基于电场驱动微3D打印的嵌入式银网格柔性透明电极制造

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嵌入式金属网格柔性透明电极在薄膜太阳能电池、OLED、透明电磁屏蔽、柔性电加热膜等领域具有广泛的应用。然而,如何实现高性能嵌入式金属网格柔性透明电极低成本、大面积、绿色无污染和批量化制造是诸多研究人员和学者所共同面临的难题。本文提出一种实现高分辨率超大深宽比嵌入式银网格柔性透明电极制造的新方法,即利用具有金属-玻璃复合喷头的电场驱动微3D打印和紫外压印工艺实现超大深宽比嵌入式银网格柔性透明电极制造。本文主要从理论分析、制造工艺方法、工艺参数规律研究以及两个典型案例研究等方面对所提出的制造方法进行系统的分析和研究,通过实验建立合适的工艺窗口,并通过典型的案例验证所制造超大深宽比嵌入式银网格柔性透明电极的光电性能、电磁屏蔽性能和电加热性能等。课题主要工作和创新之处如下:(1)基于具有金属-玻璃复合喷头的电场驱动微3D打印和紫外压印技术提出一种实现高分辨率超大深宽比嵌入式银网格柔性透明电极制造的新方法。该方法具有工艺简单、成本低廉、高效绿色无污染等优势。通过数值模拟仿真,并结合现有的理论研究,验证了金属-玻璃复合喷头可实现超大高宽比浮雕型银网格制造的可行性。(2)经过实验分析和研究,建立合适的工艺窗口。在硬质基底制备一层疏水层PDMS作为打印衬底。采用单一变量法,分别研究打印多层银网格时,打印喷头抬升高度、打印电压、打印速度和打印气压对银线形貌的影响及规律,建立大高宽比银网格3D打印工艺窗口。紫外压印工艺过程中,研究光刻胶厚度及其紫外曝光时间对嵌入式银网格柔性透明电极性能的影响和规律,建立合适的工艺窗口。(3)超大高宽比浮雕型银网格的制造。利用本文提出的新方法制造具有高分辨率的超大高宽比银网格和线栅。其中,利用此技术及优选工艺参数制造了线宽为6.5μm,高度可达130μm的银“墙”和线宽为9.2μm,高为260μm的银“墙”,以及打印了层数为1-24层的浮雕型银网格(银网格面积为40mm×40mm,周期为1000μm,线宽为11μm),并对不同打印层数(高宽比)银网格的结构形貌、光学性能、电学性能等方面进行了分析和研究。研究结果表明:银线层与层之间结构致密。打印层数从1层增加到24层时,银网格的透光率变化值<1%,但导电性有较大的提升。打印层数为24层的银网格品质因数FOM达到88194。此外,对浮雕型银网格进行耐腐蚀性能测试,结果表明所制备的银网格具有优异的化学稳定性。(4)通过紫外压印工艺将超大高宽比浮雕型银网格嵌入到光刻胶中,实现大深宽比嵌入式银网格柔性透明电极的制造。通过此工艺,将打印层数为1-24层的银网格分别嵌入到光刻胶中,测试结果表明该嵌入式银网格柔性透明电极具有良好的光电性能、机械性能和表面粗糙度。银网格嵌入前后阻值变化很小,打印层数为24层银网格(周期为1000μm,线宽为11μm)透明电极的方阻为0.15Ω/sq,透光率为90.02%(波长在550nm),品质因数FOM达到23282。另外,经测试嵌入式银网格柔性透明电极具有较好的耐腐蚀性和环境稳定性。通过典型应用对嵌入式银网格柔性透明电极应用潜能进行分析,当嵌入式银网格柔性透明电极的方阻为0.61Ω/sq,透光率为86.12%时,电磁屏蔽效能可达20d B以上(频段为8400-12000MHz),实现了较好的屏蔽效果。
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