電気抵抗率の低いUV硬化インクジェット印刷された銀ゲート電極

背景

プリンテッドエレクトロニクスの発展に伴い、インクジェット印刷は学界や産業界からますます注目を集めています。薄膜トランジスタへのインクジェット印刷の応用に関する多くの研究が行われています[1、2]。インクジェット印刷は、ドロップオンデマンド技術[3、4]によってプロセスステップと材料の無駄を減らすだけでなく、デバイスの直接パターン化も可能にします[5]。その上、低温製造は電子製品の製造にとってますます重要になっています。 UV硬化法は、電子機器の低温製造の需要を満たすことができる低温および高速硬化法として知られています。

プリンテッドエレクトロニクスに関するこれまでのほとんどの研究は、熱硬化法に焦点を合わせてきました[6,7,8,9,10,11]。ただし、熱硬化法は通常、インク内の有機残留物を除去するために200°C以上で30分以上実行されます。これは、低温または室温での製造を必要とする成長を続けるフレキシブルエレクトロニクスには望ましくありません。テクニック。さらに、一部の作品では、レーザー焼結[12]、電気焼結[13]、およびその他の方法[14、15]を使用して、インクジェット印刷された銀膜を硬化させています。

この論文では、銅と比較してその優れた導電性と化学的安定性のために、銀ナノ粒子インクを使用してゲート電極を製造しました。さらに重要なことに、銀ナノメートル粒子の溶融温度はバルク銀の溶融温度よりもはるかに低いため、導電性フィルムの低温製造が可能になります[14、16]。インクジェット印刷された銀ゲート電極の電気抵抗率は後処理プロセスの影響を大きく受けるため、銀膜の電気抵抗率に対するUV硬化条件の影響を調査しました。また、UV硬化銀膜の密着性も巻尺で測定しました。最後に、UV硬化フィルムと熱処理フィルムの違いについて説明しました。

メソッド

基板材料にはガラスを使用した。表面の汚れを取り除くために、これらの基板をイソプロピルアルコール、テトラヒドロフラン、脱イオン水、イソプロピルアルコールの順に超音波処理しました。インクジェット印刷に使用した銀ナノ粒子インクは、Advanced Nano Products Co. Ltdから購入したDGP-40LT-15Cでした。10pLカートリッジを備えたDimatix（DMP-2800）プリンターを使用して、目的のフィルムを印刷しました。印刷中、プリンタの基板温度は30°Cに設定され、銀ナノ粒子インクが35μmの液滴間隔で基板に印刷されました。印刷後、UV光硬化システム（IntelliRay UV0832、Uvitron International Inc.）によってフィルムを硬化させた。システムのUVランプの電力は600Wです。

D UV硬化中の銀フィルムとUVランプの間の距離として定義されました。 D の場合 =37 cm、フィルムをさまざまなUV硬化時間で硬化させて、電気抵抗率に対するUV硬化時間の影響を調べました：180、240、360、および480秒。電気抵抗率に対するDの影響を調べるために、硬化時間を180秒に設定したときに、フィルムをさまざまな距離（37、29、27、25、および23 cm）で硬化させました。次に、さまざまなUV硬化条件で銀膜を硬化させ、上記の結果に基づいて最適な条件を見つけました。さらに、フィルムは、比較のためにさまざまな温度（25、70、100、120、および140°C）で空気中で熱処理されました。

フィルムの電気抵抗率はρから計算されました =r _s ×h（ρ ：電気抵抗率、 R _s ：シート抵抗、h：フィルムの厚さ）。シート抵抗は、デジタル4プローブテスター（KDY-1、Guangzhou Kunde Co.Ltd）によって測定されました。厚さはステッププロファイラー（Dektak）によって測定されました。エネルギー分散型X線分光計（EDS）を備えた走査型電子顕微鏡（SEM、NOVA NANOSEM 430）を使用して、硬化した銀膜の表面情報と元素含有量を取得しました。 3D形態画像は、光学プロファイラー（Veeco NT 9300）によって特徴づけられました。

実験原理

空気中の酸素はUV放射を吸収し、オゾンガスに変換されて空気中の紫外線放射が急速に減衰するため[17、18]、銀膜がさらされるUV放射のエネルギーはの増加とともに減少します。 D （ E ₁ > E ₂ ）。図1aに示すように、Dが増加するとUV放射の強度が減少します（\（\ frac {E_1} {S_1}> \ frac {E_2} {S_2} \））。オゾンガスの濃度も、図1bに示すDの増加とともに減少します。さらに、オゾンガスは銀膜と反応して酸化銀を生成し、膜の電気抵抗率を高めます。

UV硬化法の概略図：（ a ）さまざまな距離でのUV照射の強度。 （ b ）UV照射により発生するオゾンガスの分布。 （ c ）銀膜が硬化しているときのUV照射の伝播

図1cにUV硬化のメカニズムを示します。紫外線が未処理の銀フィルムの表面に到達すると、放射線のごく一部だけがフィルムに浸透し、フィルムの特定の深さに閉じ込められたり、反射によってフィルムから出たり、より深く浸透したりする可能性があります。レイヤー。侵入深さが深いほど、紫外線は弱くなります。この過程で、放射線は銀ナノ粒子と有機物質に吸収され、熱に変換されます[19、20]。フィルム内に熱が徐々に蓄積すると、温度が上昇し、有機物が除去されます。また、Dが減少すると硬化深度が深くなり、有機物の除去が促進され、放射線が強くなります。

結果と考察

図2aは、 D の場合の銀膜の電気抵抗率に対するUV硬化時間の影響を示しています。 =37cm。 UV硬化時間が360秒まで増加すると、電気抵抗率は劇的に減少しました。時間は増加し続けるので、それはわずかに減少しました。図2bは、 D の場合のUV硬化時間の増加に伴う銀膜の原子相対含有量の変化を示しています。 =37cm。炭素と酸素の原子相対含有量は徐々に減少し、銀の原子相対含有量は増加しました。これは、電気抵抗率の高い有機物質が徐々に除去されたことを意味します。この過程で、硬化度が高くなり、銀膜の電気抵抗率が低くなりました。 UV硬化時間が360秒から480秒に増加すると、電気抵抗率がわずかに低下したことから、 D での硬化度が示されました。 =37cmはほぼ最大値に近かった。明らかに、 D でのUV放射 =37 cmは、UV硬化時間が360秒を超えると、残留有機物質を除去するのに十分な強度ではありませんでした。

D の場合 =37 cm（ a ）抵抗率対UV硬化時間; （ b ）フィルムの元素の原子相対含有量とUV硬化時間の関係

図3aは、UV硬化時間が180秒の場合の銀膜の電気抵抗率に対するDの影響を示しています。 Dが37cmから25cmに減少すると、電気抵抗率は急速に減少しました。その後、Dが25cmから23cmに減少すると、電気抵抗率が増加しました。 Dが37cmから25cmに減少すると、銀膜の有機物質が徐々に除去され、電気抵抗率の低下に寄与しました。

UV硬化時間が180秒の場合：（ a ）抵抗率対距離; （ b ）フィルムの元素の原子相対含有量対距離

図3bは、UV硬化時間が180秒の場合の、Dの関数としての銀、炭素、および酸素の相対含有量の変化を示しています。図3bに示すように、Dが37cmから29cmに減少すると、炭素の相対含有量は減少しましたが、酸素の相対含有量はわずかに増加しました。 D 減少すると、銀フィルムはより高いレベルのUV放射にさらされました。これは、硬化の深さが深くなり、UV硬化と熱の発生が速くなることを意味します。その結果、より多くの有機物質が除去されました。したがって、 D の場合、炭素の相対含有量が減少することは理にかなっています。 37cmから29cmに減少しました。

D の場合 29cmから25cmに減少すると、炭素の相対含有量は増加しましたが、酸素の相対含有量はわずかに減少しました。それは、有機物質が炭化されて導電性炭素の形成につながる可能性があることを示した。 Dが減少すると、より強いUV照射が銀膜のより高い温度を誘発しました。 D の場合 =27 cm、有機物質の炭化のため、温度は導電性炭素を形成するのに十分な高さでした。炭素は銀ナノ粒子を橋渡しし、電気抵抗率の低下を引き起こしました[13]。 Dが27cmから25cmに減少すると、隣接する銀ナノ粒子間でより多くの炭素が形成され、電気抵抗率がさらに低下しました。

Dが25cmから23cmに減少すると、炭素の相対含有量は急速に減少し、酸素含有量は増加しました。その間、銀膜の電気抵抗率は低下した。この現象には2つの理由が考えられます。最初のものは銀ナノ粒子の酸化でした。キム・ソンジュン他オゾンガスが銀膜に反応することにより、銀膜上にアモルファス酸化銀が形成されることを提案した[21]。 D の場合の酸素の相対含有量の増加 =23cmは銀膜の酸化を示します。 D の場合 減少し、放射線の強度が大きくなり、銀膜の表面近くでオゾンガスが発生しやすくなり、酸化の可能性が高くなりました。さらに、銀の酸化の電気抵抗率は5.2×10 ^-5 です。 純銀よりもはるかに大きいΩm[22]（1.6×10 ^-8 Ωm）。したがって、銀の酸化は電気抵抗率の増加を引き起こす可能性があります。 2つ目は、ナノ粒子を橋渡しする炭素の除去でした[13]。 D の場合 減少し、熱の蓄積が速くなり、硬化深度が深くなり、温度の上昇によりフィルム内の炭素が除去される可能性があります。その結果、銀粒子間の接触が悪化し、電気抵抗率が増加しました。

図4は、さまざまな条件で硬化した銀膜のSEM画像を示しています。異なる条件でUV硬化された銀ナノ粒子の分散とサイズに明らかな違いは観察されませんでした。直径が均一なナノ粒子が表面に均一に分布し、密着していることから、銀膜の表面が短時間で完全に硬化したことがわかります。銀フィルムの電気抵抗率を変えるのは、フィルムの深さの違いによる硬化深さと硬化度でした。

（ a でUV硬化した銀膜のSEM画像 ） D =180秒で37cm; （ b ） D =300秒で37cm; （ c ） D =480秒で37cm; （ d ） D =180秒間29cm; （ e ） D =180秒間25cm; （ f ） D =25cmで480秒

図5は、さまざまな条件でUV硬化した銀膜の表面形態を示しています。 D の場合、銀膜の表面にいくつかの分散したピークが現れました。 29〜25cmに変更されました。ただし、 D の場合、ピークはほとんどありませんでした。 =37cm。これは、 D が減少するにつれて、硬化深度が増加することを意味します。 。硬化深さが浅すぎてインクジェット印刷された銀フィルム中のすべての有機溶媒を除去できない場合、表面に近い有機物質のみが除去され、表面の形態にはほとんど影響がありませんでした。しかし、硬化深さが深い場合、深さの深い有機物質は、除去されるフィルムの浅い層を破壊しなければならず、小さなピークの出現につながった。したがって、この現象は、 D 銀膜の電気抵抗率に影響を与えました。

さまざまなUV硬化条件での銀膜の3D表面形態

上記の結果によると、電気抵抗率は、UV硬化時間が360秒まで増加すると減少し、UV硬化時間が360秒を超えるとわずかに減少しました。また、電気抵抗率もDが37cmから25cmに減少すると減少しましたが、 D 25cm未満でした。そのため、銀フィルムはさまざまな D でUV硬化されました。 最適なUV硬化条件を見つけるために、さまざまなUV硬化時間で37〜25cmの範囲です。

図6aは、さまざまなUV硬化条件での銀膜の電気抵抗率を示しています。図6aに示すように、電気抵抗率は、特定の D でのUV硬化時間の増加とともに減少しました。 D の減少とともに減少しました 特定のUV硬化時間で、それぞれ図2aおよび図3aと一致していました。硬化深度は D の影響を受けると考えました 一方、硬化度は、UV硬化時間と D の両方の影響を受けました。 図5と図6aの結果によると。それによると、電気抵抗率の低い銀ゲート電極（6.69×10 ^-8 ）を用意しました。 Ωm） D でUV硬化 =480秒間、25cm。さらに、図6bに示すテープテスト後、銀フィルムのごく一部が剥がれ、ASTM国際規格による4Bの良好な接着性を示しました。

a さまざまなUV硬化条件で硬化した銀フィルムの電気抵抗率の3D画像。 b テープテスト後のガラス上のUV硬化銀フィルムの写真

UV硬化法と比較して、異なる温度で銀膜を処理するために熱硬化法が適用されました。図7に示すように、電気抵抗率は温度の上昇とともに減少しましたが、温度が120°Cを超えても電気抵抗率はほぼ同じであり、電気抵抗率は3.68×10 ^{-8Ω m。図8に示すように、ナノ粒子の平均サイズは温度の上昇とともに徐々に大きくなります。温度が100°Cに達すると、多くのナノ粒子がより大きな粒子に融合し始め、温度が140°Cになると合体しました。図4と図8を比較すると、熱処理された銀フィルムのナノ粒子は、UV硬化された銀フィルムほど均一ではありませんでした。 D でUV硬化したフィルムの電気抵抗率 =480秒間の25cmは、120°Cで熱処理されたフィルムの約2倍の大きさでした。また、図5と図9を比較すると、UV硬化フィルムは熱処理フィルムよりもはるかに滑らかであることがわかりました。さらに、UV硬化フィルムの銀ナノ粒子は大きな粒子に融合せず、凝集もほとんどありませんでした。これは、UV硬化の温度が熱硬化中の温度よりも低いことを示しています。その上、UV硬化法はより少ない時間でした。そのため、UV硬化法による低温での電気抵抗率の低い銀ゲート電極の製造が可能であると考えました。}

。さまざまな温度で30分間熱処理された銀フィルムの抵抗率

さまざまな温度で30分間熱処理された銀フィルムのSEM画像：（ a ）25°C; （ b ）100°C; （ c ）140°C

（ a で熱処理された銀膜の3D表面形態 ）25°C、（ b ）100°C、および（ c ）140°C

結論

この作業では、電気抵抗率が6.69×10 ^-8 のインクジェット印刷された銀ゲート電極を準備しました。 D でのUV放射によるΩm =480秒間、25cm。 UV硬化時間と D の影響 銀ナノ粒子膜の電気抵抗率に関する研究を体系的に行った。銀膜の電気抵抗率は、UV硬化時間が長くなるか D になると低下しました。 有機物の効率的な除去により減少しました。しかし、 D 25 cm未満の場合、銀の酸化の可能性、またはUV硬化中に生成された導電性炭素の除去の可能性のために電気抵抗率が増加しました。熱処理された銀フィルムと比較して、UV硬化された銀フィルムのテクスチャーは、熱処理された銀フィルムよりも滑らかです。さらに、UV硬化は時間がかかりませんでした。 UV放射は、UV硬化法によって電気抵抗率の低い銀ナノ粒子ゲート電極を製造するための時間節約で効率的なアプローチを提供します。