等离子体处理辅助电流体喷印工艺的原理-plasma

电流体喷印过程中,墨水喷射沉积到基底表面依靠电场力驱动,电场的强度及稳定性对打印效果起到决定作用,绝缘材料由于其介电特性会削弱电场,在电流体喷印电场作用时产生的绝缘表面电荷积累及液滴残余电荷会进一步削弱电场并造成电场畸变,这些严重影响电流体喷印的稳定性。因此,如何增强电场并消除电场畸变是提高打印性能的关键。

等离子体处理辅助电流体喷印工艺原理

实验发现,在原始绝缘表面进行电流体喷印时,墨水喷射极不稳定,沉积呈炸裂或毛刺状,而使用等离子体处理绝缘表面后,在同样的打印条件下,墨水能够实现稳定喷射沉积,打印线条均匀无毛刺。

图1-1 (a)等离子体处理前后PI表面电流体喷印时喷嘴状态;(b)处理前后PI表面打印图案对 比;(c)处理前后陶瓷表面打印图案对比。

图1-1(a)(b)展示了等离子体表面处理前后同样打印参数下PI表面打印银浆时的喷嘴喷射状态及打印雪花图案的图像对比,图1-1(c)是等离子体表面处理前后同样打印参数下陶瓷表面打印的银浆花朵图案对比。

图2-1 等离子体处理辅助电流体喷印工艺的原理示意图:(a)处理前;(b)处理中;(c)处理后。

根据上述,增强电场并消除电场畸变是提高打印性能的关键,为直观展示等离子体表面处理在提高打印性能过程中的作用,绘制了原理示意图如图2-1所示。图2-1(a)是绝缘表面原始状态下进行电流体喷印的示意图,喷嘴施加直流电压驱动墨水喷射,此时喷嘴前端会产生一定程度的尖端放电,空气中电荷在电场驱动下到达绝缘表面,而沉积液滴中同样携带大量电荷,原始绝缘表面电导率极低,且表面电荷陷阱中深陷阱较多,而浅陷阱较少,这导致表面电荷极易被电荷陷阱捕获且难以耗散,造成绝缘表面电荷的大量不均匀聚集,这些电荷产生的电场与喷印驱动电场相排斥导致电场强度减弱甚至产生畸变,严重影响打印性能;图2-1(b)是等离子体处理绝缘表面的示意图,反应离子刻蚀机的腔体中激发氧等离子体,活性反应成分在偏压下轰击绝缘表面,活性成分与绝缘表面发生化学反应,等离子体刻蚀绝缘表面改变微观形貌,并且向绝缘表面修饰大量活性基团,导致亲水性的提高,这个过程中绝缘表面电导率大幅提高,表面深电荷陷阱减少,浅电荷陷阱增多,对电荷的束缚能力下降;图2-1(c)是等离子体处理后绝缘表面电流体喷印的示意图,喷嘴尖端放电产生的电荷到达绝缘表面时很难被陷阱束缚,而沉积液滴中携带的电荷也因为表面电导率的提高而迅速导走,并且由于电导率的提升及活性基团的注入,电流体喷印电场中绝缘表面极化效果加强从而增强电场,最终电流体喷印的性能大幅提高。

综上所述：等离子体处理绝缘表面改变表面微观形貌并修饰了大量含氧官能团,导致表面亲水性的提高;同时等离子体表面改性还使得表面电导率大幅提升,深电荷陷阱减少,浅电荷陷阱增多,绝缘表面对电荷的束缚能力下降,抑制了绝缘表面电荷积累,使得沉积液滴所残余电荷迅速耗散;电导率的提升及含氧官能团的注入加强了表面极化,从而稳定增强空间电场,最终大幅提升电流体喷印的稳定性。