Автореферат (Электропроводящие композиции и процессы их нанесения на полимерные пленки полиграфическим способом)

На правах рукописи

МАКСИМОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ КОМПОЗИЦИИ И ПРОЦЕССЫ ИХ НАНЕСЕНИЯ НА ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ

ПОЛИГРАФИЧЕСКИМ СПОСОБОМ

Специальность 05.02.13 – Машины, агрегаты и процессы

(печатные средства информации)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии и управление» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова» (МГУП имени Ивана Федорова)

Защита диссертации состоится «18 » июня 2013 г. в 14⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.147.01 при Московском государственном университете печати имени Ивана Федорова по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета печати имени Ивана Федорова.

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.147.01

доктор технических наук, профессор Е.Д. Климова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

Процесс печати развивался на протяжении многих столетий, начиная с изобретения печатного станка Иоганном Гутенбергом в 15 веке. Однако лишь в последние несколько десятилетий технический и технологический прогресс позволяет использовать этот процесс не только для выпуска газет, книг, журналов, но и для изготовления высокотехнологичных электронных компонентов. Благодаря этому сформировалось новое направление – «печатная электроника». Согласно анализу мирового рынка, проведенному компанией IDTechEx (Великобритания), объем рынка «печатной электроники» к 2018 году составит 35 миллиардов долларов.

Создание «печатной электроники» определяется как процесс формирования электронных приборов с помощью методов крепления и соединения их элементов на гибких основах, таких как бумага, пластик или ткань. В последнее время интенсивное развитие получает печать с использованием в качестве запечатываемого материала полимерных пленок. Это, в первую очередь, связано с бурным развитием индустрии по выпуску товаров в красочной упаковке из полимерных материалов. Кроме того, интерес к печати на полимерных пленках значительно возрастает в связи с внедрением новых технологических процессов изготовления электронных микросхем полиграфическими методами. Наиболее важные достоинства схем, изготовленных таким образом – низкая себестоимость, экологичность, энергоэффективность, гибкий и малогабаритный форм-фактор, технологичность при крупносерийном производстве. Особенности «печатной электроники» также позволяют быстро и экономично интегрировать ее с уже производящимися образцами без применения специальных методов сборки. Используя полиграфические технологии, можно создавать не только отдельные компоненты, но и полнофункциональные устройства.

При разработке новых технологий, связанных с печатью на полимерных пленках, требуется определить граничные условия применения их в различных полиграфических процессах.

В отличие от традиционного запечатываемого материала – бумаги, полимерные пленки обладают особенностями физико-механических и поверхностных свойств, которые будут оказывать значительное влияние, как на качество печати, так и на прохождение пленки по лентопротяжному тракту полиграфического оборудования.

В связи с этим, разработка технологических процессов печати электронных схем полиграфическим способом является весьма актуальной.

Цель диссертационной работы.

Цель диссертационной работы заключается в разработке научно обоснованных электропроводящих композиций и процессов их нанесения на гибкие полимерные материалы. В соответствии с проведенным анализом научной и патентной литературы в исследуемой области были определены основные задачи диссертационной работы:

• разработка рецептуры электропроводящих композиций, а также технологических приемов повышения электропроводности композиции после ее нанесения на полимерную пленку;

• изучение влияния свойств электропроводящих композиций, наносимых полиграфическим способом, на адгезионные и электропроводящие свойства;

• разработка технологических параметров процесса обработки поверхности полимерной пленки, предназначенной для нанесения электропроводящих композиций полиграфическим способом;

• разработка рекомендаций в части состава печатного оборудова-ния для нанесения электропроводящих композиций струйным и флексографским методами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показано, что в процессе нанесения серебросодержащих электропроводящих композиций электропроводность может быть увеличена более чем на 4 порядка путем плазмохимической обработки поверхности изделия в среде аргона, при этом установлен факт удаления с поверхности пленкообразующих веществ.

2. Экспериментально установлено, что плазмохимическое травление поверхности пленок с нанесенной серебросодержащей композицией в среде кислорода приводит к удалению пленкообразующего, но при этом не происходит возрастания электропроводности вследствие окисления наночастиц серебра.

Решенная научная задача

Разработана рецептура электропроводящих композиций и процессы их нанесения на гибкую полимерную подложку полиграфическими методами, что создает технологическую основу организации отечественного производства печатной электроники.

Практическая ценность состоит в получении научных результатов, позволивших сформулировать требования к основным стадиям процесса нанесения электропроводящих композиций на полимерную пленку полиграфическим способом. Сформулированы требования к полимерной подложке, используемой для нанесения электропроводящих композиций полиграфическим способом. В частности, экспериментально обоснованы технологические режимы обработки поверхности плазменно-химическим методом в среде аргона или кислорода. При этом также обоснованы режимы плазмохимической обработки поверхности полимерных пленок с нанесенным слоем, содержащим наночастицы серебра, что позволило значительно повысить электропроводность.

Разработанные элементы технологии нанесения электропрово-дящих композиций полиграфическим способом могут быть использованы в качестве модели для организации промышленного выпуска печатной электроники.

Предложена структурно-технологическая схема для печати струйным и флексографским способами электропроводящих композиций, содержащих наночастицы серебра, с последующим травлением плазмой низкого давления.

Апробация работы. Положения диссертационной работы докладывались: на расширенном заседании кафедры «Инновационные технологии и управление» в 2010, 2011 и 2012 г.г.; на V международной научно-практической конференции «Перспективы применения инновационных технологий и усовершенствования технического образования в высших учебных заведениях стран СНГ», Душанбе, октябрь 2011; на международной молодежной конференции «Тенденции развития планарных нанотехнологий на основе современного полиграфического оборудования», Москва, сентябрь 2012 г.; на конференции молодых ученых, Москва, МГУП имени Ивана Федорова, апрель 2013 г.

Публикации. По тематике работы опубликованы 4 научных статьи и тезисы докладов на научно-технической конференции, из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, библиографического списка. Основной текст диссертации содержит 108 страниц, включая 11 таблиц и 44 рисунка.

Положения, выносимые на защиту

1. Зависимость адгезионной прочности на границе электропроводящая композиция – полимерная пленка от параметров предварительной плазмохимической обработки поверхности полимера в среде аргона или кислорода.

2. Зависимость электропроводности слоев, нанесенных полиграфическим способом и содержащих наночастицы серебра, от параметров процесса плазмохимической обработки.

3. Зависимость адгезионных и электропроводных свойств композиций, наносимых полиграфическим способом, от состава и метода нанесения электропроводящего слоя.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит во включенном участии на всех этапах процесса работы над диссертацией. Все экспериментальные результаты получены, обработаны и интерпретированы соискателем самостоятельно.

Содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и основные задачи работы.

В аналитическом обзоре диссертации проведен анализ публикаций, посвященных используемым и исследуемым в настоящее время методам создания и нанесения электропроводящих композиций на полимерные пленки. При этом дается сравнение с существующими технологическими процессами производства микроэлектроники.

Показано, что перспективными, но мало изученными процессами нанесения электропроводящих композиций являются полиграфические способы.

На основании анализа научной литературы сформулированы направления проведенных в диссертации исследований.

Объекты исследования

При проведении экспериментальных работ использовались промышленные образцы двуосноориентированных полимерных пленок из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) и полипропилена (ПП). При составлении электропроводящих композиций использовались: дисперсия наночастиц серебра в поливинилпирролидоне, а также одностенные углеродные нанотрубки или чешуйки графенов, распределенные в полианилине.

Частицы серебра представляли собой сферические и квазисферические тела, полученные методом жидкофазного химического восстановления, со средним диаметром 80 нм.

Методы исследования и подготовка образцов

Обработку поверхности полимерных пленок перед нанесением электропроводящих композиций осуществляли на специальной экспериментальной установке, генерирующей коронный разряд, а также был использован метод плазмохимической обработки поверхности изделия в среде аргона или кислорода.

Нанесение электропроводящих композиций производили методами струйной печати, флексографии, и так называемым методом “spin-coating”.

Эффективность обработки поверхности полимерных пленок оценивали по величине краевого угла смачивания водой, расчетом поверхностной энергии и количественным методом нормального отрыва для определения адгезионной прочности.

Морфологию поверхности наносимых слоев исследовали методами оптической и электронной микроскопии.

При исследовании процессов, происходящих в наносимых слоях при воздействии на них низкотемпературной плазмы, использовали метод рентгено-структурного анализа. Оценку электрического поверхностного сопротивления осуществляли четырехзондовым методом.

Экспериментальные результаты

Обработка полимерных пленок коронным разрядом приводит к гидрофилизации поверхности. Так, например, в зависимости от интенсивности обработки полимерной пленки коронным разрядом, могут быть получены значения краевых углов смачивания водой до 25 градусов. Для сравнения – краевой угол смачивания для исследованных необработанных пленок составляет 70-81 градус.

Эффект от обработки пленок из ПЭТФ и ПП коронным разрядом не постоянен во времени и в процессе хранения коронированных образцов краевой угол смачивания возрастает. На рис.1 представлены зависимости краевого угла смачивания поверхности пленки из ПЭТФ, обработанной коронным разрядом различной интенсивности, от продолжительности хранения. Аналогичные зависимости были получены и для пленок из ПП.

При обработке поверхности полимерных пленок в низкотемпературной плазме аргона или кислорода эффект модификации более стабилен во времени (см. рис.2).

Рисунок 1 - Зависимости краевых углов смачивания водой поверхности пленок из ПЭТФ, активированных коронным разрядом в течение 30 (1), 20 (2), 5 с (3) от продолжительности хранения,(4) краевой угол смачивания для неактивированной поверхности