낮은 전기 저항을 갖는 잉크젯 인쇄 은 게이트 전극은 UV 경화 방법으로 제작되었습니다. UV 경화 시간과 샘플과 UV 램프 사이의 거리를 조정하여 UV 경화 조건이 은 필름의 전기 저항률에 미치는 영향을 연구했으며 가장 낮은 전기 저항률은 6.69 × 10 -8 Ω·m을 얻었다. 또한 UV 경화 은 필름은 유리 기판에 대한 접착력이 우수하여 접착력이 4B(ASTM 국제 표준)입니다. 우리의 연구는 전기 저항이 낮은 잉크젯 인쇄 은 전극을 제작하기 위한 쉽고 낮은 온도 접근 방식을 제공했습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">인쇄 전자의 발달과 함께 잉크젯 인쇄는 학계와 산업계의 주목을 받고 있습니다. 박막트랜지스터에 잉크젯 프린팅을 적용하는 것과 관련하여 많은 연구가 진행되고 있다[1, 2]. 잉크젯 인쇄는 주문형 기술[3, 4]에 의한 공정 단계와 재료 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 장치의 직접 패터닝을 가능하게 합니다[5]. 또한, 전자 제품의 제조에 있어 저온 제조가 점점 더 중요해지고 있습니다. UV경화 방식은 전자제품의 저온 제조 수요를 충족시킬 수 있는 저온, 속경화 방식으로 알려져 있다.
인쇄 전자에 대한 대부분의 이전 작업은 열 경화 방법에 중점을 두었습니다[6,7,8,9,10,11]. 그러나 열경화 방식은 일반적으로 잉크의 유기 잔류물을 제거하기 위해 200°C 이상에서 30분 이상 수행하며, 이는 저온 또는 상온 제조가 필요한 지속적으로 성장하는 Flexible 전자 제품에 바람직하지 않습니다. 기법. 또한 일부 작업에서는 레이저 소결[12], 전기 소결[13] 및 기타 방법[14, 15]을 사용하여 잉크젯 인쇄 은막을 경화시킵니다.
본 논문에서는 구리에 비해 전도성과 화학적 안정성이 좋은 은 나노입자 잉크를 사용하여 게이트 전극을 제작하였다. 더 중요한 것은 은 나노미터 입자의 용융 온도가 벌크 은보다 훨씬 낮아 전도성 필름의 저온 생산이 가능하다는 것입니다[14, 16]. 잉크젯으로 인쇄된 은 게이트 전극의 전기 저항은 후처리 공정에 의해 크게 영향을 받기 때문에 UV 경화 조건이 은 필름의 전기 저항에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한, UV 경화된 은 필름의 접착력도 테이프 테스트로 측정하였다. 마지막으로 UV 경화 필름과 열처리 필름의 차이점에 대해 논의했습니다.
기판 재료로는 유리를 사용하였다. 표면 오염을 제거하기 위해 이 기판을 이소프로필 알코올, 테트라히드로푸란, 탈이온수 및 이소프로필 알코올에서 차례로 초음파 처리했습니다. 잉크젯 프린팅에 사용된 은나노입자 잉크는 Advanced Nano Products Co. Ltd.에서 구입한 DGP-40LT-15C였다. 원하는 필름을 프린팅하기 위해 10pL 카트리지가 장착된 Dimatix(DMP-2800) 프린터를 사용하였다. 인쇄하는 동안 프린터의 기판 온도를 30°C로 설정하고 은 나노입자 잉크를 35μm의 드롭 간격으로 기판에 인쇄했습니다. 프린팅 후, UV 광 경화 시스템(IntelliRay UV0832, Uvitron International Inc.)으로 필름을 경화시켰다. 시스템의 UV 램프의 전력은 600W입니다.
디 UV 경화 동안 은막과 UV 램프 사이의 거리로 정의되었습니다. D일 때 =37 cm인 경우 전기 저항률에 대한 UV 경화 시간의 영향을 연구하기 위해 180, 240, 360, 480초와 같이 다양한 UV 경화 시간에서 필름을 경화했습니다. 전기 저항에 대한 D의 영향을 연구하기 위해 경화 시간이 180초로 설정된 경우 37, 29, 27, 25, 23cm의 다양한 거리에서 필름을 경화했습니다. 그런 다음 위의 결과를 바탕으로 최적의 조건을 찾기 위해 서로 다른 UV 경화 조건에서 Silver 필름을 경화했습니다. 또한 필름은 비교를 위해 25, 70, 100, 120 및 140°C의 서로 다른 온도에서 공기 중에서 열처리되었습니다.
필름의 전기 저항은 ρ에서 계산되었습니다. =Rs × h(ρ :전기 저항, R s :시트 저항, h:필름의 두께). 시트 저항은 디지털 4-프로브 테스터(KDY-1, Guangzhou Kunde Co.Ltd)로 측정하였다. 두께는 스텝 프로파일러(Dektak)로 측정하였다. EDS(Energy Dispersive X-ray spectrometer)가 장착된 주사 전자 현미경(SEM, NOVA NANOSEM 430)을 사용하여 경화된 은 필름의 표면 정보 및 원소 함량을 얻었다. 3D 형태 이미지는 광학 프로파일러(Veeco NT 9300)로 특성화되었습니다.
공기 중의 산소가 자외선을 흡수하고 오존 가스로 변형되어 공기 중에서 자외선을 빠르게 감쇠시키기 때문에[17, 18], 은막이 노출되는 자외선의 에너지는 디 (이 1> 이 2 ). 그림 1a와 같이 D가 증가하면 자외선의 세기가 감소한다(\( \frac{E_1}{S_1}>\frac{E_2}{S_2} \)). 오존 가스의 농도도 그림 1b에서와 같이 D가 증가함에 따라 감소합니다. 게다가, 오존 가스는 은 필름과 반응하여 필름의 전기 저항을 증가시키는 산화은을 생성합니다.
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UV 경화 방법의 개략도:(a ) 다른 거리에서 UV 조사의 강도; (b ) UV 조사에 의해 생성된 오존 가스의 분포; (ㄷ ) 은막이 경화될 때 UV 조사의 전파
그림 1c는 UV 경화 메커니즘을 보여줍니다. UV 방사선이 처리되지 않은 은 필름의 표면에 도달하면 방사선의 일부만이 필름으로 침투하여 필름의 특정 깊이에 갇힐 수 있거나 반사로 인해 필름 밖으로 빠져 나오거나 더 깊은 내부로 침투합니다. 레이어. 침투 깊이가 깊을수록 자외선이 약해집니다. 이 과정에서 방사선은 은 나노입자와 유기물에 흡수되어 열로 변환된다[19, 20]. 필름 내부에 점차적으로 열이 축적되면 온도가 상승하여 유기물이 제거됩니다. 또한 D가 감소하면 경화 깊이가 깊어지고 유기물 제거가 촉진되어 방사선이 강해집니다.
그림 2a는 D일 때 은 필름의 전기 저항에 대한 UV 경화 시간의 영향을 보여줍니다. =37cm. UV 경화 시간이 최대 360초까지 증가하면 전기 저항이 급격히 감소했습니다. 시간이 계속 증가함에 따라 약간 감소했습니다. 그림 2b는 D일 때 UV 경화 시간의 증가에 따른 은막의 원자 상대 함량 변화를 보여줍니다. =37cm. 탄소와 산소의 원자 상대 함량은 점차 감소하고 은의 원자 상대 함량은 증가하여 전기 저항이 높은 유기 물질이 점차 제거되었음을 의미합니다. 이 과정에서 경화도가 증가하고 은막의 전기저항은 낮아졌다. UV 경화 시간이 360초에서 480초로 증가했을 때 전기 저항의 약간의 감소는 D에서의 경화 정도를 나타냅니다. =37 cm는 거의 최대값에 가까웠습니다. 분명히, D에서의 자외선 복사 =37cm는 UV 경화 시간이 360초 이상일 때 더 많은 잔류 유기 물질을 제거하기에 충분히 강하지 않았습니다.
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D일 때 =37cm(a ) 저항 대 UV 경화 시간; (b ) UV 경화 시간 대 필름 요소의 원자 상대 함량
그림 3a는 UV 경화 시간이 180초일 때 은막의 전기 저항에 대한 D의 영향을 보여줍니다. D가 37cm에서 25cm로 감소하면 전기 저항이 급격히 감소했습니다. 그 후 D가 25cm에서 23cm로 감소하면 전기 저항이 증가했습니다. D가 37 cm에서 25 cm로 감소하면서 은막의 유기물이 점차 제거되어 전기저항 감소에 기여하였다.
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UV 경화 시간이 180초일 때:(a ) 저항 대 거리; (b ) 거리에 대한 필름 요소의 원자 상대 함량
그림 3b는 UV 경화 시간이 180초일 때 D의 함수로 은, 탄소 및 산소의 상대 함량 변화를 보여줍니다. Fig. 3b와 같이 D가 37 cm에서 29 cm로 감소하였을 때 탄소의 상대적 함량은 감소하고 산소의 상대적 함량은 약간 증가하였다. 동안 D 감소, 실버 필름은 더 높은 수준의 UV 방사선에 노출되어 경화 깊이가 더 깊어지고 UV 경화 및 열 발생이 더 빨라졌습니다. 그 결과, 더 많은 유기 물질이 제거되었습니다. 따라서 탄소의 상대적 함량이 D 37cm에서 29cm로 감소
D일 때 29cm에서 25cm로 감소하면 탄소의 상대 함량은 증가하고 산소의 상대 함량은 약간 감소했습니다. 이는 유기 물질이 탄화되어 전도성 탄소를 형성할 수 있음을 나타냅니다. D가 감소할 때 더 강한 UV 조사는 은막의 더 높은 온도를 유도하였다. D일 때 =27 cm인 경우 유기물의 탄화로 인해 전도성 탄소를 형성할 수 있을 정도로 온도가 높았다. 탄소는 은 나노 입자를 연결하여 전기 저항을 감소시킵니다[13]. D가 27cm에서 25cm로 감소하면 인접한 은 나노 입자 사이에 더 많은 탄소가 형성되어 전기 저항이 더 감소했습니다.
D가 25cm에서 23cm로 감소하면 탄소의 상대 함량이 급격히 감소한 반면 산소 함량은 증가했습니다. 한편, 은막의 전기저항은 감소하였다. 이 현상에 대한 두 가지 가능한 이유가 있습니다. 첫 번째는 은 나노 입자의 산화였습니다. 김성준 외. 은막에 대한 오존 가스의 반응으로 인해 은막 상에 비정질 산화은이 형성된다고 제안하였다[21]. D일 때 상대적인 산소 함량 증가 =23cm는 은막의 산화를 나타냅니다. D일 때 감소할수록 방사선의 세기가 커지고, 은막 표면 근처에서 오존 가스가 더 많이 발생하여 산화 가능성이 높아졌다. 게다가, 은 산화의 전기 저항은 5.2 × 10 −5 입니다. 순은보다 훨씬 큰 Ω m [22](1.6 × 10 −8 Ω m). 따라서 은 산화는 전기 저항을 증가시킬 수 있습니다. 두 번째는 나노입자를 연결하는 탄소를 제거하는 것이었습니다[13]. D일 때 감소하면 열 축적이 빨라지고 경화 깊이가 깊어지며 온도 상승으로 인해 필름 내부의 탄소가 제거 될 수 있습니다. 그 결과 은 입자 사이의 접촉이 나빠져 전기 저항이 증가했습니다.
그림 4는 다양한 조건에서 경화된 은막의 SEM 이미지를 보여줍니다. 상이한 조건에서 UV 경화된 은 나노입자의 분산 및 크기에서 명백한 차이는 관찰되지 않았다. 균일한 직경의 나노입자가 표면에 균일하게 분포되어 서로 밀접하게 연결되어 있어 은막의 표면이 짧은 시간 내에 완전히 경화되었음을 알 수 있다. 실버 필름의 전기 저항을 다르게 만든 것은 필름의 경화 깊이와 다양한 깊이에서의 경화 정도였습니다.
<그림> (a에서 UV 경화된 은 필름의 SEM 이미지 ) 디 =180초의 경우 37cm (b ) 디 =37cm(300초) (ㄷ ) 디 =37cm(480초) (d ) 디 =180초의 경우 29cm, (이 ) 디 =25cm(180초) (f ) 디 =25cm(480초)
그림 5는 다양한 조건에서 UV 경화된 은막의 표면 형태를 보여줍니다. D일 때 은막의 표면에 여러 개의 분산된 피크가 나타났습니다. 29~25cm로 변경되었습니다. 그러나 D =37cm. 이는 D가 감소함에 따라 경화 깊이가 증가함을 의미합니다. . 잉크젯으로 인쇄한 은막의 모든 유기용제를 제거하기에는 경화 깊이가 너무 얕았을 때 표면에 가까운 유기물만 제거되어 표면 형태에 거의 영향을 미치지 않았다. 그러나 경화 깊이가 깊을 때 깊은 깊이의 유기 물질은 제거할 필름의 얕은 층을 깨뜨려 작은 피크가 나타나게 했습니다. 따라서 이 현상은 D 은 필름의 전기 저항에 영향을 줍니다.
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다양한 UV 경화 조건에서 은 필름의 3D 표면 형태
위의 결과에 따르면 전기 저항은 UV 경화 시간이 360초까지 증가함에 따라 감소하고, UV 경화 시간이 360초 초과일 때 약간 감소했습니다. 또한 전기 저항도 D가 37cm에서 25cm로 감소할 때 감소했지만 D일 때 증가했습니다. 25cm보다 작았습니다. 따라서 은 필름은 다른 D에서 UV 경화되었습니다. 최적의 UV 경화 조건을 찾기 위해 서로 다른 UV 경화 시간에 대해 37~25cm 범위입니다.
그림 6a는 다양한 UV 경화 조건에서 은 필름의 전기 저항을 보여줍니다. 그림 6a와 같이 특정 D에서 UV 경화 시간이 증가함에 따라 전기 저항이 감소했습니다. 또한 D의 감소와 함께 감소했습니다. 특정 UV 경화 시간에서, 이는 각각 그림 2a 및 그림 3a와 일치했습니다. 우리는 경화 깊이가 D에 의해 영향을 받는다고 믿었습니다. 경화 정도는 UV 경화 시간과 D 모두에 영향을 받습니다. 그림 5 및 그림 6a의 결과에 따르면 이에 따라 전기저항이 낮은 은 게이트 전극(6.69 × 10 −8 Ω m) D에서 UV 경화 =480초의 경우 25cm 또한 Fig. 6b와 같이 Tape test 후 은막의 일부만 벗겨져 ASTM 국제규격에서 4B의 우수한 접착력을 보였다.
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아 다양한 UV 경화 조건에서 경화된 은 필름의 전기 저항에 대한 3D 이미지. ㄴ 테이프 테스트 후 유리에 UV 경화된 은 필름의 사진
UV 경화법과 비교하여 열경화법을 적용하여 은막을 다른 온도에서 처리하였다. 그림 7과 같이 전기저항은 온도가 상승함에 따라 감소하였으나 120°C 이상 이후에는 전기저항이 3.68×10 −8 Ω 으로 거의 그대로 유지되었다. 저녁> 중. 그림 8과 같이 나노입자의 평균 크기는 온도가 증가함에 따라 점차 커집니다. 온도가 100°C에 도달하면 많은 나노 입자가 더 큰 입자로 병합되기 시작하고 온도가 140°C에 도달하면 함께 합체됩니다. 도 4 내지 도 8을 비교하면, 열처리된 은 필름의 나노입자는 UV 경화된 은 필름만큼 균일하지 않았다. D에서 UV 경화된 필름의 전기 저항 =25cm(480초)는 120°C에서 열처리된 필름의 약 2배에 불과했습니다. 우리는 또한 그림 5와 그림 9를 비교하여 UV 경화 필름이 열처리 필름보다 훨씬 더 매끄럽다는 것을 알 수 있었습니다. 또한 UV 경화 필름의 은 나노 입자는 더 큰 입자로 병합되지 않았고 응집도 거의 없었습니다. 은나노입자의 열경화 온도보다 UV경화온도가 낮음을 알 수 있었다. 또한, UV 경화 방식은 시간이 덜 소요됩니다. 그래서 우리는 UV 경화 방식으로 저온에서 전기 저항이 낮은 은 게이트 전극을 제작하는 것이 가능하다고 믿었습니다.
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. 30분 동안 다른 온도에서 열처리된 은막의 비저항
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30분 동안 서로 다른 온도에서 열처리된 은 필름의 SEM 이미지:(a ) 25°C (b ) 100°C (ㄷ ) 140°C
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(a에서 열처리된 은 필름의 3D 표면 형태 ) 25°C, (b ) 100°C 및 (c ) 140°C
이 작업에서는 전기 저항이 6.69 × 10 −8 인 잉크젯 인쇄 실버 게이트 전극을 준비했습니다. D에서 UV 복사에 의한 Ω m =480초의 경우 25cm UV 경화 시간 및 D의 영향 은 나노 입자 필름의 전기 저항에 대한 연구가 체계적으로 조사되었습니다. UV 경화 시간이 증가하거나 D 유기 물질의 효율적인 제거로 인해 감소합니다. 하지만 D 25cm보다 작으면 은의 산화 가능성이나 UV 경화 중에 생성된 전도성 탄소의 제거 가능성으로 인해 전기 저항이 증가했습니다. 열 경화에 의해 경화된 은 필름과 비교하여 UV 경화된 은 필름의 질감은 열처리된 은 필름보다 부드럽습니다. 또한, UV 경화는 시간이 덜 소요되었습니다. UV 방사선은 UV 경화 방법에 의해 전기 저항이 낮은 은 나노입자 게이트 전극을 제조하는 시간을 절약하고 효율적인 접근 방식을 제공합니다.
나노물질
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