Elektroda Gerbang Perak Dicetak Inkjet UV-Cured dengan Resistivitas Listrik Rendah
Abstrak
Elektroda gerbang perak cetak inkjet dengan resistivitas listrik rendah dibuat dengan metode curing UV. Dengan menyesuaikan waktu pengeringan UV dan jarak antara sampel dan lampu UV, efek kondisi pengeringan UV pada resistivitas listrik film perak dipelajari, dan resistivitas listrik terendah 6,69 × 10
−8
·m diperoleh. Selain itu, film perak yang diawetkan dengan UV memiliki daya rekat yang baik pada substrat kaca, dengan kekuatan rekat 4B (standar internasional ASTM). Pekerjaan kami menawarkan pendekatan suhu rendah dan mudah untuk membuat elektroda perak cetak inkjet dengan resistivitas listrik rendah.
Latar Belakang
Dengan perkembangan elektronik cetak, pencetakan inkjet telah menarik perhatian yang meningkat dari komunitas akademis dan industri. Banyak pekerjaan mengenai aplikasi pencetakan inkjet pada transistor film tipis dilakukan [1, 2]. Pencetakan inkjet tidak hanya dapat mengurangi langkah-langkah proses dan limbah material dengan teknik drop-on-demand [3, 4], tetapi juga memungkinkan pemolaan langsung perangkat [5]. Selain itu, pembuatan suhu rendah menjadi semakin penting untuk pembuatan produk elektronik. Metode curing UV dikenal sebagai metode curing suhu rendah dan cepat yang dapat memenuhi permintaan untuk manufaktur elektronik suhu rendah.
Sebagian besar karya sebelumnya pada elektronik pencetakan berfokus pada metode curing panas [6,7,8,9,10,11]. Namun, metode pengawetan panas biasanya dilakukan pada suhu di atas 200 °C selama lebih dari 30 menit dalam upaya menghilangkan residu organik dalam tinta, yang tidak diinginkan untuk elektronik fleksibel yang terus berkembang yang memerlukan manufaktur suhu rendah atau bahkan suhu ruangan. teknik. Selain itu, laser sintering [12], sintering listrik [13], dan metode lain [14, 15] digunakan untuk menyembuhkan film perak yang dicetak dengan inkjet dalam beberapa karya.
Dalam makalah ini, tinta nanopartikel perak digunakan untuk membuat elektroda gerbang karena konduktivitas dan stabilitas kimianya yang baik dibandingkan dengan tembaga. Lebih penting lagi, suhu leleh partikel nanometer perak jauh lebih rendah daripada perak curah, yang memungkinkan produksi film konduktif suhu rendah [14, 16]. Karena resistivitas listrik dari elektroda gerbang perak yang dicetak dengan inkjet sangat dipengaruhi oleh proses pasca perawatan, efek dari kondisi pengeringan UV pada resistivitas listrik dari film perak diselidiki. Selain itu, daya lekat film perak yang diawetkan dengan UV juga diukur dengan uji pita. Terakhir, kami membahas perbedaan antara film yang diawetkan dengan UV dengan film yang diberi perlakuan panas.
Metode
Kaca digunakan sebagai bahan substrat. Untuk menghilangkan kontaminasi permukaan, substrat ini diultrasonikasi dalam isopropil alkohol, tetrahidrofuran, air deionisasi dan isopropil alkohol secara berurutan. Tinta nanopartikel perak yang digunakan dalam pencetakan inkjet adalah DGP-40LT-15C yang dibeli dari Advanced Nano Products Co. Ltd. Printer Dimatix (DMP-2800) dengan kartrid 10pL digunakan untuk mencetak film yang diinginkan. Selama pencetakan, suhu media printer disetel pada 30 °C, dan tinta nanopartikel perak dicetak ke media dengan jarak jatuh 35 μm. Setelah pencetakan, film diawetkan dengan sistem pengawetan sinar UV (IntelliRay UV0832, Uvitron International Inc.). Daya lampu UV dalam sistem adalah 600 W.
A didefinisikan sebagai jarak antara film perak dan lampu UV selama UV curing. Ketika D = 37 cm, film diawetkan pada waktu pemeraman UV yang berbeda untuk mempelajari efek waktu pemeraman UV pada resistivitas listrik:180, 240, 360, dan 480 s. Untuk mempelajari efek D pada resistivitas listrik, film dirawat pada jarak yang berbeda ketika waktu pengawetan diatur ke 180 s:37, 29, 27, 25, dan 23 cm. Dan kemudian, kami menyembuhkan film perak pada kondisi pengeringan UV yang berbeda untuk mengetahui kondisi optimal berdasarkan hasil di atas. Selain itu, film juga dipanaskan di udara pada suhu yang berbeda untuk perbandingan:25, 70, 100, 120, dan 140 °C.
Resistivitas listrik film dihitung dari ρ = Rs × h(ρ :resistivitas listrik, Rs :resistansi lembaran, h:ketebalan film). Resistansi lembaran diukur dengan penguji empat probe digital (KDY-1, Guangzhou Kunde Co.Ltd). Ketebalan diukur dengan step profiler (Dektak). Mikroskop elektron pemindaian (SEM, NOVA NANOSEM 430) dengan spektrometer sinar-X dispersif energi (EDS) digunakan untuk memperoleh informasi permukaan dan kandungan elemen dari film perak yang diawetkan. Gambar morfologi 3D dicirikan oleh profiler optik (Veeco NT 9300).
Prinsip Eksperimental
Karena oksigen di udara akan menyerap radiasi UV dan diubah menjadi gas ozon yang membuat redaman radiasi ultraviolet cepat di udara [17, 18], energi radiasi UV yang terkena film perak akan berkurang seiring dengan peningkatan D (E1> E2 ). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, intensitas radiasi UV berkurang ketika D meningkat (\( \frac{E_1}{S_1}>\frac{E_2}{S_2} \)). Konsentrasi gas ozon juga menurun dengan meningkatnya D yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Selain itu, gas ozon akan bereaksi dengan film perak dan menghasilkan oksida perak yang akan meningkatkan resistivitas listrik film tersebut.
Diagram skema metode pengeringan UV:(a ) intensitas penyinaran UV pada jarak yang berbeda; (b ) distribusi gas ozon yang dihasilkan oleh penyinaran UV; (c ) propagasi penyinaran UV ketika film perak sedang diawetkan
Gambar 1c menunjukkan mekanisme pengeringan UV. Ketika radiasi UV mencapai permukaan film perak yang tidak diolah, hanya sebagian kecil dari radiasi yang menembus ke dalam film yang mungkin terperangkap pada kedalaman tertentu dari film, atau keluar dari film karena pemantulan, atau menembus lebih dalam. lapisan. Semakin dalam kedalaman penetrasi, semakin lemah radiasi UV. Selama proses ini, radiasi akan diserap oleh nanopartikel perak dan zat organik, kemudian diubah menjadi panas [19, 20]. Ketika panas secara bertahap terakumulasi di dalam film, suhu akan meningkat yang mengarah pada penghilangan zat organik. Selain itu, kedalaman pengawetan akan lebih dalam dan penghilangan zat organik akan meningkat ketika D menurun, yang berarti radiasi menjadi lebih kuat.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a menunjukkan pengaruh waktu pengeringan UV pada resistivitas listrik film perak saat D = 37 cm. Resistivitas listrik menurun drastis saat waktu pengeringan UV meningkat hingga 360 s. Seiring waktu terus meningkat, itu sedikit menurun. Gambar 2b mengilustrasikan perubahan isi relatif atom dari film perak sebagai peningkatan waktu pengeringan UV ketika D = 37 cm. Kandungan relatif atom karbon dan oksigen secara bertahap menurun sementara perak meningkat, yang berarti zat organik dengan resistivitas listrik yang tinggi secara bertahap dihilangkan. Selama proses ini, tingkat pengawetan meningkat dan resistivitas listrik film perak menjadi lebih rendah. Saat waktu pengeringan UV meningkat dari 360 menjadi 480 s, sedikit penurunan resistivitas listrik menunjukkan bahwa tingkat pengeringan pada D = 37 cm hampir mendekati maksimum. Jelas, radiasi UV di D = 37 cm tidak cukup kuat untuk menghilangkan lebih banyak zat organik sisa saat waktu pengeringan UV lebih dari 360 d.
Ketika D = 37 cm (a ) resistivitas versus waktu curing UV; (b ) kandungan relatif atom unsur-unsur film versus waktu pengeringan UV
Gambar 3a menunjukkan efek D pada resistivitas listrik film perak saat waktu pengeringan UV 180 s. Ketika D menurun dari 37 menjadi 25 cm, resistivitas listrik menurun dengan cepat. Selanjutnya, resistivitas listrik meningkat ketika D menurun dari 25 menjadi 23 cm. Zat organik dalam film perak secara bertahap dihilangkan saat D menurun dari 37 menjadi 25 cm, berkontribusi pada pengurangan resistivitas listrik.
Saat waktu pengeringan UV adalah 180 s:(a ) resistivitas versus jarak; (b ) kandungan relatif atom unsur-unsur film versus jarak
Gambar 3b menunjukkan perubahan kandungan relatif perak, karbon, dan oksigen sebagai fungsi D ketika waktu pemeraman UV 180 s. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, ketika D menurun dari 37 menjadi 29 cm, kandungan relatif karbon menurun sementara kandungan oksigen sedikit meningkat. Sementara D menurun, film perak terkena radiasi UV tingkat yang lebih tinggi, yang berarti kedalaman curing menjadi lebih dalam, curing UV dan generasi panas menjadi lebih cepat. Akibatnya, lebih banyak zat organik dihilangkan. Jadi masuk akal jika kandungan relatif karbon menurun saat D berkurang dari 37 menjadi 29 cm.
Ketika D menurun dari 29 menjadi 25 cm, kandungan relatif karbon meningkat sementara kandungan relatif oksigen sedikit menurun. Ini menunjukkan bahwa zat organik dapat terkarbonisasi yang mengarah pada pembentukan karbon konduktif. Ketika D menurun, penyinaran UV yang lebih kuat menginduksi suhu film perak yang lebih tinggi. Ketika D = 27 cm, suhunya cukup tinggi untuk membentuk karbon konduktif karena karbonisasi zat organik. Karbon menjembatani nanopartikel perak, sehingga menimbulkan penurunan resistivitas listrik [13]. Saat D menurun dari 27 menjadi 25 cm, lebih banyak karbon yang terbentuk di antara nanopartikel perak tetangga yang menyebabkan penurunan resistivitas listrik lebih lanjut.
Kandungan relatif karbon menurun dengan cepat sementara kandungan oksigen meningkat ketika D menurun dari 25 menjadi 23 cm. Sementara itu, resistivitas listrik dari film perak menurun. Ada dua kemungkinan alasan untuk fenomena ini. Yang pertama adalah oksidasi nanopartikel perak. Sung Joon Kim dkk. mengusulkan bahwa oksida perak amorf terbentuk pada film perak karena reaksi gas ozon ke film perak [21]. Peningkatan kandungan oksigen relatif saat D = 23 cm menunjukkan oksidasi film perak. Ketika D menurun, intensitas radiasi menjadi lebih besar, dan gas ozon lebih mungkin dihasilkan di dekat permukaan film perak, sehingga meningkatkan kemungkinan oksidasi. Selain itu, resistivitas listrik oksidasi perak adalah 5,2 × 10
−5
m [22] yang jauh lebih besar daripada perak murni (1,6 × 10
−8
m). Jadi oksidasi perak dapat menyebabkan peningkatan resistivitas listrik. Yang kedua adalah penghilangan karbon yang menjembatani nanopartikel [13]. Ketika D menurun, akumulasi panas menjadi lebih cepat dan kedalaman curing menjadi lebih dalam, karbon di dalam film dapat dihilangkan karena suhu yang meningkat. Akibatnya, kontak antara partikel perak semakin buruk yang menyebabkan meningkatnya resistivitas listrik.
Gambar 4 menunjukkan gambar SEM dari film perak yang diawetkan pada kondisi yang berbeda. Tidak ada perbedaan yang jelas dalam dispersi dan ukuran nanopartikel perak yang diawetkan dengan UV pada kondisi yang berbeda yang diamati. Nanopartikel dengan diameter seragam terdistribusi merata di permukaan dan saling berhubungan erat, yang menunjukkan bahwa permukaan film perak benar-benar sembuh dalam waktu singkat. Kedalaman curing dan tingkat curing pada kedalaman berbeda dari film yang membuat resistivitas listrik dari film perak berbeda.
Gambar SEM dari film perak yang diawetkan dengan UV di (a ) D = 37 cm selama 180 dtk; (b ) D = 37 cm selama 300 dtk; (c ) D = 37 cm selama 480 dtk; (d ) D = 29 cm selama 180 dtk; (e ) D = 25 cm selama 180 dtk; (f ) D = 25 cm selama 480 dtk
Gambar 5 menunjukkan morfologi permukaan film perak yang diawetkan dengan UV pada kondisi yang berbeda. Beberapa puncak tersebar muncul di permukaan film perak ketika D diubah antara 29 dan 25 cm. Namun, tidak ada puncak kecil ketika D = 37 cm. Ini berarti bahwa kedalaman pengawetan meningkat seiring dengan penurunan D . Ketika kedalaman pengawetan terlalu kecil untuk menghilangkan semua pelarut organik dalam film perak yang dicetak dengan inkjet, hanya zat organik yang mendekati permukaan yang dihilangkan yang memiliki sedikit efek pada morfologi permukaan. Tetapi ketika kedalaman pengawetan dalam, zat organik pada kedalaman yang dalam harus memecahkan lapisan dangkal film untuk dihilangkan yang mengarah pada munculnya puncak-puncak kecil. Jadi fenomena ini juga bisa menjelaskan sebagian bagaimana D mempengaruhi resistivitas listrik dari film perak.
Morfologi permukaan 3D dari film perak pada kondisi pengeringan UV yang berbeda
Menurut hasil di atas, resistivitas listrik menurun saat waktu pengeringan UV meningkat hingga 360 s, dan kemudian sedikit menurun saat waktu pengeringan UV lebih besar dari 360 s. Selain itu, resistivitas listrik juga menurun saat D menurun dari 37 menjadi 25 cm, tetapi meningkat saat D lebih kecil dari 25 cm. Jadi film perak disembuhkan dengan UV pada D different yang berbeda mulai dari 37 hingga 25 cm untuk waktu pengeringan UV yang berbeda guna mengetahui kondisi pengeringan UV yang optimal.
Gambar 6a menunjukkan resistivitas listrik dari film perak pada kondisi pengeringan UV yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, resistivitas listrik menurun dengan meningkatnya waktu pengeringan UV pada D tertentu dan juga menurun dengan penurunan D pada waktu pengeringan UV tertentu, yang konsisten dengan Gambar 2a dan Gambar 3a. Kami percaya bahwa kedalaman pengawetan dipengaruhi oleh D sedangkan tingkat pengeringan dipengaruhi oleh waktu pengeringan UV dan D sesuai dengan hasil dari Gambar 5 dan Gambar 6a. Berdasarkan itu, kami menyiapkan elektroda gerbang perak dengan resistivitas listrik rendah (6,69 × 10
−8
m) UV sembuh pada D = 25 cm selama 480 dtk. Selain itu, hanya sebagian kecil dari film perak yang terkelupas setelah uji pita yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, menunjukkan daya rekat 4B yang baik menurut standar internasional ASTM.
a Gambar 3D untuk resistivitas listrik dari fim perak yang diawetkan pada kondisi curing UV yang berbeda. b Foto film perak yang diawetkan dengan UV pada kaca setelah uji pita
Dibandingkan dengan metode curing UV, metode heat curing diterapkan untuk merawat film perak pada suhu yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7, resistivitas listrik menurun seiring dengan kenaikan suhu, tetapi resistivitas listrik hampir tetap sama setelah suhu di atas 120 °C, dengan resistivitas listrik 3,68 × 10
−8
M. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8, ukuran rata-rata nanopartikel secara bertahap menjadi lebih besar dengan meningkatnya suhu. Banyak nanopartikel mulai bergabung menjadi partikel yang lebih besar ketika suhu mencapai 100 °C, dan bergabung bersama ketika suhu 140 °C. Membandingkan Gbr. 4 hingga Gbr. 8, nanopartikel dari film perak yang diberi perlakuan panas tidak seragam seperti film perak yang diawetkan dengan UV. Resistivitas listrik film yang diawetkan dengan UV pada D = 25 cm selama 480 d hanya sekitar dua kali lebih besar dari film yang diberi perlakuan panas pada 120 °C. Kita juga dapat melihat bahwa film yang diawetkan dengan UV jauh lebih halus daripada film yang diberi perlakuan panas dengan membandingkan Gambar 5 hingga Gambar 9. Selain itu, nanopartikel perak dalam film yang diawetkan dengan UV tidak bergabung menjadi partikel yang lebih besar dan hanya ada sedikit agregasi nanopartikel perak, yang menunjukkan bahwa suhu curing UV lebih rendah daripada suhu curing panas. Selain itu, metode UV curing lebih sedikit memakan waktu. Jadi kami percaya bahwa fabrikasi elektroda gerbang perak dengan resistivitas listrik rendah pada suhu rendah dengan metode UV curing adalah layak.
. Resistivitas film perak yang diberi perlakuan panas pada suhu yang berbeda selama 30 mnt
Gambar SEM dari film perak yang dipanaskan pada suhu berbeda selama 30 menit:(a ) 25 °C; (b ) 100 °C; (c ) 140 °C
Morfologi permukaan 3D dari film perak yang diberi perlakuan panas pada (a ) 25 °C, (b ) 100 °C, dan (c ) 140 °C
Kesimpulan
Dalam pekerjaan ini, kami menyiapkan elektroda gerbang perak cetak inkjet dengan resistivitas listrik 6,69 × 10
−8
m oleh radiasi UV pada D = 25 cm selama 480 dtk. Efek dari waktu pengeringan UV dan D pada resistivitas listrik film nanopartikel perak diselidiki secara sistematis. Resistivitas listrik film perak menurun seiring dengan meningkatnya waktu pengeringan UV atau D menurun karena penghilangan zat organik yang efisien. Tapi ketika D lebih kecil dari 25 cm, resistivitas listrik meningkat karena kemungkinan oksidasi perak atau kemungkinan penghilangan karbon konduktif yang dihasilkan selama pengeringan UV. Dibandingkan dengan film perak yang diawetkan dengan pengawetan panas, tekstur film perak yang diawetkan dengan UV lebih halus daripada film perak yang dirawat dengan panas; selain itu, pengeringan UV lebih sedikit memakan waktu. Radiasi UV memberikan pendekatan yang hemat waktu dan efisien untuk membuat elektroda gerbang nanopartikel perak dengan resistivitas listrik rendah dengan metode pengeringan UV.
