紐約州立大學機械工程系T.J.Singler教授團隊使用MicroFab的噴墨技術將PDA-NP油墨打印至PET基材上形成具有可控線間距的超細聚多巴胺（PDA）納米顆粒線陣列（NPLA），隨后進行ELP工藝將NPLA轉化為導電銀微線陣列（SMWA）。形成的SMWA具有4.7μm的最小單線寬度，可控間距尺寸范圍為77至380μm，展示了基于SMWA的電容式觸摸傳感器，為透明觸摸傳感提供了潛在應用。

介紹

噴墨打印為實現(xiàn)具有成本效益、環(huán)境友好和可擴展的打印電子產品提供了一種很有前途的方法，因此在柔性、可拉伸、和混合電子應用方面具有巨大潛力，但其分辨率較低（典型特征尺寸范圍為35至100μm），在先進精密微電子應用中的進一步發(fā)展受阻。為了克服特征尺寸的限制，已經進行了各種實驗研究。紐約州立大學機械工程系T.J.Singler教授則是選擇將噴墨打印與ELP技術結合，利用MicroFab的噴墨技術將PDA-NP油墨可控的打印至PET基材上，NPLA的間距大小和單線寬度分別為244和11.4μm，如圖一b所示。當θa為7.8°時，實現(xiàn)的最大間距尺寸約為380μm，當θa為53°時，最小間距尺寸為約77μm，如圖1e所示，對于相同的墨水濃度，可以清楚地觀察到單線寬度對θa的依賴性。

▲ 圖1 a）O2等離子體處理后光學顯微照片；b）PDA-NPLA的光學顯微照片c）PET的表面潤濕性表征；d）PET基底的表面潤濕性與打印NPLA間距尺寸之間的相關性；e）具有變化θa的特征的單線寬度。

通過ELP工藝可以將打印的的PDA NPLA轉化為導電SMWA，圖2顯示了使用三種不同PDA-NP油墨濃度（分別為0.125、0.25和0.5 wt%）制造的SMWA的薄層電阻值。對于固定的PDA NPLA尺寸，SMWA薄層電阻隨著ELP時間的增加而降低，因為ELP時間越長，形成越致密、越厚的銀層。生成的SMWA的薄層電阻可以與氧化銦錫（ITO）膜的薄層電阻相當，甚至更低（圖2a–c中的水平紅線），研究可知，通過調整PDA-NP油墨濃度、ELP時間和SMWA間距大小，實現(xiàn)了低的薄層電阻值。在相同的ELP時間（15、30或60分鐘）下，與具有較大（383μm）或較?。?53、89和79μm）間距的SMWA相比，具有249μm間距的SMWAs表現(xiàn)出最低的薄層電阻。（圖2d–f），通過使用0.125、0.25和0.5 wt%PDA-NP油墨制造的SMWA的OM圖像，如圖2h-j所示，視野中清晰地顯示出均勻間隔且連續(xù)的銀色線條。

▲ 圖2 三種不同PDA-NP油墨濃度（分別為0.125、0.25和0.5 wt%）制造的SMWA的薄層電阻值。

嚴謹進一步探索了NP線增長的理論模型，超細PDA-NP線在印刷液體圖案的接觸線上的自組裝如圖3a–c所示，NP向接觸線的優(yōu)先遷移是由于類似于“咖啡污漬”現(xiàn)象的流體動力學效應。圖3d–e分別顯示了在具有不同表面潤濕性的基底上印刷液線的接觸線附近測得的平均CA和對流通量。

▲ 圖3 NP線增長的理論模型研究表征。

為了探索其在觸摸傳感器中的應用，該研究團隊進行了傳感器組裝，如圖4a所示，制造的電容式觸摸傳感器的電氣和機械性能（如圖4b-d所示。傳感器使用間距尺寸在240至250μm之間的SMWA和顆粒濃度為0.125、0.25和0.5 wt%的PDA-NP油墨制備。在相同的ELP時間（0.125<0.25<0.5 wt%）下，使用更濃的墨水制造的傳感器觀察到更大的電容值，被人的手指觸摸后，電容會減少（圖4c），對于0.125和0.25wt%的油墨組，在長達20000次的連續(xù)彎曲循環(huán)后產生了最大10%的電容損失，表明其是一種有前途的耐疲勞柔性觸摸傳感器。

▲ 圖4 a）電容式觸摸傳感器結構示意圖；b）未接觸傳感器的電容測量值作為ELP時間的函數(shù)；c）觸摸傳感器的電容和變化；d）觸摸傳感器的循環(huán)彎曲結果；e–h）通過觸摸相應的電容傳感器打開兩個（e–f）和三個（g–h）獨立LED的演示。

結論

通過PDA-NPLA的噴墨打印制備和ELP工藝可控地制造導電SMWA結構，所制備的SMWA具有77至380μm的可調間距尺寸，由最小寬度為4.7μm的高分辨率單線圖案組成，實現(xiàn)了一種基于SMWA的透明電容式觸摸傳感器，具有強大的機械柔性。研究探索的結構在不使用ITO的情況下實現(xiàn)了透明觸摸傳感器的制備，具有成本效益高、環(huán)境友好的特點，這一工藝將在未來適用于柔性觸敏設備的可持續(xù)制造。

參考文獻：

[1] Liu L , Pei Y , Ma S , et al. Inkjet Printing Controllable Polydopamine Nanoparticle Line Array for Transparent and Flexible Touch-Sensing Application[J]. Advanced Engineering Materials, 2020:1901351.