MỞ ĐẦU Trong ngành công nghiệp điện tử, việc chế tạo các đường dây dẫn điện là rất cần thiết. Theo phương pháp truyền thống, quá trình mạ điện và ăn mòn bằng công nghệ quang khắc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất mạch điện. Tuy nhiên, phương pháp này không chỉ tiêu hao nhiều vật liệu mà còn rất phức tạp bởi vì có nhiều bước được yêu cầu để tạo nên một lớp mạch.Không những thế, các quá trình ăn mòn và mạ điện truyền thống cũng tạo ra một lượng lớn nước thảy gây ô nhiễm môi trường. Vì những lý do này, việc phát triển các công nghệ gia công nhanh và thuận tiện để tạo được các đường dây dẫn điện đã thu hút nhiều nghiên cứu trong những năm gần đây.
Một trong những hứa hẹn có hiệu quả nhất đó là công nghệ in phun, theo công nghệ này thì các đường dây dẫn điện có thể được in các trên vật liệu đế chỉ qua một bước. Có hai thành phần quan trọng của công nghệ in phun đó là: một là hệ thống cơ học, có nghĩa là máy in; hai là vật liệu dẫn điện, có nghĩa là mực in. Công nghệ in phun được sử dụng thành công trong một thập kỷ qua cho nhiều ứng dụng mới như: các diot hữu cơ phát sáng (OLED), các transistor và các mạch tích hợp, các thiết bị polymer dẫn điện, các polymer cấu trúc, và các chuổi phân tử sinh học. Công nghệ in phun mang lại một số thuận lợi so với các phương pháp quang khắc truyền thống[5]như: Không sử dụng mặt nạ trong chế tạo các đường dây dẫn; Có thể áp dụng dễ dàng trên các đế có diện tích lớn; Các vật liệu được sử dụng có hiệu quả; Tốn ít thời gian thực hiện khi tạo ra các mạch điện.
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 7 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Trong nghiên cứu về mực in dẫn điện, có một vài loại vật liệu được nghiên cứu như kim loại nóng chảy, polymer dẫn điện, và dung dịch các hạt nano kim loại. Trong số những loại vật liệu này thì trong những năm gần đây dung dịch các hạt nano kim loại đã thu hút các nhà nghiên c ứu nhiều nhất bởi vì nó có thể được in trực tiếp tại nhiệt độ phòng khi so với kim loại nóng chảy và cũng có độ dẫn điện tốt hơn khi so với các loại polymer. Từ những vấn đề phân tích trên, việc nghiên cứu tổng hợp mực in nano Ag sử dụng trong công nghệ in phun để in mạch điện tử tại Khoa In & Truyền thông, Trường ĐHSPKT Tp. HCM là rất cần thiết.
Do giới hạn về cơ sở vật chất, kinh phí và thời gian thực hiện đề tài nên mục tiêu đề tài của chúng tôi bao gồm: Khảo sát các điều kiện tối ưu để tổng hợp mực in nano Ag. Tối ưu các thông số (độ dẫn điện, độ nhớt) của mực in nano Ag. Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 8 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỰC IN DẪN ĐIỆN 1.
Tổng quan về mực in dẫn điện Hiện nay, các vật liệu dẫn điện sử dụng trong công nghệ in kỹ thuật số đã thu hút nhiều nghiên cứu ở các trường đại học và viện nghiên cứu. Số lượng các bài báo nghiên cứu trong lĩnh vực hữu cơ điện tử và in điện tử (printed electronic) ngày càng nhiều.Nghiên cứu và phát triển in điện tử nhằm tạo ra các lớp dẫn điện trên các loại đế khác nhau bằng các công nghệ in sẵn có. Mực in phun dẫn điện được ứng dụng để in các mạch điện trên các loại đế khác nhau nhằm ứng dụng trong các thiết bị điện tử.Các đường mạch được in ra có thể có kích thước milimet, micromet, thậm chí dưới micronmet.Hiện tại, chế tạo dây dẫn bằng các phương pháp truyền thống không tiết kiệm được nguyên vật liệu, tạo ra một lượng chất thải hóa học gây ô nhiễm. Hơn nữa, các phương pháp lắng đọng kim loại truyền thống phải trãi qua nhiều bước thực hiện, mất nhiều thời gian.1 là một sản phẩm mực nano Ag thương mại và một vài thông số đặc trưng.
Một vài thông số đặc trưng của mực in nano Ag thương mại Kích thước hạt 2 – 10 nm Nồng độ Ag 10 – 30 % Nhiệt độ gia công 70 – 150 o C Độ nhớt 1 – 10 cps Điện trở mặt 1 mΩ/sq/mil Điện trở suất 2. Mực nano Ag thương mại và một vài thông số đặc trưng Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 9 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Thị trường cho in điện tử bao gồm các vật liệu hữu cơ, vô cơ và composite được ước tính khoảng 1,2 tỷ USD vào năm 2007, và mong muốn phát triển đến mức 48,2 tỷ USD vào năm 2017[10]. Mực in dẫn điện được sử dụng gần đây chiếm tới 83% (năm 2007) thị trường in điện tử. Mực in dẫn điện dạng màng có độ dày và dạng bột nhão thường được sử dụng trong in các bản mạch và các cảm biến sinh học y tế (như các cảm biến đường gluco sử dụng một lần cho các bệnh nhân tiểu đường).
Sự phát triển của ngành công nghiệp pin mặt trời là thị trường phát triển lớn nhất cho in điện tử, và kỳ vọng đạt được 400 triệu USD năm 2010 và hơn 6 tỷ USD năm 2015[10]. Hầu hết các dạng pin mặt trời thương mại yêu cầu in các phần tử dẫn điện cho các điện cực. Trong tương lai, các vật liệu bán dẫn được lắng đọng bằng phương pháp in phun sẽ được ứng dụng trong các cấu trúc pin mặt trời dạng tấm dẻo. Thị trường phát triển lớn thứ hai của in điện tử đó là các diode phát sáng hữu cơ (OLED – organic light emitting diode).
Một vài ứng dụng của mực in phun nano Ag trong in mạch điện tử Một công nghệ khác sử dụng mực in dẫn điện đó là thị trường sản xuất màn hình. Mực in phun có thể được sử dụng cho cả các màn hình dạng dẻo và dạng cứng như màn hình điện huỳnh quang, màn hình điện di (bao gồm giấy điện tử), màn hình tinh thể lỏng (LCD), tấm màn hình plasma (PDP) và các màn hình cảm ứng. Mực in Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 10 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 phun dẫn điện cũng thích hợp để sử dụng cho các transistor màng mỏng (TFT), các lo ại pin sử dụng một lần, các đuôi xác định bằng tần số vô tuyến (RFID) và các c ảm biến điện tử. Bảng 1 trình bày tóm tắt các ứng dụng cụ thể của mực in phun dẫn điện trong ngành in điện tử.
Quang khắc được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp in bo mạch để sản xuất mạch điện tử. Tuy nhiên, phương pháp này liên quan tới nhiều bước, bao gồm ăn mòn, tạo mặt nạ che phủ, mạ điện,… nên tốn nhiều thời gian, tốn lao động, chi phí đắt. Dung môi được sử dụng trong quá trình ăn mòn có tính chất mài mòn nên việc lựa chọn vật liệu đế cũng bị giới hạn. Tuy nhiên, quá trình quang khắc tạo ra một lượng lớn các chất thải độc hại gây ô nhiễm môi trường.
Các công nghệ lắng đọng kim loại để sản xuất các bộ phận mạch điện yêu cầu phải được thực hiện trong môi trường chân không. Những phương pháp này yêu cầu chi phí mua trang thiết bị ban đầu rất cao như các mặt nạ, các thiết bị chân không. Quá trình in các vật liệu dẫn điện (hình 1.3), đặc biệt là các phương pháp in lưới và in kỹ thuật số như in phun tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất, thời gian sản xuất, công lao động, chi phí mua các trang thiết bị ban đầu, giảm các chất thải ô nhiễm. Hơn nữa, in phun kỹ thuật số là một quá trình phụ trợ để lắng đọng các vật liệu khi cần thiết, vì thế có thể giảm đáng kể một lượng chất thải ô nhiễm.
Các bước chính của công nghệ in phun nhằm tạo ra các sản phẩm điện tử đơn giản Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 11 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Bảng 1.1 so sánh các thuận lợi của các quá trình quang khắc, lắng đọng chân không, và các công nghệ in điện tử. Mặc dù quá trình quang khắc tạo được các chi tiết có độ phân giải cao hơn mà các phương pháp in khác chưa đạt được, nhưng độ phân giải của lắng đọng in phun sẽ được cải thiện và tiến tới thang dưới micro chỉ khi kết hợp với các phương pháp khác như các xử lý bề mặt vật liệu đế.So sánh các phương pháp quang khắc, lắng đọng chân không và in điện tử trong chế tạo mạch điện tử Quang khắc Lắng đọng chân In điện tử không Loại quy trình Chi phí Cao Trung bình Thấp Tốc độ Cao Thấp Khác nhau tùy thuộc vào công nghệ Các yếu tố kèm Nhiệt độ cao, các Nhiệt độ cao Nhiệt độ thấp theo hóa chất thô Môi trƣờng Lượng chất thải độc Lượng chất thải độc Lượng chất thải độc hại ra môi trường hại ra môi trường hại thấp cao trung bình Độ phân giải Rất cao Thấp Thấp như cải thiện được Phù hợp cho các Không Không Phù hợp thiết bị điện tử mềm dẻo chi phí thấp Giai đoạn phát Sẵn có và có thể Sử dụng rộng rãi Công nghệ mới bắt triển hiện tại tiến tới giới hạn có trong các lớp phủ đầu, in được các thể. và ngành công màng mực mỏng nghiệp điện tử. bằng phương pháp Nhiều khuynh in lưới.
hướng mới xuất hiện. Các sản phẩm kèm Các thành phần bộ OLED, các lớp phủ Chắn EMI, ăng ten theo xử lý VLSI, thẻ RFID, tụ điện, pin nhớ. mặt trời, các tấm nối mềm dẻo… Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thành Phương 12 Luan van Đề tài NCKH cấp trường, năm 2013 Bảng 1.Các ứng dụng của mực in phun dẫn điện trong in mạch điện tử Ứng dụng Công nghệ Màn hình và bảng nối đa Indium Tin Oxide (ITO) Hiện tại, Ag không được sử năng dụng rông rãi trong những ứng dụng này, ngoại trừ in các ô lưới cho các màn hình PDP. Mực in Ag có tiềm năng lớn cho các công nghệ màn hình như OLED, màn hình điện di.
Pin mặt trời Màng mực Ag Hiện tại được sử dụng để in các ô lưới trên pin c-Si và một vài loại pin CIGS. Đuôi RFID Bán dẫn hữu cơ, màng mực Màng mực Ag được sử Ag. dụng cho in các ănten, các chất hữu cơ sử dụng trong các transistor màng mỏng. In các cảm biến Chất bán dẫn hữu cơ, mực Chưa phát triển in gốc Cacbon In bộ nhớ Chưa phát triển In các bo mạch Các dây nối Thẻ thông minh Các chất bán dẫn hữu cơ Chưa phát triển Bảng 1.