详解电流体动力喷墨打印技术
基本技术
柔性印刷电子器件性能强烈依赖于材料、线宽、以及工艺控制，实现高分辨率、高性能功能微纳结构的大面积、低成本、快速制造已经为柔性印刷电子产业化发展的基础性问题。与传统压电、热气泡等“挤”模式喷墨打印工艺不同，电流体喷墨打印（Electrohydrodynamic printing，EHD printing）借助高压电场以“拉”的方式将射流从弯月面顶部拉出，在基底上沉积形成图案，如图所示。溶液在高压电场作用下场致流变形成泰勒锥，进而形成直径远小于喷嘴内径的微纳米射流，沉积到基板上形成微纳图案/结构。相较于传统喷墨打印，电流体喷印具有分辨率高（<1μm）、适用粘度范围广（1~10000cP）、多功能（电点喷、电纺丝、电喷雾）等独特优势，是一种更为精细的喷印技术。
图: 电流体喷印与传统喷印工艺原理比较
图: 电流体喷印技术优势
电流体喷印工艺中，针对不同墨水进行相应的工艺参数调整，可实现电点喷、电纺丝和电喷雾三种喷印方式，分别用于制备点、线/纤维和薄膜。电点喷工艺一般采用低脉冲电压、较小的喷距（喷嘴端部距离基板表面≤1mm），适用低粘度的墨水（≤100cPs，如纳米金属类墨水、小分子墨水等），目前已经实现了~50nm直径的液滴。电纺丝和电雾化均采用直流电压，产生连续的射流，喷距一般在5mm以上。电纺丝适用较高粘度墨水（≥100cPs，如聚合物类墨水）和较高的打印速度，线宽分辨率最低至50nm。电喷雾一般适用低粘度小分子墨水（≤100cPs，如醇溶剂类墨水等），电喷雾薄膜厚度可以至纳米级。
图3-14: 电流体喷印功能模式
最新发展
电流体喷印工艺作为一种新型微纳级喷墨打印工艺近年来技术更迭很快，发展迅速，主要体现在以下几个方面。
（1）
电纺丝精确定位打印技术：传统的静电纺丝工艺由于喷距较大，定位难度很大，打印图案精确性很难控制。近年来，近场电纺丝通过减少喷距和喷嘴直径控制射流鞭动效应，可实现微纳纤维直写。在此基础上提出的力控电纺丝，施加基板牵引力作用，提高了喷嘴与基板间距，避免了近场电纺丝由于喷距小而导致的电击穿问题，有效解决了电纺丝直写可控性和定位性问题。
（2）
电流体多功能打印技术：电点喷和电雾化打印模式大大拓展了以传统静电纺丝为主要工艺的电流体喷印技术。电点喷可以做到像传统喷墨打印技术一样的按需点喷，并且可以打印出fL级液滴，具有高分辨率、兼容高粘度墨水的优势，在高密度显示器件、微纳光学结构等领域具有很大的应用前景。电雾化直接沉积薄膜目前也得到了学界和业界的关注，在薄膜太阳能电池、电容器件、压电传感器等领域都有具体应用。
（3）
电喷头阵列技术：目前，独立可控的电喷头阵列还处于实验室阶段。电流体喷印引入了高压电场，较传统喷印技术，驱动墨滴形成从低电压变成高电压。电喷头阵列，需要重点解决邻近电场串扰导致的液滴飞行紊乱问题，如高压电场电极的布局、散热、以及喷头状态监测等都与传统喷印技术有很大区别。目前电喷头阵列依然是制约电流体喷印技术应用关键瓶颈。预计未来3-5年内会有成熟电喷头阵列产品。
（4）
电流体3D喷印技术：未来电子器件将以更为复杂3D结构形式呈现，以适应自然状态。电流体3D打印技术是利用电点喷和电纺丝为主的3D增材制造技术，相较于传统曲面喷印制造，兼具曲面打印高分辨率和材料广泛粘度范围优势，已经应用在生物电子器件、微针结构、3D电子结构等领域。与3D结构喷印不同，3D曲面打印是在曲面结构直接打印电子电路的喷印制造技术，电流体喷印技术是一种更为精细的3D曲面打印技术，越来越受到关注，业已应用在曲面共形电子制造等领域。
应用领域
电流体喷印具有许多独特的优势，打印分辨率受喷嘴物理直径的影响较小，可采用较粗的喷嘴（避免堵塞）实现亚微米的分辨率，材料兼容1-10000cPs的墨水，适应于光电显示、光学、传感、材料、生物、医药、化工等多个领域的科研和工业应用。电流体喷印在柔性印刷电子制造中应用前景广阔，如电点喷、电纺丝、电喷雾分别用于制备柔性印刷电子的电极、器件互联层、薄膜层等（图3-15）。电点喷和电纺丝分别能用来制备电子器件图案化所必须的点和线结构。电点喷较传统喷墨打印，分辨率更高，可打印fL级液滴，可以用于制备高密度像素点、亚微米级直径的量子点发光器件、微纳级光学微透镜、小沟道OTFT、高灵敏度压电传感器等。可控且精确定位的电纺丝可应用于制备软光刻掩膜版、压电传感器、晶体图案化生长基、表皮电子等。电喷雾只能用于制备薄膜，很难实现功能材料的图案化，但制备薄膜层可至纳米级，可用于电子功能器件的层结构大面积高效制备，如超级电容薄膜器件、OPV功能层、有机封装层等。
图3-15: 电流体喷印技术在显示、电子、传感等领域的应用应用
（a）量子点；（b）像素点（c）可拉伸320%的电子器件；（d）电容薄膜器件；（e）温度传感器
（f）短沟道有机晶体管；（g）透明导电膜；（h）3D生物器件。
