Lương vũ nam tiếng việt

i

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ThS. Đặng Thị Mỹ Dung, người đã

hướng dẫn trực tiếp, cho tôi những lời khuyên và những kinh nghiệm nghiên cứu quý

báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn, đồng thời đã góp ý và chỉnh sửa luận văn

tốt nghiệp của tôi.

Tôi đặc biệt cảm ơn PGS – TS. Đặng Mậu Chiến – Giám đốc Phòng Thí Nghiệm

Công Nghệ Nano, đã quan tâm tiếp nhận và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi

thực hiện luận văn này.

Tôi rất cảm ơn anh Trung, anh Chinh, chị Tuyết, anh Tuấn Anh, bạn Khải là các

cán bộ, học viên cao học, thực tập sinh tại phòng Hóa, Phòng Thí Nghiệm Công nghệ

Nano đã hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý cho tôi trong quá trình làm luận văn.

Tôi xin gởi đến thầy Lưu Tuấn Anh – Chủ nhiệm lớp VP06VL và các thầy cô

trong khoa Công nghệ Vật liệu – Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

và chương trình đào tạo kỹ sư chất lượng cao Việt Pháp – PFIEV lòng biết ơn sâu sắc

đối với sự dạy dỗ của thầy cô trong suốt những năm qua, giúp tôi nắm bắt được những

kiến thức cần thiết để hoàn thành tốt luận văn này.

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn cha, mẹ và em trai tôi, những người đã luôn

hỗ trợ về mặt vật chất và tinh thần, cho tôi động lực hoàn thành tốt luận văn này.

Xin trân trọng cảm ơn và kính chúc sức khỏe đến toàn thể quý thầy cô, gia đình,

và tất cả những người bạn của tôi những lời chúc tốt đẹp nhất.

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07/2011

Sinh viên

Lương Vũ Nam

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này khảo sát quy trình in phun đường dẫn điện với mực chứa hạt nano

bạc bằng công nghệ in phun áp điện và một số thông số cơ bản quyết định độ phân giải

của công nghệ này, đồng thời khảo sát độ dày, khả năng dẫn điện của đường.

Luận văn bao gồm 4 chương:

Chương 1: trình bày nội dung, mục tiêu, ý nghĩa của luận văn

Chương 2: giới thiệu tổng quan về các kỹ thuật in phun đã được nghiên cứu, phát

triển, so sánh các phương pháp in phun mực chứa vật liệu chức năng đồng thời nêu một

số thông số ảnh hưởng đến chất lượng mẫu sau khi in

Chương 3: tập trung vào kỹ thuật in phun áp điện: nguyên lý hoạt động, các khía

cạnh vật lý liên quan đến sự hình thành giọt mực.

Chương 4: trình bày các kết quả thực nghiệm trong quá trình nghiên cứu chế tạo

đường dẫn điện và khảo sát các thông số cơ bản liên quan như độ dày và điện trở suất

của đường. Với những kết quả đạt được, tác giả sẽ đưa ra kết luận đồng thời đề nghị

cho hướng nghiên cứu tiếp theo

iii

MỤC LỤC

Đề mục Trang

Lời cảm ơn ............................................................................................................i

Tóm tắt luận văn ................................................................................................ ii

Mục lục ............................................................................................................... ii

Danh sách hình vẽ ............................................................................................... v

Danh sách bảng biểu ...................................................................................... viii

Danh sách các từ viết tắt ...................................................................................ix

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................ 1

1.1. Đặt vấn đề. ........................................................................................................... 2

1.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu. .................................................................... 5

CHƢƠNG 2: ĐẠI CƢƠNG VỀ CÔNG NGHỆ IN PHUN ............................. 6

2.1. Các quy trình in phun ........................................................................................ 7

2.1.1. In phun liên tục .............................................................................................. 7

2.1.2. In phun “theo yêu cầu” ......................................................................................... 10

2.2. Mực in. ............................................................................................................... 14

2.3. Khả năng in những chi tiết nhỏ và độ phân giải ............................................ 15

CHƢƠNG 3: KỸ THUẬT IN PHUN ÁP ĐIỆN ............................................. 17

3.1. Nguyên lý hoạt động ......................................................................................... 18

3.1.1. Máy in........................................................................................................... 18

3.1.2. Đầu in và mực in.......................................................................................... 20

3.2. Một số hiện tƣợng vật lý liên quan .................................................................. 21

3.2.1. Sự hình thành giọt mực ................................................................................ 21

3.2.2. Hiện tượng giọt vệ tinh ................................................................................ 24

3.2.3. Các động thái của giọt mực sau khi đến đế in ............................................ 27

CHƢƠNG 4: NỘI DUNG THỰC NGHIỆM .................................................. 30

4.1. Các thiết bị dùng trong thực nghiệm .............................................................. 31

4.1.1. Máy in phun: Dimatix Materials Printer .........................................................31

4.1.2. Mực in .......................................................................................................... 34

4.1.3. Đế in. ............................................................................................................ 34

4.1.4. Kính hiển vi kim loại học ............................................................................. 35

4.1.5.Thiết bị đo độ dày: DEKTAK 6M ................................................................. 37

iv

4.1.6. Thiết bị đo điện trở suất............................................................................... 38

4.2. Chuẩn bị thí nghiệm ......................................................................................... 40

4.2.1. Đế in. ............................................................................................................ 40

4.2.2.Máy in. .......................................................................................................... 40

4.3. Kết quả và bàn luận. ......................................................................................... 44

4.3.1. Các vấn đề thường gặp trong quá trình in phun ............................................44

4.3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ đế in lên đường kính các giọt mực. ............................. 53

4.3.3. Khảo sát độ phân giải của máy in. .............................................................. 54

4.3.4. In đường dẫn điện. ....................................................................................... 60

4.3.5. In các đường dẫn điện theo thiết kế ăng – ten RFID .................................. 63

4.4. Kết luận.............................................................................................................. 66

4.5. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo ............................................................................ 66

Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 67

Phụ lục ............................................................................................................... 69

v

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: So sánh công nghệ chế tạo ăng ten RFID bằng quy trình quang khắc và in

phun ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 3

Hình 1.2: Số lượng các công trình nghiên cứu về in phun trong 20 năm gần đây (số

liệu lấy từ ISI) ---------------------------------------------------------------------------------------- 4

Hình 2.1: Các kỹ thuật in phun ------------------------------------------------------------------ 7

Hình 2.2: Mô hình hệ thống in phun liên tục với các giọt mực đi theo hai hướng

(nguồn: COLORWORKS) -------------------------------------------------------------------------- 9

Hình 2.3: Mô hình hệ thống in phun liên tục với các giọt mực đi theo nhiều hướng

(nguồn: COLORWORKS) ------------------------------------------------------------------------ 10

Hình 2.4: Nguyên lý in phun nhiệt (nguồn: COLORWORKS) ---------------------------- 11

Hình 2.5: Một số kiểu in phun dựa trên nguyên lý đẩy cơ học của vật liệu áp điện

(nguồn: COLORWORKS) ------------------------------------------------------------------------ 12

Hình 2.6: Nguyên lý in phun điện trường [7] ------------------------------------------------- 14

Hình 2.7: Tăng độ phân giải khi đầu in gồm một dãy các vòi phun thẳng hàng [6]----- 16

Hình 3.1: Mực ở trạng thái chờ [9] ------------------------------------------------------------- 18

Hình 3.2: Mực được đưa vào buồng chứa [9] ------------------------------------------------ 19

Hình 3.3: Mực được đẩy ra khỏi vòi phun [9] ------------------------------------------------ 19

Hình 3.4: Đầu in trở lại trạng thái ban đầu [9] ----------------------------------------------- 20

Hình 3.5: Sự hình thành giọt mực sau khi ra khỏi đầu in [13] ----------------------------- 21

Hình 3.6: Ảnh hưởng của điện áp lên vận tốc giọt mực khi in các dung dịch có độ

nhớt khác nhau [9] --------------------------------------------------------------------------------- 22

Hình 3.7: Ảnh hưởng của điện áp lên khối lượng giọt mực [9] ---------------------------- 23

Hình 3.8: Ảnh hưởng của tần số lên vận tốc giọt mực khi in các dung dịch có độ nhớt

khác nhau [9] --------------------------------------------------------------------------------------- 24

Hình 3.9: Giọt vệ tinh hình thành theo cơ chế thứ nhất [10] ------------------------------- 25

Hình 3.10: Giọt mực ở các vận tốc khác nhau [10] ------------------------------------------- 26

Hình 3.11: Sự hình thành giọt vệ tinh với độ rộng xung rất lớn(a) và tần số cao(b)

[10]------ --------------------------------------------------------------------------------------------- 26

vi

Hình 3.12: Lược đồ minh họa sự biến dạng và lan racủa giọt mực trên đế theo thời

gian [16] --------------------------------------------------------------------------------------------- 27

Hình 3.13: Hiện tượng “giọt cà phê”. Các phần tử tập trung tại vòng ngoài giọt mực --- 28

Hình 3.14: Mô hình quan hệ d0, p, w [15] ------------------------------------------------------ 29

Hình 4.1: Dimatix Materials Printer ----------------------------------------------------------- 31

Hình 4.2: Cấu tạo máy in phun DMP [9] ------------------------------------------------------ 32

Hình 4.3: Đầu in [9] ------------------------------------------------------------------------------ 33

Hình 4.4: Bộ phận in [9] ------------------------------------------------------------------------- 33

Hình 4.5: Công thức cấu tạo của PET --------------------------------------------------------- 35

Hình 4.6: Kính hiển vi kim loại học GX51 --------------------------------------------------- 35

Hình 4.7: Nguyên lý chiếu sáng của kính hiển vi -------------------------------------------- 37

Hình 4.8: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi --------------------------------------------- 37

Hình 4.9: Mô hình hoạt động của thiết bị [21] ----------------------------------------------- 38

Hình 4.10: DEKTAK 6M ------------------------------------------------------------------------ 38

Hình 4.11: Mô hình hoạt động 4 mũi dò ------------------------------------------------------- 39

Hình 4.12: Thiết bị đo điện trở suất bốn mũi dò ---------------------------------------------- 40

Hình 4.13: Cửa sổ cài đặt điện áp, tần số [9] -------------------------------------------------- 41

Hình 4.14: Cửa sổ cài đặt nhiệt độ đầu in [9] ------------------------------------------------- 42

Hình 4.15: Cài đặt chu trình làm sạch bề mặt [9] --------------------------------------------- 43

Hình 4.16: Bề mặt vòi phun sau một thời gian làm việc ------------------------------------- 44

Hình 4.17: Hiện tượng vòi phun không thẳng góc với bề mặt ------------------------------ 45

Hình 4.18: Lỗi in do vòi phun không thẳng góc ---------------------------------------------- 46

Hình 4.19: Vận tốc vòi phun thứ ba chậm hơn các vòi khác -------------------------------- 47

Hình 4.20: Vòi không phun mực ---------------------------------------------------------------- 48

Hình 4.21: Mẫu bị lỗi do vòi không phun mực ----------------------------------------------- 49

Hình 4.22: Giọt vệ tinh --------------------------------------------------------------------------- 50

Hình 4.23: Các vòi phun mực ổn định và đồng đều ------------------------------------------ 51

Hình 4.24a: Mẫu in các giọt mực. Khoảng cách giữa các giọt là 254µm ----------------- 52

Hình 4.24b: Mẫu in các giọt mực. Khoảng cách giữa các giọt là 254µm (trục X) và 180 (trục

Y) --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 53

Hình 4.25: Ảnh hưởng của nhiệt độ đế in lên đường kính giọt mực ----------------------- 53

vii

Hình 4.26: Hình ảnh các giọt mực ở khoảng cách p = 60µm ------------------------------- 55











Hình 4.37: Hình ảnh các giọt mực ở khoảng cách p = 5µm --------------------------------- 59

Hình 4.38: Độ rộng đường in thay đổi theo khoảng cách giọt mực ------------------------ 59

Hình 4.39: Nguyên lý in đường dẫn điện dùng nhiều vòi phun ---------------------------- 61

Hình 4.40: Đường dẫn điện 1 lớp --------------------------------------------------------------- 62



Hình 4.43: Ăng – ten RFID ------------------------------------------------------------------ 64, 65

viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh thể tích và đường kính giọt mực có thể đạt được với những công

nghệ in phun DOD được sử dụng để in phun mực chứa vật liệu chức năng [2]. .......... 14

Bảng 4.1: Đường kính trung bình các giọt mực theo nhiệt độ đế in ........................... 53

Bảng 4.2: Đường kính/độ rộng của các giọt/đường in thay đổi ở các độ phân giải khác

nhau .............................................................................................................................. 59

Bảng 4.3: Kết quả khảo sát độ dày và điện trở suất của đường dẫn điện. ................... 63

ix

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

0C Celsius degree – Độ bách phân.

DI Deionized water – Nước ion hóa.

DMP Dimatix Materials Printer

DOD Drop-on-demand – rơi “theo yêu cầu”

RFID Radio Frequency Identification – Định dạng

bằng sóng radio

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

2

1.1. Đặt vấn đề:

Từ khi Lord Rayleigh quan sát thấy dòng chảy chất lỏng có xu hướng tách thành

từng giọt riêng lẻ và đưa ra giải thích cho hiện tượng này, một số kỹ thuật in phun đã

được nghiên cứu, phát triển và đưa vào thực tiễn [2]. Ta có thể thấy công nghệ in phun

từng trải qua thời kỳ hoàng kim trong lịch sử ngành in với việc in ấn phục vụ đời sống

hằng ngày như in giấy tờ trong văn phòng, in trên vải vóc…. Ngày nay, khi máy in

laser dần dần thay thế máy in phun trong lĩnh vực nói trên, các nhà khoa học lại bắt

đầu quan tâm đến khả năng ứng dụng của nó vào các ngành công nghệ cao như ngành

điện tử hữu cơ, công nghệ nano, công nghệ sinh học. Những ứng dụng hoàn toàn mới

này chỉ mới được tìm hiểu trong những năm gần đây dựa trên ý tưởng dùng hệ thống

máy in phun điều khiển các giọt mực có thể tích vài picoliter chứa các vật liệu cần chế

tạo rơi chính xác lên đế theo mẫu in có sẵn. Các mực in này sau đó được biến đổi,

thường bằng quá trình kích hoạt nhiệt thành các vật liệu chức năng với cấu trúc, tính

chất điện, quang, hóa, sinh như mong muốn. Quá trình này được thực hiện thông qua

sự điều khiển từ máy tính tới đầu phun mực, giúp cho việc in những mẫu phức tạp trở

nên dễ dàng hơn [8].

Một số ưu điểm của công nghệ in phun:

Thực hiện phủ bề mặt không cần tiếp xúc, giúp giảm thiểu tạp chất;

Là quy trình mang tính cộng dồn, giúp giảm hao phí vật liệu;

Số bước thực hiện ít hơn nhiều so với các quy trình chế tạo truyền thống (xem

Hình 1.1);

Có thể in được rất nhiều loại vật liệu khác nhau: mực in có thể chứa phần tử

kim loại hay polyme, thậm chí là bán dẫn;

Tương thích với những loại đế có bề mặt khác nhau: có thể in trên đế cứng hay

dẻo, bề mặt gồ ghề hay trơn láng…

Tuy nhiên, nó cũng có khuyết điểm như:

Khó kiểm soát khi phủ dung dịch lên đế có bề mặt không đồng nhất;

Kích thước các chi tiết nằm trong khoảng 10µm.


3

Hình 1.1: So sánh công nghệ chế tạo ăng ten RFID

bằng quy trình quang khắc và in phun

Lịch sử phát triển của công nghệ in phun [3]:

Năm 1878, Lord Rayleigh đưa ra cơ chế giải thích hiện tượng dòng chất lỏng tách

thành giọt riêng lẻ. Tuy nhiên, phải đến năm 1948, thiết bị in phun đầu tiên dựa trên

nguyên lý này mới được đăng ký bởi phát minh của Siemens Elema tại Sweden.

Vào những năm đầu của thập kỷ 1960, tiến sỹ Sweet từ trường đại học Stanford

(USA) đưa ra hệ thống in phun liên tục đầu tiên sử dụng sóng áp lực đặt vào vòi phun.

Ông đã chứng minh được rằng, bằng cách đặt vào một mẫu sóng áp lực, dòng mực có

thể tách thành nhiều giọt với kích thước và khoảng cách giữa chúng đồng đều nhau.

Từ 1974 đến 1976, các hệ thống in phun “theo yêu cầu” lần lượt xuất hiện, đăng

ký phát minh bởi Zoltan (Siemenes), Kyser and Sears (Silonics, USA). Sau đó, rất

nhiều hệ thống in phun “theo yêu cầu” được phát triển và sản xuất ra thị trường trong

thập niên 1970 và 1980.

Vào năm 1979, Canon và HP đã đăng ký bằng sáng chế cho đầu in nhiệt “theo

yêu cầu”. Canon gọi kỹ thuật này là phun bong bóng trong khi HP đặt tên là Thinkjet

(thermal inkjet – in phun nhiệt).

Photoresist

spinning

Exposure

Development

Copper etching

Inkjet printing

Annealing

Chip attachement


4

Vào giữa thập niên 1990, những thí nghiệm đầu tiên cho việc sử dụng kỹ thuật in

phun để in mực có chứa các vật liệu chức năng được tiến hành. Cho đến ngày nay,

ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này được công bố.

Hình 1.2: Số lượng các công trình nghiên cứuvề in phun

trong 20 năm gần đây (số liệu lấy từ ISI)

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc:

Trên thế giới:

Công nghệ in phun mực chứa các vật liệu chức năng đã thu hút nhiều sự quan

tâm từ khắp nơi trên thế giới, bằng chứng là chỉ trong vòng 8 năm trở lại đây đã có đến

79 bằng sáng chế về lĩnh vực này được đăng ký. Một số nhóm nghiên cứu và công ty

đi đầu trong việc nghiên cứu kỹ thuật này bao gồm:

University of California, Berkeley (USA);

School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of

Technology (USA);

Quantum-Phase Electronics Center, University of Tokyo (Japan);

Palo Alto Research Center (USA);

Cavendish Laboratory (UK);

Technology Platform Research Center, Seiko Epson (Japan).

Hiện lĩnh vực in phun phát triển theo hai hướng chính. Thứ nhất là chế tạo mực

in, chuyên nghiên cứu chế tạo mực in thỏa mãn các yêu cầu của đầu in để có thể phun

mực bằng cách hòa tan các loại vật liệu vào các dung môi cần thiết. Hiện nay, trên thị

0

20

40

60

80

100

120

140

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008


5

trường đã có các sản phẩm mực in chứa các hạt nano bạc như: Sujet, Cimananotech,

Novacentrix…

Thứ hai là nghiên cứu quá trình in mực trên đế in. Vấn đề này cho đến nay vẫn

chưa được tìm hiểu triệt để. Phần lớn các báo cáo có liên quan chỉ tập trung trình bày

khả năng tạo cấu trúc của công nghệ này mà không đi sâu vào bản chất cũng như ảnh

hưởng của các thông số cơ bản của nó.

Tại Việt Nam:

In phun mực chứa vật liệu chức năng là công nghệ tương đối mới ở Việt Nam và

đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học. Hiện nay, tại Phòng thí nghiệm công

nghệ nano – Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh (LNT), với việc trang bị phòng

sạch (cấp độ sạch 100.000 - 100) cùng với các thiết bị phân tích hiện đại, đặc biệt là sự

trang bị hệ thống máy in phun tiên tiến dùng trong phòng thí nghiệm, LNT là đơn vị

duy nhất ở miền Nam tiến hành nghiên cứu lĩnh vực này.

1.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu:

Với những ưu điểm của phương pháp in phun so với kỹ thuật chế tạo truyền

thống ở cấp độ micro/nano làm cho nó có tiềm năng rất lớn trong việc ứng dụng đưa

vào sản xuất, thay thế hoàn toàn những kỹ thuật cũ đồng thời với tình hình nghiên cứu

công nghệ này trong và ngoài nước, tôi quyết định chọn đề tài này để nghiên cứu làm

luận văn tốt nghiệp. Luận văn này cũng mong muốn góp phần vào việc xác định các

thông số tối ưu trong quy trình chế tạo ăng ten RFID bằng phương pháp in phun đang

được tiến hành tại LNT.

Luận văn này được thực hiện với các nhiệm vụ sau:

Nghiên cứu quá trình in đường dẫn điện trên đế PET;

Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đế trong khi in, độ phân giải của máy in;

Đánh giá thông số cơ bản của đường dẫn điện thu được là độ dày và điện trở

suất.

CHƯƠNG 2

ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ IN PHUN

CHƯƠNG 2: ĐẠI CƯƠNG VỀ CÔNG NGHỆ IN PHUN

7

2.1. Các quy trình in phun:

In phun (inkjet printing) là tên chung cho các kỹ thuật, công nghệ in khác nhau có

cùng nguyên lý là đẩy hạt chất lỏng qua một đầu mũi phun kim (a nozzle) một cách có

kiểm soát lên trên một bề mặt khác (phun hay in chất lỏng lên bề mặt khác). Nhìn

chung, có hai phương thức in phun đã được phát triển và sử dụng cho đến thời điểm

hiện tại: kỹ thuật in phun liên tục và kỹ thuật in phun “theo yêu cầu” (drop-on-

demand). Trong quy trình in phun liên tục, các giọt mực được phun liên tục ra khỏi vòi

phun, và được chỉnh hướng đi tới đế hoặc bị loại bỏ tùy theo mẫu in. Ngược lại, quy

trình in phun DOD chỉ phun mực khi cần thiết.

Hình 2.1: Các kỹ thuật in phun

2.1.1. In phun liên tục:

Trong hệ thống in phun liên tục, mực được bơm từ buồng chứa mực đến vòi

phun. Tại đây, một tinh thể làm từ vật liệu áp điện sẽ hình thành sóng âm dao động

trong vòi phun với tần số lớn (trong khoảng từ 50kHz đến 175 kHz) hình thành một

Các kỹ thuật in phun

In phun liên tục

Giọt mực đi theo hai hướng

Giọt mực đi theo nhiều hướng

In phun DOD

In phun nhiệt

In phun sóng âm

In phun áp điện

In phun điện trường


8

chuỗi các giọt mực riêng biệt, phun ra liên tục với khoảng cách ổn định. Những giọt

mực này khi đó được tích điện để có thể đổi hướng trong điện trường [4].

Ưu điểm:

Cho công suất cao;

Vận tốc các giọt mực lớn, cho phép khoảng cách giữa đầu in và đế lớn và tốc

độ in cao;

Có thể sử dụng mực chứa dung môi dễ bay hơi, cho phép làm khô nhanh và

tăng độ bám dính trên nhiều mặt đế;

Khó bị tắc vòi phun do mực được phun liên tục.

Nhược điểm:

Tính linh hoạt thấp: mỗi hệ thống thường được thiết kế cho một loại mực;

Đòi hỏi những yêu cầu nghiêm ngặt đối với độ nhớt của mực;

Mực được chọn phải thích hợp cho việc tích điện;

Sự hiện diện của các dung môi độc hại;

Phải xử lý các chất thải độc hại;

Bảo trì phức tạp.

Kỹ thuật in phun liên tục được chia thành hai loại:

2.1.1.1. Các giọt mực chỉ đi theo hai hƣớng:

Trong quy trình này, các giọt mực có hai trạng thái tích điện: những giọt đi thẳng

đến đế sẽ không được tích điện, những giọt còn lại sẽ được tích điện để loại bỏ khi

chúng đi qua điện trường.

Đầu tiên, dòng mực được phun ra khỏi vòi phun. Sự kích thích với tần số cao

thông qua bộ dao động làm từ tinh thể áp điện gây ra những điểm thắt lại trên dòng

chất lỏng do các hiệu ứng liên quan đến động lực học chất lỏng rồi phân chia thành các

giọt mực riêng lẻ. Kích thước và khoảng cách giữa chúng cơ bản phụ thuộc vào đường

kính vòi phun, độ nhớt và sức căng bề mặt của mực in, cũng như tần số kích thích.

Mỗi giọt mực được tích điện bằng một bản cực tùy theo mẫu in yêu cầu. Giọt

được tích điện sẽ đổi hướng khi đi qua điện trường (tụ điện phẳng…) và được máng

thu lại để tái sử dụng. Giọt không tích điện sẽ đi đến đế [7].


9

Hình 2.2: Mô hình hệ thống in phun liên tục với các giọt mực đi theo hai hướng

(nguồn: COLORWORKS)

2.1.1.2. Các giọt mực đi theo nhiều hƣớng:

Trong quy trình này, các giọt mực được tích những điện tích khác nhau, do vậy

khi đi qua từ trường, chúng đi theo những hướng khác nhau, phủ lên bề mặt đế ở

những vị trí khác nhau, tùy cường độ điện tích của mỗi giọt (Hình 2.3). Theo cách này,

hệ thống một vòi phun có thể in được một đường thẳng ngắn (cỡ 10mm). Chiều dài

đường thẳng này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu in và bề mặt đế. Nó tăng khi

khoảng cách này tăng, tuy nhiên sẽ làm giảm độ phân giải của quy trình này. Ngoài ra,

độ phân giải theo chiều in được xác định bởi tốc độ đế và tần số phun mực [7].


10

Hình 2.3: Mô hình hệ thống in phun liên tục với các giọt mực đi theo nhiều hướng

(nguồn: COLORWORKS)

2.1.2. In phun “theo yêu cầu” (drop-on-demand, DOD):

Phương pháp in phun này chỉ phun mực ra khi cần thiết. Các giọt mực được tạo

ra bởi các xung áp lực đặt làm thay đổi thể tích vòi phun một cách đột ngột. Các quy

trình in phun có thể được phân loại dựa trên phương thức hình thành các xung áp lực

đó, bao gồm in phun nhiệt, áp điện, điện trường.

2.1.2.1. In phun nhiệt:

Với kỹ thuật in này, giọt mực được tạo ra bằng cách đốt nóng nhanh phần tử điện

trở bên trong buồng chứa mực (Hình 2.4). Nhiệt độ của phần tử điện trở này tăng lên

đến 350 – 4000C, làm cho một lớp mỏng mực xung quanh phần tử này bay hơi. Sự bay

hơi này nhanh chóng tạo ra bong bóng trong buồng chứa, hình thành xung áp lực đẩy

một giọt mực ra khỏi vòi phun. Sau đó, lỗ rỗng còn lại trong buồng được điền đầy,

chuẩn bị lần phun tiếp theo.


11

Ưu điểm của phương pháp này là khả năng phun giọt mực có kích thước rất nhỏ

và mật độ vòi phun lớn. Điều này giúp ta thu nhỏ thiết bị và giảm chi phí đầu in và giá

thành sản phẩm.

Bên cạnh đó, nhược điểm chính của phương pháp này chủ yếu là sự giới hạn các

loại mực có thể sử dụng. Nó đòi hỏi mực in không chỉ có thể bay hơi trong khoảng

nhiệt độ nhất định mà còn phải chịu được các tác động của nhiệt độ cao cục bộ. Nếu

không được tính toán kỹ, nhiệt độ cao có thể hình thành một lớp phủ cứng trên bề mặt

phần tử điện trở, làm giảm hiệu năng và độ bền của đầu in. Ngoài ra, vật liệu chức

năng chứa trong mực cũng có thể bị ảnh hưởng dưới nhiệt độ cao [4].

Hình 2.4: Nguyên lý in phun nhiệt (nguồn: COLORWORKS)

2.1.2.2. In phun áp điện:

Đây là phương pháp phổ biến nhất để in mực có chứa các vật liệu chế tạo linh

kiện, thiết bị. Phần tử áp điện (thường là vật liệu PZT) được gắn vào vòi phun và được

nối với bộ phát tín hiệu. Khi có điện thế áp vào nó, phần tử áp điện sẽ thay đổi hình

dáng hay kích thước, từ đó làm tăng hoặc giảm diện tích mặt cắt ngang của buồng

chứa sẵn mực. Điều này sẽ hình thành sóng nén trong chất lỏng đẩy giọt mực ra khỏi


12

vòi phun (Hình 2.5). Thể tích giọt mực nhỏ nhất có thể hình thành phục thuộc chủ yếu

vào kích thước của vòi phun [2].

Hình 2.5: Một số kiểu in phun dựa trên

nguyên lý đẩy cơ học của vật liệu áp điện (nguồn: COLORWORKS)

Ưu điểm:

Tính linh hoạt cao, có thể in được nhiều loại mực khác nhau;

Hệ thống in phun với độ phân giải cao đã được đưa ra thị trường;

Việc sử dụng bộ phận kích thích cơ học cho phép in phun nhiều loại mực chỉ

bằng cách thay đổi dạng và cường độ xung điện cho phù hợp với tính chất của

chúng.

Nhược điểm:

Dễ bị tắc đầu phun hơn các quy trình in phun liên tục.


13

2.1.2.3. Đầu in sóng âm:

Một trong những nhược điểm của đầu in áp điện là chúng có xu hướng tắc vòi

phun trong khi in mực chứa các phần tử nhỏ trong dung môi có nhiệt độ sôi thấp. Lúc

đó, sự bay hơi của dung môi trên bề mặt vòi phun là nguyên nhân dẫn đến tắc vòi

phun. Phương pháp in phun bằng sóng âm được xem như một biện pháp giúp giải

quyết hạn chế đó. Đầu in của hệ thống in phun này không có bất cứ vòi phun nào.

Thay vào đó, một chùm sóng âm được hội tụ trên bề mặt chất lỏng bằng một thấu kính

âm tần số cao. Sóng âm được tạo bởi bộ phận chuyển đổi tần số cao đặt ở mặt sau của

thấu kính. Thấu kính có nhiệm vụ tập trung năng lượng sóng âm, hình thành sóng nén

lớn hơn sức căng bề mặt của giữa mực in và thấu kính và đẩy giọt mực ra khỏi bề mặt

chất lỏng.

Thiết kế không có vòi phun của phương pháp này giúp giảm thiểu tắc mực, đồng

thời tăng độ ồn định khi phun mực. Tuy nhiên, cho đến nay, hệ thống in phun sóng âm

có khả năng phun nhiều giọt mực cùng một thời điểm vẫn chưa được phát triển. Điều

này làm cho đầu in sóng âm chưa được ứng dụng vào trong sản xuất [2].

2.1.2.4. In phun điện trƣờng:

Trong máy in phun điện trường, một điện trường được tạo ra để đẩy các giọt mực

có thể tích vào khoảng femtoliter từ ống mao dẫn. Trường điện này, được tạo ra giữa

một điện cực và miệng vòi phun, sẽ hút các điện tích tự do trong mực đến bề mặt của

nó. Khi lực hút vượt quá sức căng bề mặt của mực sẽ hình thành một giọt mực rơi

xuống đế (Hình 2.6). Do kỹ thuật in phun này dựa trên sự hút các điện tích tự do nên

mực phải có khả năng dẫn điện.

Ưu điểm của kỹ thuật này cho phép in những giọt mực có nồng độ cao hơn nồng

độ mực trong đầu in, và độ phân giải có thể đạt được không phụ thuộc vào đường kính

vòi phun. Chúng ta có thể sử dụng các chất tạo màu cho mực trong khi vẫn thu được

các giọt mực rất bé do kích thước của giọt mực được quyết định chủ yếu bởi điện áp

tại điểm phun mực và các tính chất của hạt hơn là kích thước của vòi phun. Theo [5],

người ta đã in được một đường polyethyleneglycol với chiều rộng nhỏ nhất là 700nm.

Tuy nhiên, những đường in bằng cách này lại quá hẹp và mỏng. Do đó, đối với đường

dẫn điện, cần phải in nhiều lớp để đạt được độ dẫn điện đủ lớn mới ứng dụng được vào


14

thực tế. Bên cạnh đó, phương pháp này chỉ áp dụng cho mực có thể dẫn điện, đồng

thời chi phí cho thiết bị quá cao. Cũng như in phun bằng sóng âm, hiện tại hệ thống in

phun điện trường với nhiều vòi phun vẫn chưa được phát triển [2, 4].

Hình 2.6: Nguyên lý in phun điện trường [7]

Bảng 2.1: So sánh thể tích và đường kính giọt mực có thể đạt được với những cộng

nghệ in phun DOD được sử dụng để in phun mực chứa vật liệu chức năng [2]

Kỹ thuật in phun Thể tích giọt mực

nhỏ nhất đạt được

(fl)

Đường kính giọt

mực nhỏ nhất

(µm)

Khả năng phun

nhiều giọt cùng lúc

Điện trường 0.7 1 Không

Sóng âm 65 5 Không

Áp điện 1000 12 Có

2.2. Mực in:

Các loại mực in có thể được chia ra làm bốn loại chính:

Do nước tạo thành (Aqueous);

Nền dung môi (Solvent based): methylethyl ketones, alcohol, lactates, glycol;

Thay đổi pha (Phase change);

ử lý bằng tia UV (UV curable).

Tất cả các loại mực in trên đều có thể sử dụng trong phương pháp in áp điện. Các

thành phần của mực in có thể được thay đổi để đạt được các màu sắc khác nhau, cùng

như cho phép in ra các lớp có tính chất là kim loại (dùng để làm đường dẫn điện), lớp


15

polyme, hoặc là các dung dịch dùng cho mục đích ăn mòn bề mặt v.v… Tính đa dạng

hóa học của mực in khi sử dụng phương pháp in áp điện cho phép hòa tan tất cả các

chất trong một dung môi mang để đáp ứng các yêu cầu đẩy chất lỏng ra ngoài [4].

2.3. Khả năng in những chi tiết nhỏ và độ phân giải:

Đối với các quy trình in phun, những đặc điểm của đầu in, vật liệu làm đế, mực

in và độ phân giải cơ học của máy in là những nhân tố quan trọng quyết định kích

thước nhỏ nhất có thể in được và độ phân giải của cả quy trình.

Đầu phun mực của máy in quyết định lượng chất lỏng được phun ra trong một

lần phủ. Phương pháp in phun DOD có khả năng tạo thành những giọt mực nhỏ hơn

rất nhiều lần (đường kính ~ 20 - 100µm) so với các hệ thống in phun liên tục (đường

kính có thể lên đến 0.5mm). Đầu in áp điện lại thường được sử dụng trong chế tạo linh

kiện cỡ micro vì nó tương thích với nhiều loại mực khác nhau so với đầu in nhiệt, vốn

thường chỉ dùng để in mực có nền nước, trừ khi phải thiết kế lại đầu in cho mỗi loại

mực có dung môi khác nhau. Ngoài ra, nó còn là kỹ thuật in duy nhất được phát triển

hệ thống nhiều vòi phun trong số các kỹ thuật in phun DOD.

Thứ hai, tăng nhiệt độ của đế in sẽ góp phần làm tăng chất lượng mẫu in. Một

nguyên nhân là do sự bay hơi của mực ngay khi tiếp xúc với đế, do đó giúp loại bỏ

nhiều vấn đề liên quan đến thấm ướt bề mặt như các tạp chất, hạt bụi hay vết xước trên

mặt đế làm cho khiến cho giọt mực lan rộng ra do hiện tượng mao dẫn. Ngoài ra, sự

bay hơi nhanh chóng của mực giúp chúng ta có thể in nhiều lớp khá nhanh chóng và

dễ dàng. Tính chất hóa học bề mặt (tính kỵ nước hay ưa nước) cũng góp phần xác định

kích thước nhỏ nhất của các chi tiết được in. Những vùng mang tính kỵ nước/ưu nước

khác nhau trên đế có thể được định sẵn để điều khiển chính xác vị trí của mực trên đế

vì dựa vào nguyên lý mực bị hút vào một số vùng nhất định và bị đẩy ra ở những vùng

còn lại. Vùng mang tính chất khác nhau trên bề mặt này có thể tạo ra bằng những kỹ

thuật vi chế tạo thông thường hay bằng những phương pháp thay thế khác ít tốn kém

hơn.

Thành phần mực in là một thuộc tính quan trọng khác. Độ nhớt, tốc độ bay hơi,

sức căng bề mặt, dung môi sử dụng và chất phụ gia tăng độ bám dính là những đặc

tính cần quan tâm của mực. Mực với độ nhớt cao và tốc độ bay hơi thấp thường được


16

ưu tiên sử dụng vì khi đó, đầu in sẽ khó bị tắc hơn. Sức căng bề mặt và các hóa chất

chứa trong mực in sẽ quyết định mức độ lan rộng của giọt mực sau khi tiếp xúc với đế.

Chất phụ gia tăng độ bám dính trong mực xác định khả năng bám dính của mực lên bề

mặt đế. Đối với mực dẫn điện, kích cỡ, độ phân tán, độ ổn định của các hạt nano kim

loại trong mực là rất quan trọng. Hiện tượng tắc vòi phun có thể xảy ra nếu các hạt

nano quá lớn hoặc nếu chúng kết tụ lại với nhau. Những tính chất vật lý này cũng xác

định khả năng dẫn điện của mực kim loại sau khi phủ lên đế.

Cuối cùng, khả năng in các vi cấu trúc phụ thuộc vào độ phân giải cơ học của

máy in phun theo mỗi trục in. Sự định vị chính xác của đầu in giúp giảm các sai lệch

kích thước khi chế tạo linh kiện và xác định chiều rộng nhỏ nhất cũng như khoảng

cách nhỏ nhất giữa các chi tiết. Hình 2.7 minh họa cách thức tăng độ phân giải với một

dãy vòi phun thẳng hàng [6, 7].

Hình 2.7: Tăng độ phân giải khi đầu in gồm một dãy các vòi phun thẳng hàng [7]

CHƯƠNG 3

CÔNG NGHỆ IN PHUN ÁP ĐIỆN

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ IN PHUN ÁP ĐIỆN

18

3.1. Nguyên lý hoạt động:

3.1.1. Máy in:

Các hệ thống máy in phun dựa trên nguyên lý áp điện nói chung và hệ thống in

phun áp điện được sử dụng tại Phòng thí nghiệm công nghệ Nano nói riêng hoạt động

theo một chu kỳ gồm 4 pha [9]:

Pha 0: mực đang ở trạng thái chờ. Khi đầu in không hoạt động, hay ngay trước

khi bắt đầu chu kỳ làm việc, một điện áp nhỏ được đặt vào phần tử áp điện, làm cho nó

bị biến dạng nhỏ (Hình 3.1).

Hình 3.1: Mực ở trạng thái chờ [9]

Pha 1: mực được bơm vào buồng chứa. Trong pha này, mực được đưa vào

buồng chứa thông qua các lỗ nạp. Khi bắt đầu làm việc, xung điện áp giảm về 0, phần

tử áp điện không còn bị biến dạng nên buồng chứa mực lúc này được mở rộng ra. Điều

này sẽ hình thành nên sóng nén âm (dãn nở) có tác dụng hút dung dịch mực từ hộp

mực và vòi phun vào buồng chứa. Điện thế sau đó được giữ nguyên không đổi (Hình

3.2).


19

Hình 3.2: Mực được đưa vào buồng chứa [9]

Pha 2: giọt mực được hình thành và đẩy ra khỏi vòi phun. Điện áp tăng làm

phần tử áp điện biến dạng, nén buồng chứa mực. Áp suất nén hình thành đẩy mực ra

ngoài (Hình 3.3).

Hình 3.3: Mực được đẩy ra khỏi vòi phun [9]

Pha 3 và pha 4: đây là pha hồi phục với điện áp được đưa về pha 0. Buồng

chứa mực được giải nén một phần ở pha 3 và được bơm đầy mực trong pha 4 để sẵn

sàng cho chu kỳ làm việc tiếp theo (Hình 3.4). Pha 3 là pha không bắt buộc, nó được

thêm vào với mục đích làm triệt tiêu các sóng âm còn dư lan truyền trong ống dẫn,

giúp tối ưu hóa các đặc tính phun của đầu in áp điện [2].


20

Hình 3.4: Đầu in trở lại trạng thái ban đầu [9]

3.1.2. Đầu in và mực in:

Tín hiệu xung điện đặt vào đầu in áp điện cần được điều chỉnh cho phù hợp với

mỗi loại dung dịch đưa vào buồng chứa. Bước điều chỉnh này thường được tiến hành

bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, chúng ta cần phải kiểm tra tính tương thích của mực đối

với đầu in trước khi cho phun mực. Các thông số vật lý ảnh hưởng đến khả năng phun

của dung dịch mực bao gồm:

Độ nhớt;

Nồng độ;

Sức căng bề mặt;

Vận tốc âm lan truyền trong dung dịch;

Nhiệt độ sôi. Tính chất này cho ta biết độ bay hơi của dung dịch ngay tại miệng

vòi phun, nơi sự bay hơi diễn ra.

Khi lựa chọn loại mực in và kiểu đầu in cần phải chú ý một số yếu tố như sau:

Thứ nhất, mực in có độ nhớt và sức căng bề mặt thay đổi trong khoảng nhỏ, tối

ưu đối với đầu in. Nếu dung dịch mực chứa hạt nano, đường kính của chúng phải nhỏ

hơn 10% đường kính vòi phun để tránh sự bất ổn định trong lúc phun mực [2]. Ngoài

ra, khi thêm bất kỳ chất phụ gia vào nhằm thay đổi tính chất vật lý của mực in, cần

chắc chắn rằng nó không ảnh hưởng xấu đến khả năng hoạt động của các vật liệu chức

năng chứa trong mực sau khi in.


21

Thứ hai, không nên có những tác động hóa học diễn ra giữa mực in và đầu in,

tránh làm hư hỏng kết cấu hay hoạt động không chính xác.

Thứ ba, cần phải kiểm tra khả năng phun đồng đều và ổn định trước khi tiến

hành in. Thông thường, các giọt vệ tinh có thể ảnh hưởng đến độ phân giải của sản

phẩm. Hơn nữa, các vòi phun có thể bị tắc do sự tồn tại của các bọt khí, sự bay hơi của

mực tại bề mặt lỗ phun, hay do những hạt nano có kích thước tương tự đường kính vỏi

phun.

Thứ tư, khi sử dụng hệ thống có nhiều vòi phun, hướng phun và vận tốc của tất

cả giọt mực phải có sự đồng đều cao, cho phép các giọt rơi chính xác trên đế theo mẫu

in.

3.2. Một số hiện tƣợng vật lý liên quan:

3.2.1. Sự hình thành giọt mực:

Hình 3.5: Sự hình thành giọt mực sau khi ra khỏi đầu in [13]

Quá trình tạo thành một giọt mực sau khi bị phun ra khỏi đầu in được minh họa

trong Hình 3.5. Trong pha 2 (Hình 3.3), đầu giọt mực xuất hiện bên ngoài miệng vòi

phun với vận tốc khá lớn. Đầu giọt mực này kéo theo nó một cái đuôi kèm theo bởi lực

do độ nhớt gây ra. Sau đó, sự cắt đuôi xảy ra khi sức căng bề mặt, vốn có xu hướng

giảm diện tích bề mặt về giá trị nhỏ nhất, lớn hơn lực nhớt của chất lỏng. Pha 3 và 4

của đầu in cũng tham gia cắt đuôi khi buồng mực giải nén, hút mực từ vòi phun trở lại


22

buồng chứa. Cuối cùng, dưới tác dụng của sức căng bề mặt, đầu và đuôi nhanh chóng

kết hợp lại tạo ra giọt mực có hình cầu (diện tích bề mặt nhỏ nhất).

Ta có thể thấy rằng các đặc tính của đuôi và sự cắt đuôi phụ thuộc chủ yếu vào

sức căng bề mặt và độ nhớt của mực in. Hình dáng của đuôi bị tác động chủ yếu bởi độ

nhớt chứ không phải dạng xung áp vào đầu in hay thiết kế vòi phun.

Thể tích giọt mực và vận tốc của nó phụ thuộc tuyến tính vào điện áp (xem Hình

3.6 và 3.7), nhưng sự phụ thuộc của chúng vào tần số và độ rộng xung thì phức tạp

hơn nhiều. Đối với xung đầu vào dạng vuông, biên độ xung và tốc độ biến thiên xác

định lượng thể tích thay đổi. Do sự chuyển dịch của phần tử áp điện tỷ lệ với điện

trường đặt vào nó, điện áp đặt vào càng lớn, thể tích buồng chứa giảm càng lớn, làm

tăng độ lớn sóng nén lan truyền trong buồng và gia tốc của chất lỏng. Người ta cũng

đã chứng minh được rằng vận tốc lớn nhất của giọt mực là một hàm theo độ rộng của

xung, vốn giữ nguyên khi biên độ xung tăng lên, nhưng sẽ thay đổi nếu tính chất của

mực thay đổi (Hình 3.6: độ nhớt giảm, vận tốc tăng). Tương tự như vậy đối với kích

thước của giọt mực.[14]

Hình 3.6: Ảnh hưởng của điện áp lên vận tốc giọt mực

khi in các dung dịch có độ nhớt khác nhau [9]


23

Hình 3.7: Ảnh hưởng của điện áp lên khối lượng giọt mực [9]

Việc cho đầu in áp điện hoạt động ở tần số cao sẽ gây sự phun mực hỗn loạn bởi

vì các sóng lan truyền trong buồng mực chưa được triệt tiêu hoàn toàn, dẫn đến sự tác

động qua lại giữa các sóng cũ và sóng mới (xem Hình 3.8). Hình 3.8 cũng cho ta thấy

chất lỏng có độ nhớt càng cao cho vận tốc giọt mực càng nhỏ và đồng đều hơn so với

chất lỏng có độ nhớt thấp. Tuy nhiên, làm việc ở tần số thấp, đồng nghĩa tốc độ phun

mực thấp, sẽ làm giảm năng suất của quy trình. Thời gian để triệt tiêu hoàn toàn các

sóng dư lan truyền trong buồng chứa phụ thuộc vào thành phần của mực. Ví dụ,

Wallace và Antohe [12] chỉ ra rằng thời gian triệt tiêu sóng trong ethylene glycol sẽ

ngắn hơn trong nước bởi ethylene glycol có độ nhớt cao hơn.


24

Hình 3.8: Ảnh hưởng của tần số lên vận tốc giọt mực

khi in các dung dịch có độ nhớt khác nhau [9]

3.2.2. Sự hình thành giọt vệ tinh:

Nói chung, có 3 cơ chế gây ra sự hình thành giọt vệ tinh:

Trường hợp thứ nhất, như đã trình bày trong phần 3.2.1, vận tốc và độ dài của

đuôi giọt mực bị tác động chủ yếu bởi độ nhớt và sức căng bề mặt của chất lỏng, trong

khi biên độ xung điện áp sẽ quyết định vận tốc đầu giọt mực khi ra khỏi vòi phun.

Điều này đồng nghĩa với độ chênh lệch vận tốc giữa đầu và đuôi giọt mực càng lớn thì

đuôi giọt mực càng dài. Khi đó, theo nguyên lý bất ổn định của Rayleigh, dưới tác

dụng của sức căng bề mặt, đuôi giọt mực sẽ tách ra thành những giọt vệ tinh (Hình

3.9).


25

Hình 3.9: Giọt vệ tinh hình thành theo cơ chế thứ nhất [10]

Cơ chế thứ hai tạo nên giọt vệ tinh diễn ra khi các giọt mực được phun ra ở vận

tốc quá cao, một phần của giọt mực rời đi trước cả đầu giọt mực (Hình 3.10). Nguyên

nhân là do sự gia tốc đầu tiên của mực vượt qua một giới hạn nhất định, làm cho sức

căng bề mặt không còn khả năng giữ lượng mực cùng một chỗ lâu hơn. Trong trường

hợp này, giá trị lớn nhất của phân bố vận tốc trong giọt mực nằm ở đỉnh đầu của giọt

mực. Điều này cho thấy rằng phần đỉnh này tiếp tục rời khỏi phần còn lại của giọt

mực. Thông thường, vận tốc lớn nhất nằm ở đuôi giọt mực để nó có thể kết hợp với

đầu tạo thành giọt mực hình cầu.


26

Hình 3.10: Giọt mực ở các vận tốc khác nhau [10]

Ở trường hợp cuối cùng, giọt vệ tinh được hình thành từ đuôi của giọt mực khi sự

phân bố khối lượng trong giọt mực không thích hợp. Lúc này, đuôi giọt mực tách ra

khỏi đầu và hình thành một giọt khác di chuyển chậm hơn.

Hình 3.11: Sự hình thành giọt vệ tinh với

độ rộng xung rất lớn(a) và tần số cao(b) [10]


27

3.2.3. Các động thái của giọt mực sau khi đến đế in:

Quá trình biến dạng của giọt mực từ lúc chạm đế đến khi đạt trạng thái cân bằng

có thể chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn đầu là sự tương tác động học giữa giọt mực và

đế với sự tiêu tán động năng giọt mực do đặc tính nhớt của nó. Giai đoạn này chỉ diễn

ra trong vài µs, ngay sau đó là giai đoạn lan ra trên bề mặt đế đến trạng thái cân bằng

dưới tác động của sức căng bề mặt (Hình 3.12). Kích thước giọt mực thu được phụ

thuộc vào giai đoạn tương tác động học đầu tiên nếu quá trình chuyển pha của mực từ

lỏng sang rắn diễn ra nhanh, hoặc do giai đoạn thứ hai quyết định nếu sự chuyển pha

xảy ra chậm.

Hình 3.12: Lược đồ minh họa sự biến dạng và lan ra

của giọt mực trên đế theo thời gian [16]

Lực hấp dẫn trong trường hợp này được bỏ qua [15]. Một giọt chất lỏng khi đạt

đến trạng thái cân bằng, có năng lượng bề mặt thấp nhất, sẽ có hình dạng là chỏm cầu

với góc tiếp xúc là . Giá trị của , tương ứng năng lượng thấp nhất, được xác định bởi

phương trình Young – Durpe:

Với : năng lượng mặt phân giới giữa đế và không khí;

: năng lượng mặt phân giới giữa đế và giọt chất lỏng;

: năng lượng mặt phân giới giữa giọt chất lỏng và không khí.


28

Giả sử hình dạng các giọt mực khi đạt trạng thái cân bằng là chỏm cầu hoàn hảo,

và thể tích giọt mực từ trước khi chạm đế đến lúc cân bằng không thay đổi, ta có công

thức tính kích thước giọt mực trên đế là:

{

}

⁄

Với deqm: đường kính giọt mực trên đế sau khi đạt trạng thái cân bằng;

d0 : đường kính giọt mực trước khi đến đế.

Để có thể in được các mẫu in 2 chiều lên bề mặt đế, chúng ta cần cho các giọt

mực tương tác và hợp nhất lại với nhau. Đối với trường hợp giọt chất lỏng hoàn toàn là

dung môi, đường kính của chúng sẽ giảm và vùng tiếp xúc với đế co lại với một góc

tiếp xúc không đổi trong suốt quá trình bay hơi. Do đó, hai giọt chất lỏng kết hợp với

nhau có xu hướng hình thành chỏm cầu lớn hơn để thu nhỏ diện tích bề mặt. Tuy

nhiên, nếu trong mực in có chứa các phần tử rắn (ví dụ, mực chứa hạt nano bạc), động

thái của các giọt mực trên đế sẽ khác. Sự bay hơi dung môi không diễn ra đồng đều

trên giọt mực. Tốc độ bay hơi tại đường biên sẽ nhanh hơn vị trí trung tâm giọt mực.

Lớp phần tử rắn tại đường biên sẽ giữ cho đường ranh giới của giọt mực không thể co

lại được. Do đó, dung môi có xu hướng bổ sung cho sự thiếu đang hụt lớn dần ở vùng

bên ngoài giọt mực. Cùng lúc đó, nó sẽ mang các phần tử rắn ra ngoài đường biên,

hình thành một vòng các phần tử tập trung bên ngoài. Hiện tượng này được gọi là hiện

tượng “giọt cà phê” (Hình 3.13). Một ảnh hưởng của việc đường ranh giới cố định là

góc tiếp xúc sẽ giảm khi dung môi bị loại bỏ dần.

Hình 3.13: Hiện tượng “giọt cà phê”

Các phần tử tập trung tại vòng ngoài giọt mực


29

Khi đường ranh giới của giọt mực được giữ cố định, dòng chảy của chất lỏng bị

giới hạn, một chuỗi các giọt tương tác nhau sẽ tạo ra chi tiết thẳng. Davis đã chứng

minh rằng, dải chất lỏng sẽ giữ ổn định mà không tách ra thành những chỏm cầu riêng

lẻ nếu góc tiếp xúc tự do thay đổi trong khi đường ranh giới của nó được giữ cố định

[17]. Theo đó, chúng ta có thể tính được độ rộng của đường mực tạo bởi sự chồng

chập lên nhau của chuỗi giọt mực có đường kính trước khi đến đế là d0 và khoảng cách

giữa chúng là p qua công thức:

√

[ ⁄ ⁄ ]

Hình 3.14: Mô hình quan hệ d0, p, w [15]

CHƯƠNG 4

NỘI DUNG THỰC NGHIỆM

CHƯƠNG 4: NỘI DUNG THỰC NGHIỆM

31

4.1. Các thiết bị dùng trong thực nghiệm:

4.1.1. Máy in phun: Dimatix Materials Printer:

Việc in phun các vật liệu cho các ứng dụng trong ngành điện – điện tử đòi hỏi

khắt khe hơn so với in ấn thông thường. Cụ thể, các hệ thống in phun như thế phải đáp

ứng được những điều kiện sau:

Có thể điều khiển chính xác sự hình thành giọt mực, sự phun mực và hướng

phun giọt mực;

Có hệ thống tạo ảnh để đánh giá sự ổn đinh của giọt mực;

Có thể điều khiển chính xác vị trí giọt mực trên đế in với độ sai lệch vào

khoảng ± 5µm.

Với những yêu cầu như thế, thiết bị in phun Dimatix Materials Printer 2831 được

tích hợp một số hệ thống con để thu được sản phẩm tốt nhất.

Hình 4.1: Dimatix Materials Printer

Cấu tạo máy in:

Hệ thống cơ:

Phạm vi in:

Đế có độ dày nhỏ hơn 0.5mm: 210mm x 315mm (8.27in x 12.4in).

Đế có độ dày từ 0.5mm đến 25mm: 210mm x 260mm (8.27in x 10.2in).

Khả năng lặp lại: ± 25 μm (± 0.001 in).


32

Bộ phận giữ đế in: là tấm hút chân không, có thể thay đổi nhiệt độ, từ nhiệt độ

của môi trường đến 600C.

Điều kiện hoạt động: 15 – 400C, độ ẩm 5 – 80% RH không ngưng tụ, đặt ở độ

cao không quá 2000m.

Hình 4.2: Cấu tạo máy in phun DMP [9]

Hệ thống camera quan sát:

Cho phép canh chỉnh đế bằng cách sử dụng các điểm chuẩn;

Cho phép định vị điểm in gốc hay điểm chuẩn cho khớp cho khớp sự dịch

chuyển của đế;

Cho phép đo các chi tiết và vị trí;

Cho phép khảo sát và ghi lại hình ảnh các mẫu hay các giọt mực được in;

Cho phép canh chỉnh cho các hộp mực thẳng hàng khi sử dụng nhiều hộp mực

cùng một lúc;

Cho phép điều chỉnh các giọt mực rơi chính xác trên đế đã được in trước đó.


33

Đầu in:

Hình 4.3: Đầu in [9]

Hình 4.4: Bộ phận in [9]

Sử dụng nguyên lý áp điện để phun mực, bao gồm bình chứa mực thể tích

1.5ml, đầu in có khả năng tăng giảm nhiệt độ từ nhiệt độ phòng (230C) đến

700C nhằm thay đổi độ nhớt của mực in, chỉ sử dụng được một lần.

Cho phép in nhiều loại vật liệu trong các dung dịch khác nhau như nước, dung

môi, a-xít, bazờ. Tuy nhiên mực in phải đáp ứng được các thông số sau:

Độ nhớt: 2 – 30 cps

Sức căng bề mặt: 28 – 33 dynes/cm (0.028 – 0.033 N/m)

Kích thước hạt: nhỏ hơn 0.2µm


34

Đầu in bao gồm 16 lỗ phun mực với đường kính 21.5µm, khoảng cách giữa

các lỗ phun là 254µm.

Thể tích một giọt mực: 1 – 10pl.

Hệ thống máy tính điều khiển và phần mềm đi kèm:

Cho phép thiết kế, chỉnh sửa mẫu in;

Điều khiển hoạt động của máy in: bật tắt hệ thống hút chân không, làm sạch

bề mặt đầu in…

Điều chỉnh các thông số của quá trình in: thông số đế, dạng sóng của điện áp

đặt vào…

Nguyên lý hoạt động của máy đã được trình bày trong phần 3.1.1.

4.1.2. Mực in:

In phun là kỹ thuật rất hấp dẫn cho phép in các loại vật liệu khác nhau, có thể chế

tạo hoàn chỉnh các thiết bị mà chỉ cần một máy in, không cần phải có hệ thống chân

không cao. Trong khuôn khổ bài luận văn này, tôi chỉ sử dụng mực kim loại để tạo

thành các đường dẫn điện.

Mực được sử dụng là mực chứa hạt nano bạc SunTronic Jet Silver U5603. Sau

đây là một số tính chất của loại mực này:

Độ nhớt: 10 – 13cps

Sức căng bề mặt: 27 – 31mN/m

Nồng độ bạc: 20% khối lượng

Điện trở suất : 5-30µΩ.cm ở khoảng 150-3000C.

4.1.3. Đế in:

Đề tài nghiên cứu quy trình in phun được tiến hành tại LNT có định hướng cho

các ứng dụng trong ngành điện tử dẻo. Và loại đế in làm từ poly(ethylene

terephthalate) (PET) được chúng tôi chọn sử dụng vì những ưu điểm của nó như [18]:

Độ dẻo, uốn cao, giá thành rẻ;

Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, Tg, thích hợp với nhiệt độ quy trình in của máy

(tối đa là 600C). Điều này cho phép chúng ta in trên đế PET ở các nhiệt độ khác

nhau mà không là thay đổi cấu trúc bề mặt của nó;


35

Hệ số dãn nở nhiệt thấp (15 ppm/0C);

Mô-đun đàn hồi khá lớn;

Trong suốt, với độ truyền qua lớn hơn 85%;

Hấp thụ nước rất thấp (~ 0.14%).

Hình 4.5: Công thức cấu tạo của PET

4.1.4. Kính hiển vi kim loại học:

Kính hiển vi kim loại học (Metallurgical Inverted Microscope – GX51) cho phép

ta quan sát bề mặt mẫu trong một vùng diện tích nhỏ với độ phóng đại 50, 100, 200,

500, 1000, 1500 lần. Hình ảnh bề mặt mẫu được thu lại bằng máy ảnh kỹ thuật số.

Hình 4.6: Kính hiển vi kim loại học GX51

Ngoài ra, phần mềm ANALYSIS đi kèm trong máy tính là công cụ hỗ trợ đắc

lực, giúp chúng ta dễ dàng điều chỉnh tiêu cự thấu kính để thu được hình ảnh chất

lượng tốt nhất. Bên cạnh đó, phần mềm còn cung cấp một số công cụ giúp chúng ta đo

kích thước các giọt mực trên bề mặt đế.


36

Cấu tạo: kính hiển vi kim loại học gồm những bộ phận sau:

Cơ cấu nâng hạ bàn mẫu: dịch chuyển vị trí thẳng đứng của mẫu đối với vật

kính để thay đổi khoảng cách quan sát;

Bàn mẫu và các núm chỉnh dọc ngang: thay đổi vùng quan sát của mẫu;

Ống kính: gồm vật kính và thị kính;

Núm chỉnh thô và chỉnh tinh: chỉnh khoảng cách của mẫu cho trùng với mặt

phẳng tiêu diện của vật kính.

Nguyên lý hoạt động:

Ánh sáng phản xạ trên mẫu được hội tụ tên mặt phẳng tiêu diện vật kính. Vật

kính tạo thành ảnh thật M’ cách mặt phẳng tiêu diện một khoảng gọi là độ dài quang

trục.

Ảnh M’ lớn hơn ảnh M một lượng ⁄ , gọi là độ phóng đại riêng của vật

kính (5x, 10x, 50x, 100x, 150x). Ảnh này có thể nhìn thấy bằng mắt qua thị kính T

hoặc được nhìn thấy trên màn hình camera.

Độ phóng đại của thị kính B” được ghi trên vỏ thị kính. Thị kính chỉ phóng đại to

lên những gì đã có ở ảnh tạo bởi vật kính chứ không tăng độ phân giải.

Độ phóng đại chung của kính hiển vi trong khoảng B’×B”. Độ phóng đại càng

lớn thì phạm vi quan sát càng nhỏ đi, nhưng sự phân giải các tổ chức sẽ rõ ràng hơn.

Chọn vật kính và thị kính: độ phóng đại hữu ích của kính hiển vi chọn trong

khoảng 500 – 1000×A; với A là khẩu độ của vật kính, = {0.15, 0.4, 0.65,

0.9, 1.3, 1.66}.


37

Hình 4.7: Nguyên lý chiếu sáng của kính hiển vi

Hình 4.8: Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi


38

4.1.5. Thiết bị đo độ dày: DEKTAK 6M

Thiết bị này đo mẫu bằng bằng phương pháp cơ điện thông qua việc di chuyển

mẫu bên dưới một đầu nhọn làm từ kim cương. Bệ đặt mẫu di chuyển chính xác thông

qua theo sự lập trình quãng đường, tốc độ và lực của đầu nhọn quét trên mẫu. Đầu

nhọn được gắn kèm bộ phận chuyển đổi cơ – điện.

Hình 4.9: Mô hình hoạt động của thiết bị [21]

Khi bệ đặt mẫu di chuyển, đầu nhọn quét trên bề mặt mẫu. Sự thay đổi bề mặt

của mẫu làm đầu nhọn chuyển động lên xuống thẳng đứng. Tín hiệu điện tương ứng

với sự di động đó của đầu nhọn được tạo ra (bộ phận LVDT – Linear Variable

Differential Transformer (Hình 4.9). Những tín hiệu này sau đó được điều chỉnh và

chuyển đổi về dạng dữ liệu số, sau đó phần mềm DEKTAK 6M đi kèm trong máy tính

sẽ biểu diễn chúng trên đồ thị. Phần mềm này còn cung cấp công cụ giúp xác định độ

dày cần tìm.

Hình 4.10: DEKTAK 6M


39

4.1.6. Thiết bị đo điện trở suất:

Thiết bị bốn mũi dò dùng để đo điện trở suất của vật liệu bán dẫn. Bộ phận chính

gồm bốn mũi dò bằng vonfram. Mỗi mũi dò đều có gắn thêm một lò xo để nó có thể

đàn hồi nhằm tránh làm hại mẫu. Bốn mũi dò có thể di chuyển lên xuống trong quá

trình đo. Dòng điện cung cấp ở hai mũi bên ngoài, một vôn kế đo điện thế qua hai mũi

bên trong để tính được điện trở suất của mẫu. Khoảng cách giữa hai mũi, s, không đổi

và khoảng 1 mm.

Hình 4.11: Mô hình hoạt động 4 mũi dò

Nguyên lý hoạt động: chúng ta xem các mũi dò là vô cùng bé và kích thước mặt

bên của mẫu là bán vô hạn.

Ta có công thức vi phân điện trở là:

Đối với những lớp có độ dày rất mỏng (t << s), dòng điện tỏa ra theo hình tròn.

Thay biểu thức diện tích A = 2 xt vào công thức trên rồi lấy tích phân:

∫

∫

Như vậy, đối với ⁄ , điện trở suất của màng mỏng là:

(

) (

)


40

Hình 4.12: Thiết bị đo điện trở suất bốn mũi dò

4.2. Chuẩn bị thực nghiệm:

4.2.1. Đế in:

Đế PET với kích thước 210 x 300mm được làm sạch cả hai mặt bằng dung dịch

ethanol và acetone để loại bỏ các chất hữu cơ tồn tại trên bề mặt. Sau đó chúng ta rửa

lại bằng nước DI (nước đã được khử các ion trong dung dịch) và làm khô bằng súng

nitơ.

4.2.2. Máy in phun:

Trước khi tiến hành in mẫu, chúng ta cần kiểm tra tình trạng của các vòi phun

mực thông qua hệ thống camera tích hợp trong máy. Từ đó chúng ta điều chỉnh lại các

thông số cho thích hợp.


41

Điều chỉnh điện áp, tần số cho các vòi phun mực:

Hình 4.13: Cửa sổ cài đặt điện áp, tần số [9]

Độ lớn điện áp đặt vào các vòi phun ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phun mực

của vòi, tốc độ và thể tích của giọt mực khi ra khỏi vòi phun.


42

Điều chỉnh nhiệt độ đầu in:

Hình 4.14: Cửa sổ cài đặt nhiệt độ đầu in [9]

Thay đổi nhiệt độ của đầu in giúp chúng ta thay đổi độ nhớt của mực in. Nhiệt độ

càng cao, độ nhớt dung dịch càng giảm, vận tốc giọt mực khi phun ra khỏi vòi càng

tăng. Ngược lại, nhiệt độ càng thấp, độ nhớt dung dịch tăng, vận tốc giọt mực khi phun

ra khỏi vòi càng giảm, thậm chí mực không thể thoát ra khỏi vòi phun.


43

Cài đặt chu trình làm sạch bề mặt:

Hình 4.15: Cài đặt chu trình làm sạch bề mặt [9]

Đối với những mẫu in lớn, có nhiều chi tiết, việc in liên tục trong một thời

gian dài có thể làm cho bề mặt vòi phun không còn sạch như ban đầu. Có một số lý

do dẫn đến tình huống này, ví dụ như tạp chất hay các hạt nano trong mực làm tắc

vòi phun, làm cho mực thay vì phun ra ngoài thành giọt lại tràn lên bề mặt vòi

phun. Do vậy, chúng ta cần thiết lập chu kỳ làm sạch đầu in để tránh hiện tượng

này xảy ra, ảnh hưởng đến sản phẩm in được.


44

Hình 4.16: Bề mặt vòi phun sau một thời gian làm việc

4.3. Kết quả và bàn luận:

4.3.1. Các vấn đề thƣờng gặp trong quá trình in phun:

4.3.1.1. Vòi phun mực không thẳng góc:

Đây là trường hợp khi giọt mực khi được phun ra khỏi vòi không rơi thẳng góc

xuống bề mặt đế in mà lệch góc so với bề mặt vòi phun (Hình 4.17). Nguyên nhân chủ

yếu dẫn đến hiện tượng này là do có các tạp chất hay các hạt nano bạc nằm trên bề mặt

vòi phun hay trong vòi phun và do bọt khí chắn ngay bên trong lỗ thoát mực của vòi

phun làm cho các giọt mực luôn bị đẩy ra với một góc khác 900 so với bề mặt vòi

phun.


45

Hình 4.17: Hiện tượng vòi phun không thẳng góc với bề mặt

Nếu tạp chất hay các bọt khí nằm trên bề mặt vòi phun, việc điều khiển máy in

thực hiện một chu trình làm sạch bề mặt có thể khắc phục được tình huống này. Nếu

chúng nằm ngay bên trong vòi phun, chúng ta có thể tăng điện áp đặt vào phần tử áp

điện để tăng lực đẩy các tạp chất, bọt khí ra ngoài rồi trả về điện áp ban đầu hoặc cho

vòi phun đó không hoạt động nữa (đưa điện áp về 0). Dù vậy, nếu hiện tượng này diễn

ra sau khi bắt đầu in, chúng ta sẽ thu được các mẫu bị lỗi như trong Hình 4.18:


46

Hình 4.18a: Lỗi in do vòi phun không thẳng góc

Hình 4.18b: Lỗi in do vòi phun không thẳng góc


47

Chúng ta có thể thấy rằng, đối với việc in các màng có diện tích lớn, việc vòi

phun không thẳng góc dẫn tới màng có độ dày không đồng đều, sự không đồng đều

này sẽ càng lớn khi ta in nhiều lớp. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể thu được các đường

dẫn điện không mong muốn giữa các chi tiết khi in các mẫu in phức tạp.

4.3.1.2. Vận tốc giọt mực ở các vòi phun không đều nhau:

Lỗi này được minh họa trong Hình 4.19:

Hình 4.19: Vận tốc vòi phun thứ ba chậm hơn các vòi khác

Trước lúc tiến hành in mẫu, chúng ta cần điều chỉnh lại điện áp đặt vào vòi phun có

vận tốc lớn hơn hay nhỏ những vòi còn lại. Nguyên nhân có thể là do sai số trong quá

trình chế tạo đầu in khiến cho điện áp đặt vào mỗi vòi phun khác nhau để các giọt mực

có vận tốc đều nhau.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn có thể gặp lại vấn đề này trong quá trình in. Khi thực hiện

in mẫu với nhiệt độ đế cao, khoảng cách rất ngắn giữa đầu in và đế trong suốt thời gian

dài làm việc khiến cho nhiệt độ đầu in tăng lên, dẫn đến độ nhớt của mực giảm. Lúc

này, sự bất ổn định về vận tốc các giọt mực bắt đầu diễn ra (Hình 3.7 và 3.9). Hiện

tượng này ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm in được do sự sai lệch vị trí các giọt

mực phun bởi vòi có vận tốc khác những vòi còn lại.


48

4.3.1.3. Vòi không phun mực:

Hình 4.20 bên dưới minh họa cho hiện tượng này. Trong khi các vòi phun bên

cạnh vẫn phun mực bình thường, chứng tỏ bộ phát tín hiệu điện áp hoạt động tốt, vòi

phun thứ hai từ trái qua không phun mực dù cho vẫn có điện áp đặt vào vòi phun.

Hình 4.20: Vòi không phun mực

Có hai nguyên nhân có thể giải thích cho hiện tượng này. Đầu tiên có thể là do

không khí bị giữ bên trong buồng chứa mực làm giảm hay triệt tiêu sóng lan truyền

trong buồng mực. Nếu là nguyên nhân này, chúng ta vẫn thấy mực bị đẩy ra ngoài tại

miệng vòi phun nhưng sẽ không có đủ năng lượng cho việc hình thành giọt mực.

Trường hợp thứ hai có thể xảy ra là vòi phun bị kẹt do những mảnh vụn trong chất

lỏng hay do vòi phun bị khô mực. Như thế, chúng ta không thể thấy mực tràn ra khỏi

miệng vòi phun.

Trong Hình 4.21 là mẫu in bị lỗi do vòi phun không phun mực. Ở các vị trí số 1,

vòi phun không ổn định làm cho đường in được không liền mạch. Bên cạnh đó, ở vị trí

số 2, vòi phun hoàn toàn bị tắc trong suốt quá trình in. Hậu quả của việc vòi không


49

phun mực là các đường dẫn như trong Hình 4.21 có độ dày không đồng đều, đặc biệt

là khi ta in nhiều lớp và không đạt được độ dẫn điện mong muốn.

Hình 4.21: Mẫu bị lỗi do vòi không phun mực

Tương tự như trường hợp vòi phun mực bị lệch, chúng ta có thể tăng điện áp đặt

vào phần tử áp điện để tăng lực đẩy các tạp chất, bọt khí ra ngoài rồi trả về điện áp ban

đầu hoặc cho vòi phun đó không hoạt động nữa (đưa điện áp về 0) để khắc phục tình

trạng này. Tuy nhiên, tình huống này vẫn có thể xảy ra trong lúc in.

4.3.1.4. Hình thành giọt vệ tinh:

Những cơ chế hình thành giọt vệ tinh đã được trình bày trong phần 3.2.2. Quan

sát hình ảnh giọt mực trong Hình 4.22a bên dưới đây, thay vì thu được 3 giọt mực

thẳng hàng có đường kính tương đương nhau, ta lại thấy giọt thứ ba lại chia thành 2

giọt nhỏ hơn hai giọt mực trước đó. Ở Hình 4.22b tiếp theo, có nhiều giọt mực rơi

xung quanh các đường dẫn điện in được


50

Hình 4.22a: Giọt vệ tinh

Hình 4.22b: Giọt vệ tinh

Việc hình thành giọt vệ tinh theo cơ chế thứ nhất rất khó xảy ra khi đang in vì

trong lúc kiểm tra sự phun mực ở các vòi, chúng ta đã điều chỉnh độ nhớt của mực và

vận tốc giọt mực về giá trị thích hợp để không xuất hiện giọt vệ tinh.


51

Đầu in sau thời gian dài làm việc sẽ bị tăng nhiệt độ do sự truyền nhiệt ở khoảng

cách gần từ đế, dẫn đến độ nhớt mực giảm, vận tốc các giọt mực tăng lên. Lúc này, sự

hình thành giọt vệ tinh có thể diễn ra theo cơ chế thứ hai.

Cuối cùng, các bọt khí rất nhỏ tồn tại trong mực in có thể là nguyên nhân dẫn đến

sự phân bố khối lượng không như ý muốn, khiến cho giọt vệ tinh được tạo ra theo cơ

chế thứ ba.

Nhận xét: qua những lỗi thường gặp phải khi in đã được trình bày, ta có thể thấy,

việc loại bỏ các phần tử có kích thước không thích hợp với vòi phun và các bọt khí

chứa trong mực đóng vai trò then chốt để thu được mẫu sau khi in có chất lượng như ý

muốn. Đây là bước khó khăn nhất trong toàn bộ quy trình in phun, từ khâu chuẩn bị

cho đến tiến hành in mẫu. Để có thể in mẫu có chất lượng tốt, cần đảm bảo sự phun

mực ở các vòi đạt được sự đồng đều và ổn định như trong Hình 4.23.

Hình 4.23a: Các vòi phun mực ổn định và đồng đều


52

Hình 4.23b: Các vòi phun mực ổn định và đồng đều

Dưới đây là một trong số những mẫu đạt chất lượng tốt mà chúng tôi thu được:

Hình 4.24a: Mẫu in các giọt mực

Khoảng cách giữa các giọt là 254µm


53

Hình 4.24b: Mẫu in các giọt mực

Khoảng cách giữa các giọt là 254µm (trục X) và 180 (trục Y)

4.3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ đế in lên đƣờng kính các giọt mực:

Nhiệt độ của đế in là một thông số ảnh hưởng đến khả năng in các chi tiết nhỏ

nhất có thể của máy in. Máy in phun DMP cho phép chúng ta thay đổi nhiệt độ bộ

phận giữ đế từ nhiệt độ phòng đến 600C. Trong thí nghiệm này, chúng tôi đã lần lượt

in các giọt mực trên đế PET ở nhiệt độ phòng, 300C, 40

0C, 50

0C, 60

0C, các thông số

khác giữ nguyên không đổi. Sau đó tiến hành đo đường kính 50 giọt mực ở mỗi mẫu

rồi lấy giá trị trung bình đường kính các giọt mực (xem thêm Phụ lục A).

Bảng 4.1: Đường kính trung bình các giọt mực theo nhiệt độ đế in

Nhiệt độ 230C 30

0C 40

0C 50

0C 60

0C

Đường kính trung bình

giọt mực [µm] 47.68 40.39 40.09 39.15 38.14


54

Hình 4.25: Ảnh hưởng của nhiệt độ đế in lên đường kính giọt mực

Ta có thể thấy sự sụt giảm rõ rệt đường kính trung bình các giọt mực khi tăng

nhiệt độ đế PET trong quá trình in từ nhiệt độ phòng (230C) lên 30

0C, đường kính

trung bình tiếp tục giảm khi nhiệt độ tiếp tục tăng lên 400C, 50

0C, 60

0C. Nguyên nhân

của sự sụt giảm này là do sự bay hơi của dung môi khi mực tiếp xúc với đế. Nhiệt độ

đế càng cao thì sự bay hơi diễn ra càng nhanh, thời gian mực lan ra trên đế ngắn hơn

làm đường kính của chúng sẽ nhỏ hơn.

4.3.3. Khảo sát độ phân giải của máy in:

Việc in đường dẫn điện được thực hiện bằng cách giảm khoảng cách giữa tâm hai

giọt mực để chúng hợp lại với nhau tạo thành một đường liên tục.

Khi muốn in những đường thẳng, chúng ta điều chỉnh khoảng cách giữa hai giọt

mực bằng cách thay đổi độ phân giải thông qua máy tính. Trong máy in phun DMP, độ

phân giải được định nghĩa là số chấm (dot) có trên một inch (dpi: dot per inch). Từ đó,

ta suy ra được mối quan hệ giữa khoảng cách hai giọt mực hay hai chấm (dot) với độ

phân giải là:

[ ]

[ ]

(xem Phụ lục B: bảng quan hệ giữa khoảng cách giọt mực với độ phân giải)

47.68

40.39 40.09 39.15 38.14

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70

Đường kính trung bình của giọt mực

(µ

m)

Nhiệt độ đế trong quá trình in


55

Trong phần này, chúng tôi cài đặt nhiệt độ của đế PET trong suốt quá trình ở

nhiệt độ phòng (230C) và lần lượt điều chỉnh độ phân giải sao cho khoảng cách giữa

các giọt mực giảm từ 60µm xuống 5µm.

Kết quả:

Hình 4.26: Hình ảnh các giọt mực ở khoảng cách p = 60µm



56





57





58





59

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70

Độ rộng của đường (µm)

Khoảng cách giữa các giọt mực (µm)


Nhận xét:

Các giọt mực chỉ bắt đầu nối liền với nhau tạo thành đường dẫn điện khi ta cho

máy in ở độ phân giải là 636 dpi (d = 40µm) và tạo thành đường liên tục tại 725.17 dpi

(d = 35µm). Chúng tôi tiến hành đo đường kính giọt mực (từ Hình 4.26 đến Hình 4.29)

và độ rộng của đường dẫn (từ Hình 4.30 đến Hình 4.37), mỗi mẫu lấy 10 giá trị (xem

Phụ lục D) và thu được kết quả như sau:

Bảng 4.2: Đường kính/độ rộng của các giọt/đường in

thay đổi ở các độ phân giải khác nhau

Khoảng cách

giọt mực

[µm]

Độ rộng

trung bình

[µm]

60 44.55

55 43.75

50 43.10

45 42.82

40 39.2

35 40.02

30 41.61

25 40.88

20 50.98

15 54.18

10 70.83

5 94.34

Hình 4.38: Độ rộng đường in thay đổi

theo khoảng cách giọt mực


60

Từ kết quả thu được, chúng tôi có những nhận xét như sau:

Trong phần 4.3.2, khi in các giọt mực với khoảng cách giữa chúng là 254µm,

đường kính trung bình của giọt mực ở nhiệt độ phòng là 47.68µm. Kết hợp với số liệu

thu được trong phần này, ta nhận thấy, đường kính giọt mực có xu hướng giảm khi ta

giảm khoảng cách giữa chúng. Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do khi ta

tăng độ phân giải khiến cho đầu in phải phun mực ở tần số cao hơn, lượng mực được

bơm vào trong pha 1 và phun ra trong pha 2 của chu trình làm việc của đầu in thấp

hơn.

Tuy nhiên, độ rộng của đường in lại có xu hướng tăng lên khi ta tiếp tục giảm

khoảng cách giữa các giọt mực xuống dưới 30µm nhưng không tăng đồng đều mà xuất

hiện chuỗi những vị trí phình ra dọc theo đường in. Sự phình ra không ổn định này

được nghiên cứu chi tiết bởi Duineved [19]. Đây là kết quả của sự bất ổn định động

học xảy ra bởi các dòng chảy chất lỏng cạnh tranh nhau khi có giọt mực mới đến bề

mặt đế. Khi giọt mực mới bắt đầu lan trên mặt đế và giao với đường mực cũ, dòng

chất lỏng có thể bị đẩy cho lan rộng ra hoặc chảy xuống đường mực. Duineved chứng

minh rằng, với khoảng cách giữa tâm các giọt nhỏ, thời gian giữa các giọt dài, sự chảy

xuống đường mực thường diễn ra hơn. Ngược lại, khi khoảng cách giữa các giọt mực

lớn hơn, thời gian giữa các giọt ngắn hơn, các dòng chất lỏng chủ yếu đẩy nhau ra. Vị

trí phình ra dọc đường in xảy ra là do giọt mực mới chảy xuống đường mực làm tăng

góc tiếp xúc cục bộ của đường mực, vượt qua những ràng buộc vốn giữ sự ổn định

kích thước giọt mực trên đế. Giới hạn xảy ra hiện tượng này là một hàm theo khoảng

cách giữa các giọt và tần suất giọt mực đến đế (được tính bằng vận tốc đầu in đi qua đế

chia cho khoảng cách giữa các giọt mực). Trên thực tế, sự phun mực của đầu in lên đế

tại một vị trí xác định luôn tồn tại sai số, khi khoảng cách giữa các giọt mực này càng

gần, sự sai lệch cũng góp phần tạo nên sự lồi lõm của đường mực in được. Sai lệch

càng lớn khi đầu in làm việc ở tần số càng cao.


61

4.3.4. In đƣờng dẫn điện:

Với kết quả đã khảo sát trong phần 4.3.3, chúng tôi chọn độ phân giải 725.71 dpi

(p = 35µm) để tiến hành in đường dẫn điện với đế in được giữ ở nhiệt độ phòng

(230C).

Về lý thuyết, chúng ta hoàn toàn có thể in được mẫu chỉ với 1 vòi phun duy nhất.

Tuy nhiên, điều này làm cho việc in mẫu mất nhiều thời gian, năng suất thấp sẽ khiến

cho nó giảm tiềm năng ứng dụng trong sản xuất. Khi sử dụng nhiều vòi phun cùng lúc,

chúng ta có thể xoay góc đầu in so với phương chuyển động của nó để đạt được độ

phân giải cần thiết.

Hình 4.39: Nguyên lý in đường dẫn điện dùng nhiều vòi phun

Công thức tính góc đầu in so với trục chuyển động của nó: (Hình 2.7)

Với: a: khoảng cách giữa các lỗ phun (254µm)

a*: khoảng cách giữa hai giọt mực cần đạt được [µm]

β: góc giữa đầu in với phương chuyển động

Trong phần này, chúng tôi sẽ tiến hành in đường dẫn điện với góc đầu in là 7.90.

Mẫu sau khi in được sấy khô ở 1000C trong 1h rồi tiếp tục phủ lớp thứ 2, 3. Để kích

hoạt tính dẫn điện của đường, các mẫu được nung kết khối tại nhiệt độ 1500C trong 90

phút [22]. Cuối cùng, chúng tôi sẽ đo độ dày và điện trở suất của sản phẩm in được tại

5 vị trí khác nhau cho mỗi mẫu


62

Kết quả:

Hình 4.40: Đường dẫn điện 1 lớp



63


Độ rộng của đường dẫn điện 1 lớp và 2 lớp giống nhau. Riêng đường dẫn 3 lớp

có sự sai biệt khá lớn là do lỗi canh chuẩn trước khi tiến hành in lớp thứ hai hoặc thứ

ba.

Bảng 4.3: Kết quả khảo sát độ dày và điện trở suất của đường dẫn điện

Mẫu Độ dày trung bình

[A0]

Điện trở suất

[.cm]

So sánh với độ dẫn

điện của bạc khối

1 lớp 5491 0.0000278 5.71%

2 lớp 9169 0.0000256 6.2%

3 lớp 12813 0.0000248 6.4%

Rõ ràng rằng, việc phủ thêm nhiều lớp sẽ làm tăng độ dẫn điện của đường in do

chúng ta làm tăng nồng độ các hạt dẫn điện trong các đường dẫn nhưng sự tăng độ dẫn

điện này không đáng kể. Các phần tử dẫn điện bạc trong mực ở dạng hạt nano nên độ

dẫn điện được quyết định chủ yếu bởi giai đoạn nung kết khối sản phẩm sau khi in.


64

4.3.5. In các đƣờng dẫn điện theo thiết kế ăng – ten RFID:

Dưới đây là mẫu in ăng – ten RFID bằng công nghệ in phun:

Hình 4.43a: Ăng – ten RFID

Hình 4.43b: Ăng – ten RFID


65

Hình 4.43c: Ăng – ten RFID

Hình 4.43d: Ăng – ten RFID


66

4.4. Kết luận :

Qua những kết quả thực nghiệm đạt được, chúng tôi đã đi đến kết luận như sau:

1/ Việc loại bỏ bọt khí và các phần tử có kích thước không thích hợp đối với đầu

in là cực kỳ quan trọng. Nó quyết định chất lượng sản phẩm in được.

2/ Kích thước giọt mực trên đế sau khi rời khỏi vòi phun phụ thuộc vào nhiệt độ

của đế lúc ấy. Nhiệt độ càng lớn thì kích thước giọt mực càng nhỏ.

3/ In đường dẫn điện được thực hiện bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các

giọt mực. Điều chỉnh độ phân giải thông qua máy tính sẽ thu được đường dẫn điện

mong muốn.

4/ Khi in đường dẫn điện, độ phân giải càng lớn, khoảng cách giữa các giọt mực

càng giảm, kích thước của chúng cũng giảm. Đường dẫn điện được hình thành khi

khoảng cách giữa các hạt khoảng 35µm với nhiệt độ đế in được giữ ở nhiệt độ phòng.

Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa chúng xuống dưới 25µm, độ rộng của đường bắt đầu

tăng lên nhưng không đồng đều và xuất hiện những vị trí phình ra.

5/ Khi tiến hành in nhiều lớp, cần chú ý sử dụng hệ thống camera quan sát tích

hợp trong đầu in để canh chuẩn, tránh sai lệch độ dày màng cũng như kích thước

không mong muốn.

6/ Việc in nhiều lớp có tác dụng làm tăng độ dẫn điện của đường.

4.5. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo:

1/ Khảo sát khả năng in màng dẫn điện trên các loại đế khác nhau.

2/ Khảo sát ảnh hưởng của đặc tính thấm ướt của đế lên kích thước các giọt, các

đường mực. Theo lý thuyết, đế có tính thấm ướt càng cao thì góc tiếp xúc của giọt mực

với đế càng nhỏ, đồng thời độ bám dính của màng tăng lên.

3/ Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung cùng thời gian nung đến độ dẫn điện

của sản phẩm.

4/ Kết hợp công nghệ in phun với các phương pháp chế tạo khác để làm tăng độ

dày (mạ điện). Tuy nhiên, cần chú ý đến khả năng bám dính của mực lên đế vì trong

quy trình mạ điện, mẫu được nhúng vào môi trường axit, có thể làm lớp mẫu đã in tróc

khỏi đế.

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. D. Redinger, S. Molesa, S. Yin et al. (2004). “An Ink-Jet-Deposited Passive

Component Process for RFID”, IEEE Trans. Electron Devices, 51, 1978.

2. E Gili, M Caironi, & H Sirringhaus. (2010). “Picoliter Printing”. Comprehensive

Nanoscience and Technology, 4, 117 – 143. Elsevier.

3. Jürgen Brünahl & Alex M. Grishin. (2002). “Piezoelectric shear mode drop-on-

demand inkjet actuator”. Sensors and Actuators A: Physical, 101, 371 – 382.

Elsevier.

4. Alan Hudd. (2010). “Inkjet printing technologies”. The chemistry of inkjet inks, 3

– 18. Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

5. Park JU, Hardy M, Kang SJ, et al. (2007). “High-resolution electrohydrodynamic

jet printing”. Nature Materials, 6(10), 782 – 789.

6. Bruce K. Gale, Mark A. Eddings, Scott O. Sundberg, Andrew Hatch, Jungkyu

Kim and Tammy Ho. (2008). “Low-Cost MEMS Technologies”. Comprehensive

Microsystems, 1, 341 – 378. Elsevier.

7. Helmut Kipphan. (2001). Handbook of Print Media. Springer.

8. Emine Tekin. (2007). Thin Film Libraries of Functional Polymers and Materials

Prepared by Inkjet Printing. Technische Universiteit Eindhoven. ISBN: 978-90-

386-1140-2.

9. Dimatix Fujifilm. (2008). Dimatix Materials Printer: DMP-2800 Series User

Manual.

10. Herman Wijshoff. (2007). “Drop formation mechanisms in piezo-acoustic

inkjet”. Nanotech 2007 Conference.

11. Emine Tekin, Patrick J. Smith & Ulrich S. Schubert. (2008). “Inkjet printing as a

deposition and patterning tool for polymers and inorganic particles”. Soft Matter,

4, 703 – 713.

12. B. V. Antohe & D. B. Wallace. (2002). J. Imaging Sci. Technol, 46, 409.

13. Jahn S. F., Jakob A., Reinhold I., Engisch L., Lang H. & Baumann R. R. (2010).

“Structuring of flexible substrates by the use of an aqueous solution based silver

ink”. LOPEC, (3), 684-688.

68

14. N. Reis, C. Ainsley & B. Derby. (2005). J. Appl. Phys, 97, 094903.

15. J. Stringer, B. Derby. (2009). Limits to feature size and resolution in ink jet

printing”. Journal of the European Ceramic Society, 29, 913–918.

16. Derby B. (2011). “Inkjet printing ceramics: From drops to solid”. J. Eur. Ceram.

Soc.

17. Davis SH. (1980). “Moving contact lines and rivulet instabilities. 1.The static

rivulet”. J. Fluid Mech., 98: 225–42.

18. I-Chun Cheng and Sigurd Wagner. (2009). “Overview of Flexible Electronics

Technology”. Flexible Electronics: Materials and Applications, 1 – 28. Springer.

19. Duineveld PC. “The stability of ink-jet printed lines of liquid with zero receding

contact angle on a homogeneous substrate”. J. Fluid Mech., 477:175–200.

20. Thijs H. J. van Osch, Jolke Perelaer, Antonius W. M. de Laat, & Ulrich S.

Schubert. (2008). “Inkjet Printing of Narrow Conductive Tracks on Untreated

Polymeric Substrates”. Advanced Materials, 20, 343 – 345.

21. Veeco Instruments, Inc. (2006). Dektak 6M Manual.

22. Krishna Balantrapu, Meaghan McMurran, Dr. Dan V. Goia. “Inkjet Printing of

Silver Nanoparticles for Electronic Applications” .

23. Hsien-Hsueh Lee, Kan-Sen Chou & Kuo-Cheng Huang. (2005). “Inkjet printing

of nanosized silver colloids”. IOP Publishing Ltd

69

PHỤ LỤC

A. Đƣờng kính các giọt mực ở các nhiệt độ khác nhau:

Nhiệt độ

đế in 23

0C 30

0C 40

0C 50

0C 60

0C

Đƣ

ờn

g k

ính

cá

c g

iọt

mự

c [µ

m]

47.556 48.490 40.602 39.395 40.452 38.183 39.580 39.553 39.395 39.249

47.111 49.092 40.000 38.789 40.753 40.910 38.976 39.403 37.880 37.144

47.407 48.183 41.053 37.274 39.701 37.880 38.674 38.955 37.880 39.400

47.259 49.093 39.248 41.516 41.355 38.183 39.278 39.104 38.183 39.099

48.297 49.395 40.301 41.516 40.904 41.213 39.580 38.955 37.880 38.798

47.407 49.395 38.947 40.001 40.152 37.274 39.580 37.164 38.183 37.896

48.444 48.789 39.098 41.213 36.392 38.789 40.184 37.612 36.970 38.197

48.000 49.395 38.647 40.910 40.904 40.001 39.580 37.463 38.183 37.746

47.704 49.396 40.902 41.819 38.648 39.698 41.997 38.209 38.486 37.896

47.259 48.183 39.399 40.304 40.452 40.001 41.997 36.567 38.487 37.896

47.556 48.789 41.354 41.516 41.204 39.698 38.371 36.567 36.063 37.144

48.296 48.790 39.850 40.607 41.355 37.577 38.371 38.060 36.061 37.746

45.037 49.396 41.955 40.304 41.204 38.789 37.163 37.761 37.880 38.046

48.000 48.789 40.000 40.607 40.452 38.183 38.976 38.209 37.275 37.746

47.259 48.641 41.353 39.970 41.656 38.430 37.163 39.370 38.183 37.612

47.259 49.474 40.451 40.757 41.204 40.773 39.278 39.836 36.970 39.725

48.593 49.302 40.601 39.954 40.302 37.027 38.674 38.456 38.183 39.847

47.704 48.459 40.902 40.865 40.904 42.648 37.163 37.961 37.274 39.393

48.148 49.123 40.151 40.463 41.205 42.651 38.674 39.847 38.486 37.961

45.926 49.436 38.496 40.268 39.400 44.057 37.163 41.245 37.274 37.964

48.148 48.712 40.762 41.004 38.183 39.525 41.642 40.773 39.550 37.968

48.446 48.556 40.001 41.011 38.183 42.651 40.448 41.713 39.099 38.124

47.556 50.250 38.486 42.221 40.001 44.288 41.493 41.014 39.400 37.265

47.265 49.791 40.001 40.726 37.880 40.784 40.000 41.008 39.099 37.285

50.304 49.682 41.819 42.340 42.122 40.219 39.701 39.132 39.400 38.047

Trung

bình 47.68µm 40.39µm 40.09µm 39.15µm 38.14µm

70

B. Quan hệ giữa độ phân giải, góc đầu in so với phƣơng chuyển động và

khoảng cách giữa các giọt mực:

Độ phân giải [dpi] Góc đâu in so với

phƣơng chuyển động[0]

Khoảng cách giữa tâm các

giọt mực [µm]

5080.00 1.1 5

2540.00 2.3 10

1693.33 3.4 15

1270.00 4.5 20

1016.00 5.6 25

846.67 6.8 30

725.71 7.9 35

635.00 9.1 40

564.44 10.2 45

508.00 11.4 50

461.82 12.5 55

423.33 13.7 60

C. Kết quả khảo sát độ dày và điện trở suất:

Mẫu Độ dày

[A0]

Điện trở

suất

[.cm]

Mẫu Độ dày

[A0]

Điện trở

suất

[.cm]

Mẫu Độ dày

[A0]

Điện trở

suất

[.cm]

1 lớp

5118 0.000028

2 lớp

9385 0.000024

3 lớp

13387 0.000027

5359 0.000028 9213 0.000025 12453 0.000024

5078 0.000028 9202 0.000029 11983 0.000022

6379 0.000027 8974 0.000025 13425 0.000026

5523 0.000028 9070 0.000025 12816 0.000025

Trung

bình 5491.4 0.0000278

Trung

bình 9168.8 0.0000256

Trung

bình 12812.8 0.0000248

71

D. Đƣờng kính/độ rộng của giọt/đƣờng mực khi thay đổi khoảng cách

giữa tâm các giọt mực:

Khoảng

cách

giữa các

giọt[µm]

Đƣờng

kính

giọt

[µm]

Trung

bình[µm]

Khoảng

cách giữa

các

giọt[µm]

Đƣờng

kính

giọt

[µm]

Trung

bình[µm]

Khoảng

cách

giữa các

giọt[µm]

Đƣờng

kính

giọt

[µm]

Trung

bình[µm]

60

44.294

44.55 40

39.719

39.20 20

56.486

50.98

44.997 39.382 48.984

44.288 39.374 53.914

44.991 41.477 45.704

44.523 39.193 48.515

44.523 37.614 56.712

45.001 38.665 49.218

44.057 37.786 51.338

44.759 39.368 51.103

44.055 39.374 47.818

55

42.885

43.75 35

39.725

40.02 15

50.269

54.18

43.616 39.03 59.055

43.82 40.787 58.375

43.946 39.393 58.001

44.155 40.084 60.115

44.294 39.733 46.051

43.95 40.446 49.943

43.796 40.811 52.032

43.764 39.744 54.135

43.247 40.436 53.807

50

42.181

43.10 30

41.852

41.61 10

59.78

70.83

41.829 41.514 71.005

43.591 41.9 84.757

43.938 42.918 62.614

44.29 42.567 79.852

41.881 41.841 60.845

42.884 41.852 84.783

43.591 40.787 61.899

43.585 41.149 72.098

43.24 39.758 70.706

45

42.181

42.82 25

40.798

40.88 5

94.674

94.34

42.888 44.997 105.926

42.895 43.257 90.043

42.888 39.758 91.018

43.247 41.149 88.139

43.235 40.787 102.675

42.882 37.636 88.608

42.544 38.353 97.536

42.185 38.704 98.958

43.24 43.374 85.776