技术的过程、原理、分类以及在微电子产业中的运用，比如有机薄膜晶体管、发光二极管、太阳能电池等。喷墨打印技术已经不在只限制于传统印刷行业，这篇文章的目的就是阐述了喷墨打印在电子行业领域内的可行性。
1 概述
喷墨打印技术是一种非接触的打印技术，它通过电脑控制，将墨水沉积到衬底上，形成事先设计好的图案。这一技术已经被用来作为一个低成本的研究工具，正在促进多方面的印刷电子产品的初始研究。这项技术的吸引力在于：(1)它是完全电脑控制的，比常见的网版印刷技术具有更高程度的生产自动化。这使得这项技术的运用可以减少成本，更好的重复和提高将原始设计阶段转化为电路原型的速度。(2)考虑到材料和时间的消耗，喷墨打印技术将墨水的消耗量减小到最小并且在一定程度上减小整个过程的复杂性。(3)它具有直接写的特性，这允许多种沉积薄膜，不需要额外的复杂的掩膜和昂贵的光刻胶。(4)喷墨打印技术作为一种与衬底不接触的技术，衬底表面的光滑和弯曲程度不再是重要的影响因素，这使沉积的薄膜的厚度更均匀。
这篇文章，主要介绍喷墨打印技术以及在电子器件中的应用。希望能够为喷墨打印技术的研究及其在电子器件产品中的应用提供一些借鉴。
2 喷墨打印过程
喷墨打印所用的材料为液相材料。这些材料称为墨水，主要有两种形式，一种为溶液，另外一种为分散液。喷墨打印的过程是于压电行为，使室容积突然减少，引起腔体内一定量的墨水喷射物从一个喷嘴喷出。一个充满液体的腔用来对外加电压的反应。突容积减少在液体里引起一个震荡波，使得液滴从喷嘴射出。液滴在重力和空气阻力的共同作用下下降，从运动中获得的动量使它撞击在衬底，并在表面张力的作用下沿着衬底流动。液滴通过溶剂蒸发变干燥。研究表明[1]液滴流动过程和最终打印的形状很大程度上是受墨水的粘性影响，这可以被高分子聚合物摩尔质量的函数表示[2]。
3 喷墨打印技术的分类
喷墨打印是一个涵盖性术语，它包括很多种不同的小液滴形成和定位的方法。喷墨打印经常被归类为连续式喷墨打印机和按滴喷性喷墨打印机，这是由液滴产生的物理过程来划分。
3.1 连续式喷墨打印机
连续式喷墨打印是连续的液体流在表面张力的作用下形成从喷嘴喷射。在连续液滴打印机中，墨水是被一个高压力泵控制的，用一个压电晶体摇动这个喷嘴，产生连续的液滴。来自打印机的信号使产生的墨水液滴有选择性的带电。带电的液滴被打入排水沟用来再循环，然而没有充电的液滴被喷射出来打印形成图案。产生的液滴的直径通常是孔径的两倍，150μm是液滴常见典型尺寸，它也可以小到20μm。这种类型的打印机的优势是打印速度快，这种优势对于工业关键是非常有用的。由于液滴连续不断的产生必须使用的是易挥发墨水，使得快速蒸发，这样打印机的喷头不容易被阻塞。它的一些缺点为：(1)分辨率较低。(2)局限于那些容易带电荷的墨水。(3)成本相对较高。
依据液滴的偏转方法，可以被分类为四种：二进制偏转打印机、多重偏转打印机、赫兹偏转打印机和微粒偏转打印机。
3.2 连续式喷墨打印机
按需滴定喷墨打印是只有在需要的时候，墨水才会从喷嘴里喷射。每一个液滴的产生是对触发信号的快速反应过程。一个按滴型打印机印刷头经常包含多个喷头(有时候专门的喷头可能只包含一个喷头)。按滴喷性喷墨打印机的液滴动能来自于打印头的喷嘴之内。为了达到目的，很多打印头的设计是用了变形的压电陶瓷片，当然也有一些其它原理的设计，例如热喷墨打印技机。压电式打印头可以处理更多种液体墨水，热式打印机可以制作起来更简单更便宜。
常见的按滴喷性喷墨打印机有以下五种：热喷墨打印机、压电式打印机、静电式打印机、声波打印机和阀喷墨打印机。
4 喷墨打印技术的应用
喷墨打印技术主要运用于传统的专业印刷领域等，但是现在喷墨打印技术已经开始逐渐被运用于电子行业内的电子器件的制造。以下逐一介绍喷墨打印技术在电子器件中的运用。
4.1 薄膜晶体管
有机薄膜晶体管在有机电路是一个重要的有源元件。有机薄膜晶体管已经在一些不需要高迁移率和开关速度的低端产品被运用，比如射频识别标签[3]和显示底板[4]。一个有机薄膜晶体管是有两层电极材料(原极、漏极和栅极)，两层电解质活性有机材料的四层器件。尽管有机薄膜晶体管的基本结构看起来很简单，但是在实际的每一层材料的打印过程中，却是十分复杂的。当打印的有机薄膜晶体管的衬底为非平面衬底，那么问题的复杂性就更加突出了，比如说可折叠性电子产品。
4.2 发光器件
喷墨打印的一大优点就是它是一个直接打印的过程，不需要掩膜。这一优点使得喷墨打印这一技术，对于多种器件的研究，具有重要意义，包括有机电致发光二极管。有机电致发光二极管器件结构优化需要考虑不同器件的厚度，选择最理想的器件设计。这个优化的过程需要多次试验和测量不同器件的电致发光性能。这是一个耗时和耗费测量的过程。Singh et al[5]演示了可喷墨打印的有机电致发光二极管。
4.3 太阳能电池
太阳能电池作为一种新型能源给能源系统，还没有得到广泛使用，这是由于太阳能电池的价格成本和以矿物能源相比较起来没有竞争优势。缺点有：(1)昂贵的材料。(2)昂贵的制作过程。(3)用成本更高的解决方案和制作过程材料获得的效率却更低。喷墨打印技术改善了太阳能电池薄膜的制作过程，打印技术已经显示出它对于改善工业降低成本提高效率的前景。
4.4 连接和导电结构
金属和导电聚合物对于电路可作为导电和连接的重要的基础结构。它们都可以作为像有机场效应晶体管等的组成结构。传统的连接和导电线是用平板印刷技术。然而，喷墨打印技术可以用于非常复杂的导电线。被用于制造常见的连接和导电结婚的材料有：纳米银、纳米金、纳米金属与纳米粒子混合物和有机金属。
5 结束语
喷墨打印技术已经逐渐被用于电子制造中。平板印刷工艺生产中的步骤繁多，喷墨打印技术提供了一个有吸引力，材料可选择的对于多种图案化运用，可以有效的减少生产步骤。在电子产品中运用喷墨打印技术极具潜力。
作者：侯倩 陈君 来源：科技创新与应用 2016年4期
