LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi, được thực
hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Đặng Mậu Chiến và TS. Eric
Fribourg-Blanc (CEA-LETI-MINATEC, Cộng hòa Pháp). Các số liệu và kết
quả trình bày trong Luận án là trung thực, chưa được công bố trong các công trình
nào khác mà tôi không tham gia.
Tác giả

Đặng Thị Mỹ Dung

i


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Phòng
Thí nghiệm Công nghệ Nano - ĐHQG TP. HCM. Phòng Đào tạo sau Đại học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời
gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Thầy PGS.TS.
Đặng Mậu Chiến đã tận tình giúp đỡ và dìu dắt tôi từ khi tôi vừa bắt đầu sự nghiệp
nghiên cứu khoa học. Trong suốt quá trình thực hiện Luận án này, Thầy đã tận tình
hướng dẫn, dành nhiều thời gian định hướng và chỉ bảo tôi rất nhiều. Sự hiểu biết
sâu rộng, cũng như kinh nghiệm của Thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những
thành tựu và kinh nghiệm quý báu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Eric Fribourg-Blanc
(CEA-LETI-MINATEC, Cộng hòa Pháp), người Thầy tâm huyết đã tận tình
hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi, định hướng cho tôi
trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Mặc dù khoảng cách xa
xôi nhưng Thầy luôn tìm kiếm phương pháp phù hợp để có thể truyền đạt hết ý
tưởng và kiến thức quý báu cho tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên của Nhóm nghiên cứu

1.2.1. Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu về hạt nano kim loại trong và
ngoài nước .............................................................................................................. 13
1.2.2. Hạt nano kim loại .......................................................................................... 16
1.2.3. Cơ chế ổn định của dung dịch keo hạt nano kim loại ..................................... 17
1.2.4. Chế tạo hạt nano kim loại .............................................................................. 19
1.3. Tổng quan về mực in phun ................................................................................... 23
1.3.1. Phân tích, đánh giá tình hình nghiên cứu về mực in phun trên thế giới .......... 23
1.3.2. Các loại mực in phun .................................................................................... 25
1.3.3. Yêu cầu của mực in dẫn điện ứng dụng trong kỹ thuật in phun ...................... 26
1.3.4. Thành phần của mực in dẫn điện ................................................................... 28
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................... 31
2.1. Các thiết bị thực nghiệm ...................................................................................... 31
2.1.1. Các thiết bị thực nghiệm sử dụng trong chế tạo hạt nano kim loại và mực
in nano kim loại ...................................................................................................... 31
2.1.2. Thiết bị in phun: Dimatix Materials Printer (DMP) ....................................... 31
2.2. Các thiết bị phân tích............................................................................................ 32
2.2.1. Thiết bị dùng trong phân tích lý hóa cho hạt nano kim loại và mực in
nano kim loại. ......................................................................................................... 32
2.2.2. Thiết bị đánh giá màng kim loại sau khi in .................................................... 35
2.3. Quy trình thực nghiệm ......................................................................................... 36
2.3.1. Quy trình in phun .......................................................................................... 36
2.3.2. Quy trình chế tạo dung dịch hạt nano bạc ...................................................... 39
2.3.3. Quy trình chế tạo dung dịch hạt nano đồng.................................................... 43
2.3.4. Quy trình chế tạo mực in hạt nano kim loại. .................................................. 47
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 49
3.1. Nghiên cứu và giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các
thông số của công nghệ in phun .................................................................................. 49

iii


3.6. Ứng dụng mực in nano kim loại thu được để in mạch điện tử. ........................ 141
3.6.1. Nghiên cứu độ phân giải của máy in phun ....................................................142
3.6.2. In mạch điện tử ............................................................................................145
3.7. So sánh các đặt tính của mực in nano bạc chế tạo trong Luận án và các
mực in nano bạc thương mại. ....................................................................................145
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .............................. 149
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...................................... 153
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 156

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu - Thuật ngữ
chuyên môn
CTAB

Giải thích
Cetyltrimethylammonium bromide

DOD

Drop-on-demand

DMP

Dimatix Material Printer

EG


SDS

Sodium dodecyl Sulfate

SEM

Scanning electron microscopy

TEM

Transmission electron microscopy

TSC

Trisodium citrate

UV-VIS

Ultra violet - Visible

v


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT

Tên bảng

Trang


52

Bảng 3.2.

Các mẫu thí nghiệm với các nồng độ khác nhau của mực in ở
các nhiệt độ đế khác nhau (RT = nhiệt độ phòng)

60

Bảng 3.3.

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

73

Bảng 3.4.

Độ phân giải ứng với góc in và khoảng cách giọt mực

75

Bảng 3.5.

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

76

Bảng 3.6.



89

Bảng 3.12. Tỷ lệ phần trăm hình dạng hạt bạc nanoplates khi thay đổi tỷ
lệ nồng độ [TSC]/[Ag+]

97

Bảng 3.13. Ảnh hưởng của tỉ lệ mol [PEG] trên [Cu2+] đến kích thước hạt

106

Bảng 3.14. Cộng hưởng plasmon của dung dịch hạt nano đồng chế tạo
trong nước và EG tại các thời điểm khác nhau

109

vi


Bảng 3.15. Ảnh hưởng của [PVP]/[Cu2+] đến kích thước hạt

112

Bảng 3.16. Thành phần các dung môi trong công thức mực in thương mại
(mực in Sunjet) được cung cấp từ nhà sản xuất

117

Bảng 3.17. Thành phần của mực in thương mại (mực in Sunjet) phân tích


146

Bảng 3.25. Kết quả đo điện trở của 3 loại mực in thương mại và mực in
LNT-1

147

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Các đường dẫn polymer được in với các giọt mực với khoảng
cách khác nhau

6

Hình 1.2

Các đường dẫn vàng được in ở các nhiệt độ đế khác nhau

7


Hình 1.8

Xung điện áp đơn cực hình thang

11

Hình 1.9

Các mô hình ổn định hệ hạt

18

Hình 1.10

Mẫu keo hạt ổn định bằng lớp lưỡng cực

18

Hình 1.11

Sự hình thành hạt nano kim loại bằng cách khử muối kim loại

20

Hình 1.12

Công thức cấu tạo của PVP

21

38

Hình 2.4

Quy trình thí nghiệm hình thành hạt nano bạc và tấm nano bạc

41

Hình 2.5

Sự thay đổi màu sắc của dung dịch keo nano bạc trong quá trình
khử.

41

Hình 2.6

Quy trình chế tạo tấm nano bạc sử dụng chất kiểm soát hình dạng
là H2O2 và Trisodium citrate (TSC)

43

Hình 2.7

Hệ phản ứng chế tạo dung dịch nano đồng

44

Hình 2.8


hãngNovaCentrix và C- Mực in từ hãng Sunjet

50

Hình 3.2

Phổ FTIR của 3 loại mực in khác nhau

51

Hình 3.3

Phổ UV-Vis của 3 loại mực in khác nhau

52

Hình 3.4

Góc tiếp của mực in trên đế PET theo thời gian: (a) Mực in
NovaCentrix, (b) Mực in CimaNanotech và (c) Mực in Sunjet ink

53

Hình 3.5

Khả năng phun của 3 loại mực: (a) Mực in CimaNanotech, (b)
Mực in NovaCentrix, (c) Mực in Sunjet.

55


pha loãng mực in và (b) mực in nano bạc với các nồng độ khác
nhau.

61

Hình 3.11

Hình ảnh 3D của đường in cho mực in Sunjet trên đế: (a) PET,
(b) Si ở nhiệt độ đế là 50oC và khoảng cách giữa các giọt mực là
25 µm

62

Hình 3.12

Biên dạng đại diện với 6 thông số sử dụng cho mỗi đường

63

Hình 3.13

Hình dạng 3D của các đường được in bằng dung dịch mực in
không pha loãng trên đế PET tại nhiệt độ đế là 450C, khoảng cách
giữa các giọt mực từ 60 đến 5 µm

64

Hình 3.14

Các thông số thu được từ biên dạng trung bình từ hình 3.3-14 như


Diện tích mặt cắt ngang của mẫu in bằng mực in pha loãng với
nồng độ khác nhau: (a) 1vol% and (b) 0.25vol% trên đế PET

69

Hình 3.19

So sánh diện tích mặt cắt ngang của các đường in trên đế PET và
silicon

70

Hình 3.20

Độ rộng đường in như là một chức năng theo khoảng cách giữa
các giọt mực trên đế PET với nồng độ mực in khác nhau ở các
nhiệt độ đế khác nhau

71

Hình 3.21

So sánh bề rộng của các đường in trên đế PET và silicon

71

Hình 3.22

Mặt cắt ngang của các đường in trên đế PET và silicon với nhiệt


Biểu đồ quan hệ giữa độ dày, điện trở đối với số lớp in

78

Hình 3.28

Phổ UV-Vis của dung dịch nano bạc trong các dung môi khác
nhau

80

Hình 3.29

Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của dung dịch nano bạc
trong ba dung môi khác nhau

81

Hình 3.30

Các dung dịch keo nano bạc với nồng độ PVP khác nhau khi sử
dụng chất khử là ethanol

83

Hình 3.31

Phổ UV-Vis của các dung dịch keo nano bạc với nồng độ PVP


nhau khi sử dụng chất khử là EG

87

Hình 3.36

Phổ UV-Vis của dung dịch hạt nano bạc với các tỷ lệ
[PVP]/[Ag+] khác nhau, phần trăm Ag trong dung dịch là 8%

89

Hình 3.37

(A) Phổ UV-vis của dung dịch hạt nano bạc với tỷ lệ
[PVP]/[Ag+] khác nhau, phần trăm Ag trong dung dịch là 10%.
(B) Phổ FTIR của PVP 40.000 + EG và hạt nano Ag trong dung
dịch PVP 40.000 + EG

90

Hình 3.38

Ảnh TEM của dung dịch hạt nano bạc và biểu đồ phân bố kích
thước hạt với các tỉ lệ nồng độ PVP khác nhau

91

Hình 3.39

Phổ UV-Vis của dung dịch hạt nano bạc với các tỷ lệ phần trăm

96

Hình 3.44

Ảnh TEM của các mẫu khi thay đổi tỷ lệ nồng độ [TSC]/[Ag+]

98

Hình 3.45

Biểu đồ mối liên hệ giữa đỉnh cộng hưởng plasmon và hàm lượng
H2O2 trong dung dịch

100

Hình 3.46

Phổ UV-Vis và ảnh của dung dịch nano bạc với các tỉ lệ khác
nhau về thể tích của H2O2

100

xi


Hình 3.47

Ảnh TEM của các mẫu khi thay đổi tỷ lệ nồng độ [H2O2]/[Ag+]

101

Phổ UV-Vis của các mẫu dung dịch nano đồng ở các pH khác
nhau

105

Hình 3.53

Ảnh chụp TEM của dung dịch nano đồng với các tỉ lệ nồng độ
khác nhau: (w = 6:1, 7:1 and 9:1).

107

Hình 3.54

Phổ UV-Vis của dung dịch nano đồng với các tỉ lệ nồng độ khác
nhau

108

Hình 3.55

Phổ UV-Vis của dung dịch hạt nano đồng chế tạo trong nước
theo thời gian. Chèn bên trong là phổ UV-Vis của dung dịch nano
đồng sau 22 ngày chế tạo.

110

Hình 3.56

Phổ UV-Vis của dung dịch hạt nano đồng chế tạo trong EG theo


113

Hình 3.61

Phổ UV-Vis của dung môi sau khi ly tâm với các tỷ lệ khác giữa
dung dịch keo nano bạc và aceton

116

Hình 3.62

Hạt nano bạc bị kết tụ sau 1 ngày

118

xii


Hình 3.63

Phổ UV-vis và ảnh của dung dịch hạt nano bạc phân tán trong các
dung môi khác nhau.

119

Hình 3.64

Ảnh TEM của dung dịch hạt nano bạc với các dung môi phân tán
khác nhau

Kết quả đo góc tiếp xúc trên các loại đế khác nhau: (a) đế Si, (b)
đế thủy tinh và (c) đế PET

126

Hình 3.70

Hình ảnh của đường in trên 3 loại đế khác nhau sau khi sấy khô ở
100oC

127

Hình 3.71

Hình ảnh của đường in trên 3 loại đế khác nhau sau khi sấy khô ở
100oC

129

Hình 3.72

Ảnh chụp của mẫu I8 và I10 in trên đế kính sau khi sấy ở 100oC
và nung ở 200oC

130

Hình 3.73

Sodium dodecyl Sulfate (SDS)


Ảnh SEM của lớp nano bạc sau khi in bằng công thức LNT-2
được nung trong 2 giờ: a) ở 100oC, b) ở 150oC và c) ở 200oC

135

Hình 3.79

Phổ UV-Vis của công thức mực in LNT-1 lưu trữ theo thời gian

138

Hình 3.80

Ảnh TEM của công thức mực in LNT-1 lưu trữ theo thời gian

139

Hình 3.81

Giản đồ độ nhớt của công thức mực in LNT-1 lưu trữ theo thời
gian

139

xiii


Hình 3.82

Quy trình chế tạo mực in hạt nano đồng



MỞ ĐẦU
A. Lý do chọn đề tài.
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. Trong 50 năm qua, chất lượng kỹ thuật in
phun liên tục tăng trong khi giá thành vẫn giữ ở mức thấp có thể cạnh tranh được
trong thị trường máy in văn phòng, máy in công nghiệp và các ứng dụng chuyên
biệt khác.
Thời gian gần đây, do một số đặc điểm nổi trội so với công nghệ planar, một số cơ
sở nghiên cứu khoa học trên thế giới đã bắt đầu triển khai các nghiên cứu phát triển
công nghệ in phun nhằm chế tạo vi mạch điện tử. Ưu điểm nổi bật của công nghệ
in phun là không cần dùng mặt nạ “mask” (tiết kiệm vì mask rất đắt tiền), một máy
tính sẽ điểu khiển in từng chấm một dựa trên hình ảnh đã thiết kế. Quy trình đơn
giản hơn, sử dụng rất ít nguyên vật liệu, hóa chất (chỉ vào khoảng 10-20% so với
phương pháp quang khắc) nên giá thành chế tạo linh kiện có thể giảm đáng kể.
Theo tính toán sơ bộ của chúng tôi, phương pháp in phun giúp giảm khoảng 50%
giá thành chế tạo vi linh kiện so với các sản phẩm được sản xuất theo phương pháp
truyền thống (quang khắc) có mặt trên thị trường. Đây là lý do quan trọng giúp cho
công nghệ in phun có thể ứng dụng trong phòng thí nghiệm để in màng mỏng lên
các loại đế khác nhau, đặc biệt là đế nhựa hay đế giấy thì khó có thể thực hiện bằng
các phương pháp khác.
Mực in phun là vấn đề cốt yếu khi chúng ta sử 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

Dimatix Material Printer (DMP), cùng các thiết bị đánh giá hiện đại khác như SEM,
AFM, STM, Raman, Probe Station, Four point probe, Alphastep..., 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.
B. Mục tiêu của Luận án
Mục tiêu chính của Luận án là nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại và ứng
dụng trong công nghệ in các mạch in điện tử bằng công nghệ in phun. Để thực hiện
được mục tiêu chính, 3 mục tiêu cụ thể cần thực hiện là:
-

-

Nghiên cứu giải quyết các vấn đề công nghệ phát sinh và làm chủ các thông
số công nghệ in phun để có thể in được các điểm, đường và màng mỏng dẫn
điện.
Nghiên cứu chế tạo hạt nano kim loại bạc (Ag) và đồng (Cu).
Nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại bạc và đồng từ hạt nano kim loại
bạc và đồng được chế tạo trong Luận án. So sánh mực in nano kim loại chế
tạo trong Luận án này với mực in kim loại thương mại.

Để có thể chế tạo và ứng dụng mực in nano kim loại cho việc chế tạo các mạch điện
tử bằng công nghệ in phun, cần phải tìm hiểu và làm chủ được các thông số của
công nghệ in phun. Vì vậy nội dung quan trọng đầu tiên là giải quyết các vấn đề
công nghệ phát sinh và làm chủ các thông số của công nghệ in phun để có thể in
được các điểm, đường và màng mỏng dẫn điện. Khảo sát cơ bản các đặc trưng của
2


máy in phun sử dụng mực in nano kim loại thương mại, sự tương tác của mực in

chế tạo của Luận án. Sau đó, các vấn đề của công nghệ in phun như: giọt
mực phun ra không ổn định, bong bóng khí trong mực in, các giọt vệ tinh
được nghiên cứu và thảo luận. Các thông số tối ưu cho quy trình in phun
cũng được xác định.
 Tiếp theo là kết quả trong chế tạo hạt nano kim loại bạc và đồng. Từ 6 quy
trình chế tạo hạt nano bạc và nano đồng chúng tôi tìm 2 quy trình chế tạo hạt
3


nano bạc và 1 quy trình chế tạo hạt nano đồng để ứng dụng chế tạo mực in
nano kim loại:
- Quy trình chế tạo hạt nano bạc có nồng độ cao và ổn định bằng phương
pháp hóa học sử dụng thanh rung siêu âm, sử dụng ethylen glycol vừa là
chất khử vừa là dung môi, polyvinylpyrolidone (PVP) là chất hoạt hóa bề
mặt. Kết quả cho thấy có thể chế tạo được dung dịch nano bạc có nồng độ
khá cao (hơn 15% về khối lượng) với độ ổn định cao (hơn 5 tháng), phù
hợp cho mục đích chế tạo mực in nano bạc.
- Quy trình chế tạo tấm nano bạc (bạc nanoplates) bằng cách sử dụng đồng
thời trisodium citrate (TSC và H2O2) là thành phần quan trọng để kiểm
soát hình dạng và sự phân bố hình dạng khác nhau của hạt nano bạc.
Khảo sát ảnh hưởng nồng độ của trisodium citrate, H2O2 và PVP đến màu
sắc và hình dạng của hạt bạc nanoplates. Phân tán một lượng nhỏ bạc
nanoplates vào công thức mực in nano bạc với mong đợi là có thể giảm
nhiệt độ xử lý của màng dẫn điện sau khi in.
- Quy trình chế tạo hạt nano đồng bằng cách sử dụng chất khử mạnh
Sodium tetrahydroborate (NaBH4) kết hợp với sử dụng ascorbic acid như
chất khử nhẹ.
 Cuối cùng là kết quả nghiên cứu chế tạo mực in nano kim loại, chất lượng và
khả năng ổn định của mực in hạt nano kim loại cũng được trình bày. Hơn
nữa, để so sánh mực in nano kim loại chế tạo được trong Luận án với mực in

-

University of California, Berkeley (Mỹ),
School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of
Technology (Mỹ),
Quantum-Phase Electronics Center, University of Tokyo (Nhật Bản),
Palo Alto Research Center (Mỹ),
Cavendish Laboratory (Anh),
Technology Platform Research Center, Seiko Epson (Nhật Bản).

Ứng dụng công nghệ in phun để chế tạo cấu trúc đã được quan tâm, nghiên cứu
nhiều trên thế giới, thể hiện qua việc các nhóm nghiên cứu và công ty trên thế giới
công bố sở hữu 79 “patent” trong chỉ 12 năm qua, đặc biệt là các nghiên cứu về chế
tạo và sử dụng mực in dẫn điện cho công nghệ in phun.
Việc nghiên cứu về việc lắng đọng và tạo cấu trúc từ loại mực in dẫn điện vẫn còn
khá mới và thực sự chỉ mới được bắt đầu từ vài năm gần đây, bắt nguồn từ khả năng
chế tạo thành công các hạt nano kim loại (là thành phần chính để chế tạo mực in dẫn
điện). Tiếp theo đó, việc phân tán và ổn định các hạt nano này trong dung môi để
tạo thành mực in dẫn điện là một việc khó khăn, nhưng cũng đã được giải quyết
tương đối tốt. Một số hãng công nghiệp như Cabot, Sunjet v.v.. hiện đang sản xuất
các sản phẩm mực in này. Và tất nhiên, các nghiên cứu vẫn đang được tiến hành
5


nhằm nâng cao các tính năng của mực in và có thể sử dụng cho các ứng dụng khác
nhau.
Tuy nhiên, có thể nói rằng sự hiểu biết về quá trình lắng đọng và tạo cấu trúc từ
mực in dẫn điện bằng công nghệ in phun vẫn còn chưa đầy đủ và thấu đáo. Ví dụ
như phần lớn các kết quả đã công bố [34,81,87] chủ yếu tập trung vào việc chứng tỏ
khả năng tạo cấu trúc hơn là việc đi sâu vào nghiên cứu, tìm hiểu bản chất và ảnh

phải), tuy nhiên các đơn điểm vẫn bị tạo ra và được ghi nhận rõ ràng. Việc lắng
đọng không đồng đều này có thể được chấp nhận cho một số ứng dụng nhưng về
tổng thể là không thích hợp để chế tạo linh kiện.

Hình 1.2. Các đường dẫn vàng được in ở các nhiệt độ đế khác nhau [43].
Một kết quả nghiên cứu khác của các nghiên cứu viên của Tập đoàn Nokia được
trình bày trên Hình 1.3 [67]. Một vấn đề được hiểu rõ trong công nghệ in này là
việc kiểm soát độ bám dính là quan trọng nhất cho phép in và tạo cấu trúc chất
lượng cao. Nhưng kết quả công bố của nhóm nghiên cứu này có lẽ là lần đầu tiên và
duy nhất chỉ ra rằng thứ tự mà các điểm được in ra có ảnh hưởng lớn như thế nào
đến cả quá trình in.

Hình 1.3. Ảnh hưởng của cách in đến chất lượng cấu trúc được in ra [67].
Trong quá trình bay hơi của dung môi, có hai giả thuyết chính và được minh họa
trên Hình 1.4 [29]: khi tiếp xúc được giữ chặt trên bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và
đế mang, hạt chất lỏng giữ nguyên chân tiếp xúc của nó và khi tiếp xúc bị co lại hạt
chất lỏng giữ nguyên hình dạng của mặt cắt nguyên thủy (Hình 1.4, bên phải). Như
thế, hình dạng cuối cùng của màng hay cấu trúc tạo thành được quyết định bởi
7


nguyên lý bay hơi này. Về mặt trực giác, nguyên lý làm việc minh họa trong hình
bên trái là có vẻ chiếm ưu thế hơn [87].

Hình 1.4. Hai giả thuyết của quá trình bay hơi [87].
Một số nghiên cứu khác báo cáo về các ảnh hưởng của hạt có kích thước micro lên
các vật liệu khác nhau (có thể tham khảo thêm các thông tin chi tiết trong báo cáo
của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu Công nghệ Georgia [21]). Những
nghiên cứu này cho biết về các hiện tượng của một hoặc hai giọt mực in tại thời
điểm đầu tiên khi chúng đạt trạng thái cân bằng. Kết quả nghiên cứu này đặc biệt

đẩy (in) từng giọt chất lỏng theo yêu cầu (drop-on-demand inkjet - DOD). “DOD”
là kỹ thuật đẩy các giọt chất lỏng lần lượt mỗi lần in. Kỹ thuật này chính là linh hồn
để chế tạo ra các máy in mà chúng ta hiện sử dụng hàng ngày trong các văn phòng
và gia đình. Trong kỹ thuật này, các giọt chất lỏng được đẩy ra một cách chính xác
với độ kiểm soát cao với thể tích nhỏ nhất cỡ 10 pico lít (tương đương thể tích của
giọt chất lỏng có kích thước mỗi chiều là 10 µm). Kỹ thuật này có thể áp dụng cho
nhiều công đoạn của công nghệ micro, dùng chế tạo các vi linh kiện hoặc vi hệ
thống.
Kỹ thuật DOD sử dụng hai nguyên lý vật lý cơ bản để đẩy (in) chất lỏng đó là: kỹ
thuật in nhiệt và kỹ thuật in sử dụng tính chất áp điện (piezoelectric) của vật liệu.
Trong kỹ thuật in nhiệt, một điện trở được đặt gần đầu của đầu mũi đầu phun
(nozzle), và được đốt nóng bằng một dòng xung điện cường độ cao chạy qua nó tạo
nên các bong bóng, và các bong bóng này phát triển tạo ra áp suất trong kênh dẫn
của đầu in. Khi áp suất đẩy do bong bóng tạo ra trong kênh dẫn mực lớn hơn năng
lượng bề mặt của các hạt mực bám quanh đầu phun sẽ đẩy mực in trong các kênh
dẫn ra ngoài. Các loại mực in sử dụng thường là các dung dịch của nước với các
hóa chất khác nhau. Nguyên lý làm việc của quá trình đẩy (injection) các hạt chất
lỏng (mực in) qua đầu phun lên bề mặt đế in được minh họa trong Hình 1.5.
Buồng chứa
mực

Điện trở nhiệt

Vòi phun

Mực in

Giọt mực

Giọt vệ tinh

Vòi phun

Giọt mực

Đế in

Tấm vòi
phun

Điện áp
Cơ hoành

Vòi phun
Giọt mực

Đế in

Nguyên lý in bóp áp điện

Nguyên lý in đẩy áp điện

Mực in
Điện áp
Áp điện
PZT
Bộ chuyển
đổi

Tấm vòi
phun


10


Sự hình thành giọt mực trong đầu in phun áp điện phụ thuộc vào các thông số gốc.
Đầu tiên, mực phải có khả năng hình thành giọt mực. Do vậy, độ nhớt của mực phải
thấp hơn 20 mPa.s. Nếu không, năng lượng cung cấp bởi sóng áp suất bị phân tán
và không thể hình thành giọt. Sức căng bề mặt của mực cũng là một yếu tố quan
trọng quyết định sự hình thành giọt mực, giá trị tiêu biểu là dưới 100 mN.m-1. Nếu
không, phần tử áp điện cần được cung cấp điệp áp đủ lớn để tạo giọt mực. Tuy
nhiên, các giá trị trên chỉ có giá trị tham khảo; khoảng giá trị thực của các thông số
khác nhau khi thay đổi đầu in. Độ nhớt và sức căng bề mặt của những dung môi
thường dùng như nước, metanol và tetradecane nằm trong khoảng giá trị đã nêu
trên. Hình 1.7 thể hiện trình tự hình thành giọt mực trong máy in phun áp điện. Loại
mực phân tán trong hình là PEDOT:PSS, và đường kính vòi phun là 80µm.

Hình 1.7. Sự hình thành giọt mực từ máy in phun áp điện
Sự hình thành giọt mực là kết quả chu trình co – dãn của phần tử áp điện, bao xung
quanh một ống thủy tinh chứa kênh dẫn mực. Chúng ta có thể giải thích quy trình
này bằng một ví dụ sử dụng xung điện áp đơn cực hình thang trong Hình 1.8. Trong
khoảng thời gian từ t0 đến t1, khi điện áp được nâng từ 0 đến V1, phần tử áp điện
dãn ra chỉ trong vài micro giây. Do sự dãn ra đột ngột của phần tử áp điện, một sóng
áp suất âm lan truyền bên trong kênh dẫn. Sau vài chục µs, sóng đụng điểm cuối
của vòi phun, một phần của nó phản xạ lại. Sóng phản xạ này được chồng lên bởi
sóng áp suất dương tạo ra do sự co lại của phần tử áp điện, khi điện áp giảm từ V1
xuống V0 (thời gian từ t2 đến t3). Điều này dẫn đến hiện tượng giao thoa tăng cường,
vượt qua lực căng bề mặt của cột mực và kết quả là giọt mực phun ra. Nếu chiều dài
bước sóng của sóng áp suất lớn hơn đường kính lỗ phun, dòng phun ngắt ra tạo
thành các giọt, hiệu ứng này được gọi là Rayleigh-Tomotika.