噴印技術之近況發展與商品化案例(二)

 

刊登日期:2008/6/23
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所謂噴印工業技術係將墨水(材料)微滴化,然後直接吹附到媒體上的印刷方式。事實上,噴印工業技術是一種融合了墨水、噴印頭、設備、描繪(印刷)方法、乾燥、燒結、表面處理等重要技術而成。換言之,噴印工業技術是一種複合技術,除了墨水與噴印頭之外,還包括Dot 配列、順序等Know-how蓄積的描繪方法,以及與被印刷的媒體-基板之親水性、撥水性的表面處理、對應墨水種類不同而不同之乾燥、燒結技術等都是重要技術。

利用Micro Contact Print印製主動矩陣型電子紙可撓有機TFT陣列
日本產業技術總合研究所於2008年6月發表,開發利用印刷技術製作主動矩陣型電子紙用6吋可撓有機TFT陣列(如圖九)。印刷技術使用已形成微細圖案模具的「Micro Contact Print」,其印刷概念如圖十所示,在塑膠基板上製作閘極、閘極絕緣膜、有機半導體膜、源極/汲極的所有TFT工程。採用Micro Contact Print的最大理由是可提高有機TFT的驅動能力。印刷塗佈有機半導體材料採用3-Hexylthiophene,載子移動度為10-3(低),可形成Chennel長2μm程度的TFT。計劃於2010年試作A4大小的主動矩陣型電子紙,2015年商品化。

Micro Contact Print法,首先在已製作圖案的矽橡膠模具上塗佈墨水,如同蓋印章般在基板表面依序蓋上,其印製順序是閘極、閘極絕緣膜、有機半導體膜、源極/汲極、保護膜,由不同模具的5層圖案形成有機TFT。有機TFT構造採用Top Contact型,各層厚度200nm程度,碰到Bus配線部分的電阻會下降,因此厚度增為600nm程度。此外,電極印刷使用奈米級Ag微粒子分散Ink。

圖九、產總研試作有機TFT放大照片,為100ppi的試作例
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080609/153028/
圖九、產總研試作有機TFT放大照片,為100ppi的試作例

圖十、Micro Contact Print」法的概念
http://techon.nikkeibp.co.jp/article/NEWS/20080609/153028/
圖十、Micro Contact Print」法的概念

利用Roll to Roll量產有機薄膜太陽電池
在各項太陽電池新技術開發中,採用有機材料的太陽電池進展顯著。所謂有機太陽電池是相對於矽製無機電池的說法,這是一項以環保為前提的技術開發。有機薄膜太陽電池的最大吸引力在於可以有色系的選擇性,以及可利用捲軸式(Roll to Roll)印刷技術帶來的低成本。在轉換效率、耐久性逐漸可以與既有太陽電池相抗衡的最近終於開始邁向量產。一些家電廠(如Sony)、機器廠也開始加入太陽電池產業的競爭。色素增感太陽電池係利用色素吸收光,放出電子的基本原理發電,其基本構造係利用玻璃或塑膠基板夾住附著有機色素之氧化鈦與電解質,顏色與形狀的自由度高。

日本對色素增感太陽電池元件之開發
Vexcel Technologies、藤森工業、昭和電工於2008年2月27日發表,利用高速、低成本的印刷方式,成功製作大面積塑膠基板色素增感太陽電池模組,其關鍵技術包括用來取代氧化銦(ITO)之Metal Micro Grid結構之透明導電膜,以及開發以奈米結晶構造氧化鈦為主原料之特殊膏(Pest),結果開發寬0.8m、長2.1m、厚度0.5mm,實現世界最大尺寸且最輕量(1平方公尺重800g)的太陽電池模組。由昭和電工提供氧化鈦粒子,Vexcel Technologies、藤森工業預定2009年度中開始試供與量產。發電層由可吸收光放出電子的色素—氧化鈦與導電性高分子形成,其結構使用電流容易通過的透明導電膜夾住發電層的三層構造,結果使光電轉效率為過去的1.5倍,達6%。

Sharp、Aisin精機開發中的色素增感太陽電池,使用的是玻璃基板,與Vexcel新開發採用塑膠基板的產品作比較,後者的厚度為前者的1/5,重量在1/10以下,還有易彎曲不易被破壞的好處。大日本印刷試作的色素增感太陽電池,為寬1公分並排的短珊型太陽電池方式,因空隙多有轉換效率低(在一半以下)的問題。

三菱化學於2008年5月19日發表,該公司於2008年的現在開始加入有機薄膜太陽電池研發的行列,預定在2010年左右發表有機太陽電池原型,其轉換效率目標值為7%,當然採用捲軸式印刷,長度3米,2015年量產。量產時的轉換效率15%,將來改採奈米材料等時應可改善至20%左右。

美國Konarka Technologies利用噴印量產色素增感太陽電池
美國Konarka Technologies於2008年3月4日舉辦利用非常低廉成本的噴墨法製造的有機太陽電池產品示範表演。本電池的最大特色是非常輕量柔軟、透明,可以張貼在玻璃窗或編織到纖維中,作成帳幕或衣服來利用(如圖十三所示)。不過其能源轉換效率只有5%左右(矽太陽電池為15~20%),耐久性也不如矽太陽電池,所以無法與建築結合。

圖十三、將有機太陽電池編織到纖維中的利用方式
圖十三、將有機太陽電池編織到纖維中的利用方式

MEMS噴印技術製造太陽電池
美國Colorado 州立大學化學系利用承載MEMS噴印頭之噴印技術,開發出金屬氧化物矽太陽電池材料之最適化配合比。在噴印吐出液滴時,徐徐改變Al,Co,Fe等基材之配合比作出試片,可在短時間內進行評估。評估方式採用美國Fuji Film Dimatix製噴墨印表機「DMP-2800」。在透明電極上用噴墨法印刷金屬氧化物。已可以對各噴嘴施加電壓的波形、吐出週期進行控制,以達正確控制吐出液滴分量的目的。改變滴下密度或進行多層化實現金屬氧化膜材料的配合,特別在材料價格高昂時,減少浪費最受好評。

Ink材料之開發
噴墨印刷用光硬化性Ink
Chisso於2007年9月發表開發噴墨印刷用光硬化性Ink。固體濃度100%,還可因應用途賦予難燃性、表面撥水性、耐熱性、耐蝕刻姓、透明性、著色等機能。期待應用於取代電路零件製造時使用的光阻,或液晶面板之Dot Spacer、OLED面板底材等。

導電性Ink
美國PChem Association開發導電性Ink,由DOWA Electronics取得日本與亞洲地區的專屬販賣權。Pchem開發的導電性Ink,可以在紙上或樹脂上利用高速印刷形成電路,因此在美國正在進行應用於RFID(電子標籤)、電子票(Ticket)的驗證,加上可以大面積印刷,正在檢討應用於電磁波屏蔽材以及大面積太陽能面板。 

作者:材料世界網編輯室
★本文節錄自「材料最前線」專欄,更多資料請見下方附檔。


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