Chuyên mục

Liên kết website
Thống kê truy cập
Đang trực tuyến : 327
Tổng truy cập : 57,998

Công Nghệ

Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng dùng trong công nghệ in phun và chế tạo linh kiện micro-nano (09/05/2018)

Công nghệ in phun (Inkjet printing) là một kỹ thuật tân tiến cho phép sử dụng máy in văn phòng để in các văn bản, hình ảnh trên chất liệu giấy và các chất liệu khác. Công nghệ này đã đạt được những tiến bộ vượt bậc cho phép in ảnh chất lượng cao, và trong những năm gần đây bắt đầu được ứng dụng vào lĩnh vực chế tạo các loại màng mỏng trên các loại đế khác nhau. Mực in phun là vấn đề cốt yếu trong ứng dụng công nghệ in phun.

Các nghiên cứu đã nhận định rằng hầu hết các hạn chế và lỗi sản phẩm đều liên quan đến dung dịch mực in phun. Mực in phải đáp ứng các điều kiện phù hợp trong cả hệ thống in phun, bao gồm những vấn đề như: thấm ướt bên trong đầu in, độ nhớt thường giới hạn trong phạm vi từ 8 đến 20 cP, áp suất hơi thấp, sức căng bề mặt phù hợp với từng đầu in khác nhau và các yêu cầu khác nhau. Trong thực tế, bản chất mực in phun là chất mang các phân tử hoặc đám phân tử để tạo các chức năng cần có của lớp in. Chúng ta có thể thấy rõ mực in trong đồ họa mang chất màu với chất bảo vệ chống lại ánh sáng hay những phân tử đặc biệt giúp kiểm soát sự lan truyền của mực in trên bề mặt. Đối với các loại mực in dẫn điện thích hợp cho việc chế tạo các mạch vi cơ điện tử thì các hạt nano kim loại được mang bởi mực in phun và tạo thành lớp cuối cùng cần đặc khít lại sau khi dung môi bay hơi. Lớp này sẽ cần phải trải qua một quá trình nung kết khối để được hợp nhất thành một màng liên tục. Để đạt được điều này, các phân tử hữu cơ được thêm vào mực in để ổn định các hạt nano kim loại trong dung dịch mực in không được hình thành một lớp quá bền vững, để có thể loại bỏ các phân tử hữu cơ trong lúc sấy khô ở nhiệt độ thấp. Sau khi in, lớp màng in cần được xử lý nhiệt, điều này là cần thiết để các hạt nano dẫn điện liên kết với nhau tạo thành lớp màng đồng nhất. Vì vậy, hình thành được công thức mực in phun là chìa khóa để chế tạo thành công các màng dẫn điện bằng phương pháp in phun.

 

Với mục tiêu, có thể nghiên cứu hoàn chỉnh công thức mực in nano bạc (Ag để giải quyết 2 vấn đề là tăng thời gian ổn định của mực in hạt nano bạc và cải thiện khả năng dẫn điện của mực in hạt nano bạc, nghiên cứu chế tạo hạt nano đồng (Cu) và mực in nano đồng (Cu) có thể ứng dụng trong công nghệ in phun nhằm giảm giá thành sản phẩm và nghiên cứu ứng dụng công nghệ in phun để chế tạo cảm biến không dây dựa trên nền tảng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) có khả năng phát hiện khí NH3, nhóm nghiên cứu do TS. Đặng Thị Mỹ Dung, Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng dùng trong công nghệ in phun và chế tạo linh kiện micro-nano”. Đây là đề tài thuộc lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ Vật liệu mới. Và có thể nói, Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano (LNT) - ĐHQG TP. HCM là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ in phun và nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại nhằm chế tạo mạch điện tử.

Sau một thời gian triển khai nghiên cứu, về cơ bản nhóm nghiên cứu đã hoàn thành tất cả nội dung nghiên cứu đã đăng ký trong thuyết minh và hợp đồng của đề tài thuộc ba mảng nghiên cứu lớn đó là:

- Đã nghiên cứu và chế tạo thành công mực in hạt nano kim loại bạc với đầy đủ các tính chất phù hợp với máy in phun chuyên dụng Dimatix và có thể so sánh với mực in thương mại

Trong đề tài, thông qua quá trình nghiên cứu chế tạo mực in hạt nano tại LNT, chúng tôi đã tìm ra được công thức mực in hạt nano thích hợp cho máy in phun, và khảo sát độ ổn định cũng như sự kết tụ của mực in hạt nano bạc. Chúng tôi thu được công thức mực in nano bạc tối ưu (LNT-4) với các thành phần như sau: Nano Ag và PVP còn dư: 20 wt%; H2O: 17 wt%; Ethanol: 16,56 wt%; Ethylene glycol: 0,64 wt%; Glycerin: 41,12 wt%; 2-isopropoxyethanol: 0,056 wt%; Ethyl acetate: 1,36 wt%; Ethyl formate: 3,12 wt%; Ethyl glycolate: 0,064 wt%; 2-methyl-1,3-dioxolane: 0,088 wt%; Diethyloxalate: 0,024 wt%.

Các kết quả thu được cho thấy công thức mực in tốt nhất LNT-4 với nhiệt độ nung thích hợp từ 200 - 250 độ C sẽ cho kết quả độ kết chặt, lấp đầy màng và điện trở suất tốt nhất (2,99 µΩ.cm). Dung dịch mực in ổn định 4 tháng với sức căng bề mặt là 28,7 mN m và độ nhớt 12,3 cP thích hợp sử dụng cho máy in phun Dimatix. Sau khi in bằng mực in nano bạc, lớp in có độ bám dính tốt, bề mặt đẹp.

 Tiến hành so sánh trong nước: Việc nghiên cứu về công nghệ in phun và nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại chưa được thực hiện ở Việt nam, do vậy kết quả nghiên cứu của Đề tài này là hoàn toàn mới ở trong nước.

- Tiến hành so sánh với Quốc tế: so sánh với 3 loại mực in thương mại từ các hãng Sun Chemical, NovaCentrix và Cima Nanotech:

+ Mực in từ hãng Sun Chemical có thể phun tốt và có thể ứng dụng để chế tạo các mạch vi điện tử bằng công nghệ in phun.

+ Mực in từ hãng NovaCentrix có độ nhớt khá thấp 4 cP, nên mực in bị chảy ra từ các vòi phun nên không thể in phun được trên máy in phun chuyên dụng Dimatix (Hoa Kỳ.

+ Mực in từ hãng Cima Nanotech có các hạt nano bạc bị kết tụ, nên làm tắt vòi  phun nên cũng không thể phù hợp cho việc in phun sử dụng máy in phun chuyên dụng Dimatix (Hoa Kỳ .

Như vậy, mực in nano kim loại được chế tạo trong Đề tài này có thể so sánh ngang tầm với mực in thương mại của Quốc tế (Hãng Sun Chemical).

- Đã nghiên cứu và chế tạo hạt nano đồng (Cu) và mực in nano đồng (Cu)

Đã chế tạo thành công dung dịch hạt nano đồng bằng cách sử dụng chất khử sodium tetrahydidoborate (NaBH4) trong khi sử dụng ascorbic acid như chất khử nhẹ. Kích thước hạt nano đồng từ 6nm đến 40nm. Hạt nano đồng ở trạng thái ổn định trong dung dịch trong khoảng 2 tháng và các hạt nano vẫn ổn định (màu đỏ) ở dạng bột ít nhất 1 tháng.

Việc tìm ra công thức mực in nano đồng là một vấn đề khó khăn vì khả năng oxi hóa nhanh chóng của hạt nano đồng. Đây cũng là lý do tại sao trên thế giới vẫn chưa có mực in hạt nano đồng thương mại. Các kết quả đề tài thu được cho thấy các mẫu mực in nano đồng có đỉnh cộng hưởng Plasmon của hạt nano đồng, điều này chứng tỏ hạt nano đồng đã phân tán vào các dung môi. Vì các công thức mực in có độ nhớt cao (50-80 cP) nên thời gian ổn định khá lâu, theo quan sát và đo UV-Vis chúng thấy dung dịch mực in hạt nano đồng ổn định và không bị oxi hóa hơn 1 tháng lưu trữ.

Mặc dù trong đề tài này chúng tôi đã thu được công thức mực in hạt nano đồng có độ nhớt cao (50-80 cP) ổn định và không bị oxi hóa hơn 1 tháng lưu trữ và điện trở suất đạt 900 µΩ.cm. Tuy nhiên mực in này không ứng dụng được cho máy in phun Dimatix 2831 có sẵn ở LNT vì độ nhớt của mực in là quá cao. Chúng tôi hi vọng rằng có thể chế tạo mực in hạt nano đồng ứng dụng cho thiết bị in phun siêu mịn (vùng độ nhớt rất rộng là từ 1 - 50.000 cP) trong tương lai.

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ in phun để chế tạo cảm biến không dây dựa trên nền tảng công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) có khả năng phát  hiện khí NH3

Đã chế tạo thành công cảm biến dựa trên công nghệ RFID có thể phát hiện khí NH3 ở nồng độ thấp (khoảng 10-30ppm và đưa ra cảnh báo bằng tín hiệu không dây với 1 khoảng cách khá xa (vào khoảng 10m ứng với công suất đầu đọc là 30dBm và khoảng 2.5m ứng với công suất đầu đọc là 24dBm).

Giá trị thay đổi trở kháng và tầm đọc tốt nhất ghi nhận được là:

+ Phương pháp nhỏ giọt: trở kháng thay đổi từ 12.6–j26 Ohm thành 18.3–j23 Ohm khi có khí NH3 với nồng độ cao (500 ppm) ứng với vị trí nhỏ giọt là  cách vòng xoắn bên trái 5mm. Còn tầm đọc giảm từ 4.2m xuống còn 1.8m (ứng với công suất đầu đọc là 28dBm).

+ Phương pháp phủ xoay: 2 điều kiện sau đây giúp tạo ra mẫu có độ nhạy khí tốt nhất đó là 2μl dung dịch CNT, sấy với nhiệt độ 80oC và 4μl dung dịch CNT, sấy với nhiệt độ ban đầu là 60oC. Tầm đọc được ghi nhận là có sự thay đổi từ 2.5m ban đầu khi chưa có khí NH3 trở thành 1.9m khi có khí NH3 nồng độ thấp (10-30ppm), ứng với công suất đầu đọc là 24dBm. Theo tính toán khi công suất đầu đọc là 30dBm, tầm đọc ban đầu có thể tăng lên khoảng 10m khi chưa có khí NH3 và suy giảm còn khoảng 8m khi có khí NH3.

+ Phương pháp buckypaper: Ứng với cường độ siêu âm 50% và nhiệt độ bay hơi là 90oC, thì có thể thu được mẫu có độ nhạy tốt với khí NH3. Mẫu có sự thay đổi trở kháng đáng kể khi cho tiếp xúc với với các nồng độ khí NH3 khác nhau. Tầm đọc cũng giảm từ 2m xuống thành 1.9m ứng với 10ppm NH3 và 1.6m ứng với 30-60ppm NH3.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là tiến hành cải tiến khả năng định lượng nồng độ khí. Nghiên cứu lựa chọn thiết kế, vị trí phủ CNT phù hợp cho độ đáp ứng nhanh và nhạy khí hơn. Xây dựng ứng dụng phát hiện cảnh báo khí độc không dây trong tương lai.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13039-2016) tại Cục Thông tin KH&CN quốc gia.

Nguồn: Most.gov.vn

Cập nhật: 26/4/2018