專利名稱：電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)及利用其的排列的有機(jī)線圖案的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴嘴印刷機(jī)(nozzle printer)及利用其的有機(jī)線圖案的制造方法,更詳細(xì)地，涉及一種能夠通過(guò)電場(chǎng)及機(jī)器人平臺(tái)制造出高分辨率的線圖案的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)和利用其大面積排列有機(jī)線圖案的方法。
背景技術(shù)：
到目前為止，在開(kāi)發(fā)高性能的納米尺度的電子器件及光電子器件時(shí)，集中使用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米線等無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)體。但是，到目前為止，雖然無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米線作為單股的納米線器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但由于其是垂直地成長(zhǎng)，較難將其轉(zhuǎn)印到基板并進(jìn)行大面積的排列/圖案化，因此成為商業(yè)化的絆腳石。雖然為了開(kāi)發(fā)具有柔性(flexibility)的高性能的納米電子器件而可使用無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米線，但是使用有機(jī)半導(dǎo)體材料或有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料是更優(yōu)選的。通常，有機(jī)材料具有的優(yōu)點(diǎn)是:容易合成、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成、可實(shí)現(xiàn)溶液制程，以及容易進(jìn)行基于分子設(shè)計(jì)的分子性能及電性能的調(diào)節(jié)。因此，相比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，有機(jī)半導(dǎo)體的材料成本顯著地低，并更適合于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，由于有機(jī)半導(dǎo)體與塑料基板具有優(yōu)異的相容性(compatibility),因此可認(rèn)為相比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，未來(lái)有機(jī)半導(dǎo)體作為柔性(flexible)器件的應(yīng)用性更大。作為有機(jī)納米線的制造方法有溶液沉積法(solution deposition)、氣相輸運(yùn)法(vapor transport)、溶劑退火法(solvent-annealing)、陽(yáng)極氧化招模板法(AnodicAluminum Oxide(AAO)template method)、直接尖端拉絲法(direct-tip drawing)等。然而，這些方法具有的缺點(diǎn)是:較難控制有機(jī)納米線的尺寸(dimension)或數(shù)目，或是由于有機(jī)納米線是以埋設(shè)在基質(zhì)中的形式而獲得的，因此較難使有機(jī)納米線與基質(zhì)分離。因此，通過(guò)這些方法較難制造出利用有機(jī)納米線的應(yīng)用器件，也較難取得具有再現(xiàn)性的結(jié)果。作為不埋設(shè)在基質(zhì)中并容易控制大小的有機(jī)納米線的制造方法有靜電紡絲法(electrospinning)。靜電紡絲法利用如下原理:將高電壓施加到由待制造為納米線的溶液形成的液滴，在液滴和基板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度大于液滴的表面張力時(shí)，液滴被拉成線的同時(shí)掉落到基板上。通過(guò)該方法可制造出數(shù)微米級(jí)或亞微米級(jí)的線。圖1為通過(guò)現(xiàn)有的靜電紡絲法而形成在基板上的納米線的照片。通過(guò)靜電紡絲法形成的納米線在貼附至基板之前，由于不穩(wěn)定的電場(chǎng)如圖1的照片所示不規(guī)則地相互交織在一起，從而難以取得排列狀態(tài)的納米線。由于傳統(tǒng)的相加電場(chǎng)以滴落高分子溶液的液滴的電流體動(dòng)力噴射印刷(electrohydrodynamic jet printing)方法作為按需滴落(drop on demand:DOD)方式無(wú)法形成連續(xù)的液體流(continuous flow),因此無(wú)法制造出排列的納米線。此外，一般的噴嘴印刷方式不輔助有電場(chǎng)，而是僅通過(guò)壓力使溶液以連續(xù)流的形式從噴嘴噴出。但是，由于此時(shí)噴出的溶液由噴嘴的口徑?jīng)Q定，因此將無(wú)法繪制出納米尺寸的結(jié)構(gòu)體，此外，噴出的結(jié)構(gòu)體也不會(huì)表現(xiàn)出完整的線的形態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于提供一種能夠形成高分辨率的排列的有機(jī)線圖案的裝置。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述裝置在大面積上形成高分辨率的排列的有機(jī)線圖案的方法。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，包括:溶液儲(chǔ)存裝置，該溶液儲(chǔ)存裝置供給用于排出的溶液；噴嘴，該噴嘴排出由所述溶液儲(chǔ)存裝置供給的所述用于排出的溶液；電壓施加裝置，該電壓施加裝置向所述噴嘴施加高電壓；扁平的且可移動(dòng)的收集器，從所述噴嘴排出而形成的有機(jī)線排列在該收集器上；機(jī)器人平臺(tái)，該機(jī)器人平臺(tái)設(shè)置在所述收集器的下方并使所述收集器能夠在水平面內(nèi)沿著x-y方向(水平方向)移動(dòng)；微距調(diào)節(jié)器，該微距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述噴嘴和所述收集器之間的在Z方向(垂直方向)上的距離；以及底板，該底板位于所述機(jī)器人平臺(tái)的下方以保持所述收集器的平面度并抑制所述機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行中發(fā)生的振動(dòng)。所述電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)還可包括排出調(diào)節(jié)器，該排出調(diào)節(jié)器連接至所述溶液儲(chǔ)存裝置，以使所述溶液儲(chǔ)存裝置內(nèi)的所述用于排出的溶液以一定速度排出。所述排出調(diào)節(jié)器可包括泵調(diào)節(jié)器或氣體壓力調(diào)節(jié)器等，但并不限于此。所述排出調(diào)節(jié)器可以將所述用于排出的溶液的排出速度調(diào)節(jié)在1.0nl/min至50Ml/min的范圍內(nèi)。所述溶液儲(chǔ)存裝置可形成為多個(gè)所述溶液儲(chǔ)存裝置，在所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置中上不同的排出調(diào)節(jié)器可獨(dú)立地運(yùn)行。所述溶液儲(chǔ)存裝置的材料可包括塑料、玻璃或不銹鋼，但并不限于此。此外，所述溶液儲(chǔ)存裝置的容量可在I 至5，OOOMl的范圍中。所述噴嘴可以是單噴嘴、雙同心噴嘴(dual-concentric nozzle)、三同心噴嘴(triple-concentric nozzle)、分離噴嘴(split nozzle)或多噴嘴(multi nozzle)。此時(shí)，所述雙同心噴嘴或所述三同心噴嘴可分別從所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。所述分離噴嘴中2個(gè)至30個(gè)噴嘴以一定的間隔排成一列，并可從一個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。所述多噴嘴中2個(gè)至30個(gè)噴嘴以一定的間隔排成一列，并可分別從所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。所述噴嘴的直徑可在IOOnm至1.5mm的范圍中。所述電壓施加裝置的施加電壓可在0.1kV至50kV的范圍中。所述收集器接地并可具有0.5 iim至IOiim以內(nèi)的平面度(flatness)。所述底板的平面度可選擇在0.1iim至5iim的范圍中。所述機(jī)器人平臺(tái)可由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并且可在在水平面中沿著相互垂直的兩個(gè)方向移動(dòng)。所述機(jī)器人平臺(tái)可在IOnm至IOOcrn的范圍中進(jìn)行移動(dòng)。此外，所述機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)速度可調(diào)節(jié)在lmm/min至60，000mm/min的范圍中。所述微距調(diào)節(jié)器包括慢進(jìn)給(jog)和測(cè)微計(jì)(miCTometer)，并且可將所述噴嘴和所述收集器之間的距離調(diào)節(jié)在10 i! m至20mm的范圍中。所述電場(chǎng)輔助噴嘴印刷機(jī)還可包括殼體，該殼體用以包覆包括溶液儲(chǔ)存裝置、噴嘴、收集器、機(jī)器人平臺(tái)、微距調(diào)節(jié)器及底板的系統(tǒng)。殼體可阻斷外部空氣并調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部氣體氛圍。所述殼體可密封并且殼體內(nèi)部可通過(guò)氣體注入器而填充有惰性氣體或干燥空氣。殼體還可包括通風(fēng)機(jī)(ventilator),該通風(fēng)機(jī)將殼體內(nèi)部的氣體排出到外面。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種有機(jī)線圖案的制造方法。所述有機(jī)線圖案的制造方法包括:將有機(jī)材料或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料與蒸餾水或有機(jī)溶劑混合而形成的有機(jī)溶液加入電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的所述溶液儲(chǔ)存裝置內(nèi)的步驟；通過(guò)所述電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的所述電壓施加裝置向所述噴嘴施加高電壓，同時(shí)使所述有機(jī)溶液從所述噴嘴排出的步驟；以及使所述收集器移動(dòng)，同時(shí)使由從所述噴嘴排出的所述有機(jī)溶液形成的有機(jī)線或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合線排列在放置在所述收集器上的基板上的步驟。所述有機(jī)材料可包括低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料、高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電性高分子材料、絕緣性高分子材料或其混合物。所述低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料可以是TIPS并五苯(6，13-雙(三異丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯)、TES ADT (三乙基甲硅烷基乙炔基雙噻吩蒽)或PCBM([6，6]_苯基-C61 丁酸甲酯)，但并不限于此。高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料或?qū)щ娦愿叻肿硬牧?可以是含有P3HT (聚(3-己基噻吩))、PED0T (聚(3，4-乙烯二氧噻吩))的聚噻吩(polythiophene)衍生物、PVK (聚(9-乙烯基咔唑))、聚對(duì)苯乙炔(poly (p-phenylenevinylene))、聚荷(polyf luorene)、聚苯胺(polyaniline)、聚卩比咯(polypyrrole)或其衍生物，但并不限于此。絕緣性高分子材料可以包括PEO (聚氧化乙烯)、PS (聚苯乙烯)、PCL(聚已酸內(nèi)酯)、PAN (聚丙烯腈)、PMMA (聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚酰亞胺(polyimide)、PVDF(聚(偏二氟乙烯))或PVC (聚氯乙烯)，但并不限于此。此外，這些有機(jī)材料可以可選地包括納米尺寸的粒子、線、帶(ribbon)、棒(rod)狀半導(dǎo)體、金屬、金屬氧化物、金屬的前驅(qū)體或金屬氧化物的前驅(qū)體、碳納米管(CNT)、還原后的石墨烯氧化物(reduced grapheme oxide)、石墨烯(graphene)、或石墨(graphite)、納米尺寸的I1-VI半導(dǎo)體粒子(CdSe、CdTe、CdS等)形成中心(核)的量子點(diǎn)等材料。因此，通過(guò)使用根據(jù)本發(fā)明的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)可形成有機(jī)線或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合線。在本說(shuō)明書(shū)中，術(shù)語(yǔ)“有機(jī)線”指有機(jī)線和有機(jī)-無(wú)機(jī)混合線。所述有機(jī)線的間隔(line spacing)可以是IOnm至20cm。通過(guò)使用原子力顯微鏡(atomic force microscope)中使用的微型x_y機(jī)器人平臺(tái)，可將有機(jī)線的間隔降低到IOnm0所述有機(jī)溶劑作為可溶解有機(jī)材料的溶劑，可使用例如二氯乙烯、三氯乙烯、三氯甲烷、氯苯、二氯苯、苯乙烯、二甲基甲酰胺、二甲亞砜、二甲苯、甲苯、環(huán)己烯、異丙醇、乙醇、丙酮或其混合溶劑等，但并不限于此。所述基板可具有約50 ii m至50mm范圍的厚度。所述基板可包括導(dǎo)電材料，例如，鋁、銅、鎳、鐵、鉻、鈦、鋅、鉛、金、銀；半導(dǎo)體材料，例如，硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs);絕緣材料，例如，玻璃、塑料膜、紙，但并不限于此。有益效果根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)能夠?qū)娮旌褪占髦g的距離調(diào)節(jié)至非常近的范圍，并可以通過(guò)高速機(jī)器人平臺(tái)使收集器移動(dòng)，從而能夠形成分離的有機(jī)線排列的高分辨率的微型有機(jī)線圖案。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的有機(jī)線圖案制造方法，通過(guò)使用所述電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，能夠形成高分辨率的排列的有機(jī)線圖案。通過(guò)使用高分辨率的排列的有機(jī)線圖案，能夠制造納米線晶體管及高靈敏度的生物傳感器等納米器件。


圖1為通過(guò)現(xiàn)有的靜電紡絲法而形成在基板上的有機(jī)納米線的照片；圖2a及圖2b分別示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的示意性透視圖及側(cè)視圖；圖3a示出雙同心噴嘴部分的示意性剖面圖；圖3b示出三同心噴嘴部分的示意性剖面圖；圖3c示出分離噴嘴部分的示意性剖面圖；圖3d示出多噴嘴部分的示意性剖面圖；圖4為用以說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的有機(jī)線圖案的形成方法的流程圖；圖5a及圖5b分別為根據(jù)實(shí)施例1形成的有機(jī)線圖案的光學(xué)顯微鏡照片和SEM照片;圖6a示出根據(jù)實(shí)施例2形成的有機(jī)納米線晶體管的排列的照片；圖6b為圖6a的有機(jī)納米線晶體管的排列中的一個(gè)晶體管的照片；圖7a為測(cè)量的圖6a及圖6b的晶體管的漏極電流比漏極電壓的圖表；圖7b為測(cè)量的圖6a及圖6b的晶體管的漏極電流比柵極電壓的圖表；圖8示出實(shí)施例3的P3HT納米線晶體管的照片；圖9為測(cè)量的圖8的晶體管的漏極電流對(duì)柵極電壓的圖表；圖10為測(cè)量的實(shí)施例4的晶體管的漏極電流對(duì)柵極電壓的圖表。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。然而，本發(fā)明并不限于本文中所描述的實(shí)施例并且可體現(xiàn)為其它形式。相反，在此介紹的實(shí)施例是為了使公開(kāi)的內(nèi)容徹底且完整并且能夠向本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分地傳達(dá)本發(fā)明的思想而提供的。圖2a及圖2b分別示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的示意性透視圖及側(cè)視圖。參照?qǐng)D2a和圖2b，根據(jù)本發(fā)明的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)100包括:溶液儲(chǔ)存裝置10、排出調(diào)節(jié)器20、噴嘴30、電壓施加裝置40、收集器50、機(jī)器人平臺(tái)60、底板61以及微距調(diào)節(jié)器70。溶液儲(chǔ)存裝置10是儲(chǔ)存有機(jī)溶液，向噴嘴30供給所述有機(jī)溶液，以使噴嘴30能夠排出有機(jī)溶液的部分。溶液儲(chǔ)存裝置10可以為注射器(syringe)的形式。溶液儲(chǔ)存裝置10可使用塑料、玻璃或不銹鋼等，但并不限于此。溶液儲(chǔ)存裝置10的儲(chǔ)存容量可選擇在約I 至約5，000M1的范圍內(nèi)，但并不限于此。優(yōu)選地，溶液儲(chǔ)存裝置10的儲(chǔ)存容量可選擇在約IOii I至約50M1的范圍內(nèi)。在不銹鋼材質(zhì)的溶液儲(chǔ)存裝置10的情況下，具有可以將氣體注入到溶液儲(chǔ)存裝置10中的氣體注入器(未示出)，從而可利用氣體的壓力將有機(jī)溶液排出到溶液儲(chǔ)存裝置的外部。同時(shí)，為了形成核殼結(jié)構(gòu)的有機(jī)線，溶液儲(chǔ)存裝置10可形成為多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置。排出調(diào)節(jié)器20是向溶液儲(chǔ)存裝置10內(nèi)的有機(jī)溶液施加壓力，以使溶液儲(chǔ)存裝置10內(nèi)的有機(jī)溶液通過(guò)噴嘴30以一定的速度排出的部分。排出調(diào)節(jié)器20可使用泵調(diào)節(jié)器或氣體壓力調(diào)節(jié)器。排出調(diào)節(jié)器20可將有機(jī)溶液的排出速度調(diào)節(jié)在lnl/min至50Ml/min的范圍內(nèi)。在使用多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置10的情況下，可在每個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置10中設(shè)置不同的排出調(diào)節(jié)器20使得該不同的排出調(diào)節(jié)器20可獨(dú)立地運(yùn)行。在不銹鋼材質(zhì)的溶液儲(chǔ)存裝置10的情況下，排出調(diào)節(jié)器20可使用氣體壓力調(diào)節(jié)器(未示出)。噴嘴30是從溶液儲(chǔ)存裝置10接收有機(jī)溶液并排出有機(jī)溶液的部分，所排出的有機(jī)溶液可在噴嘴30末端形成液滴(drop)。噴嘴30的直徑可在約IOOnm至約1.5mm的范圍中，但并不限于此。噴嘴30可包括單噴嘴、雙同心(dual-concentric)噴嘴、三同心(triple-concentric)噴嘴、分離(split)噴嘴或多(multi)噴嘴。在形成核殼結(jié)構(gòu)的有機(jī)線的情況下，可使用雙同心噴嘴或三同心噴嘴來(lái)使兩種以上的有機(jī)溶液排出。此時(shí)，可在雙同心噴嘴或三同心噴嘴上連接兩個(gè)或三個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置10。圖3a示出雙同心噴嘴部分的示意性剖面圖，圖3b示出三同心噴嘴部分的示意性剖面圖。參照?qǐng)D3a，雙同心噴嘴30a、30b連接至從溶液儲(chǔ)存裝置接收有機(jī)溶液的兩個(gè)溶液注入口 31a、31b。參照?qǐng)D3b，三同心噴嘴30a、30b、30c連接至從溶液儲(chǔ)存裝置接收有機(jī)溶液的三個(gè)溶液注入口 31a、31b、31c。參照?qǐng)D3a及圖3b，溶液注入口 31a、溶液注入口 31b、溶液注入口 31c的方向彼此不同，從溶液儲(chǔ)存裝置注入的溶液通過(guò)由同心(concentric)圓筒構(gòu)成的主體。各個(gè)噴嘴30a、30b、30c連接至各個(gè)圓筒的末端。在雙同心噴嘴的情況下，可從內(nèi)側(cè)噴嘴30a形成有機(jī)線I的核部分la，從外側(cè)噴嘴30b形成有機(jī)線的殼部分lb。在三同心噴嘴的情況下，可從內(nèi)側(cè)噴嘴30a形成有機(jī)線的核部分2a，從外側(cè)噴嘴30b形成有機(jī)線的殼部分2b，從中間噴嘴30c形成核部分2a和殼部分2b之間的緩沖層2c，從而形成更為穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)的有機(jī)線2。在同時(shí)平行地形成多個(gè)有機(jī)線的情況下，可使用分離噴嘴或多噴嘴以同時(shí)排出兩個(gè)以上的有機(jī)溶液。在分離噴嘴的情況下，可連接有一個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置10，在多噴嘴的情況下，可連接有2個(gè)至30個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置10。圖3c示出分離噴嘴部分的示意性剖面圖。參照?qǐng)D3c，分離噴嘴30d連接至從一個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收有機(jī)溶液的一個(gè)溶液注入口 31d。從一個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置注入的溶液通過(guò)由以一定的間隔排成一列的圓筒構(gòu)成的主體。各個(gè)噴嘴30d連接在各個(gè)圓筒的末端，并以一定的間隔排成一列。噴嘴的數(shù)目可調(diào)節(jié)在2個(gè)至30個(gè)的范圍中。噴嘴的間隔可調(diào)節(jié)在500nm至IOcm的范圍中。通過(guò)使用分離噴嘴，可同時(shí)制造出在相同的方向上以一定的間隔排列的有機(jī)線。圖3d示出多噴嘴部分的示意性剖面圖。參照?qǐng)D3d，多噴嘴30e分別連接至從多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收有機(jī)溶液的多個(gè)溶液注入口 31e。從多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置注入的各種溶液通過(guò)由圓筒構(gòu)成的主體。各個(gè)噴嘴30e連接至各個(gè)圓筒的末端。各個(gè)圓筒和各個(gè)噴嘴均以一定的間隔排成一列。圓筒和噴嘴的數(shù)目可調(diào)節(jié)在2個(gè)至30個(gè)的范圍中。噴嘴的間隔可調(diào)節(jié)在500nm至1Ocm的范圍中。通過(guò)使用多噴嘴，可同時(shí)制造出在相同的方向上以一定的間隔排列的相互不同種類(lèi)的有機(jī)線。 電壓施加裝置40用以向噴嘴30施加高電壓且可包括高電壓發(fā)生裝置。例如，電壓施加裝置40通過(guò)溶液儲(chǔ)存裝置10電連接至噴嘴30。電壓施加裝置40可施加約0.1kV至約50kV的電壓，但并不限于此。通過(guò)電壓施加裝置40而施加有高電壓的噴嘴30和接地的收集器50之間存在電場(chǎng),通過(guò)所述電場(chǎng),在噴嘴30末端處形成的液滴形成泰勒?qǐng)A錐(Taylorcone),并從其末端連續(xù)地形成有機(jī)線。收集器50是由從噴嘴30排出的有機(jī)溶液形成的有機(jī)線所排列并貼附的部分。收集器50具有扁平的形狀并可通過(guò)下面的機(jī)器人平臺(tái)60在水平面上進(jìn)行移動(dòng)。收集器50接地，以相對(duì)于施加至噴嘴30的高電壓具有接地特性。附圖標(biāo)記51表示收集器50接地。收集器50可由導(dǎo)電性材料(例如，金屬)制成，并可具有0.5 μ m至10 μ m范圍的平面度(平面度表示在完全水平的面的平面度的值為O時(shí)，實(shí)際面與完全水平的面的最大誤差值。例如，一個(gè)面的平面度為該面的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)之間的距離)。機(jī)器人平臺(tái)60是使收集器50移動(dòng)的手段。機(jī)器人平臺(tái)60可由伺服電機(jī)(servomotor)驅(qū)動(dòng)并以精確的速度移動(dòng)。例如，機(jī)器人平臺(tái)60控制為在水平面上沿x軸和y軸兩個(gè)方向移動(dòng)。例如，機(jī)器人平臺(tái)60可由沿X軸方向移動(dòng)的X軸機(jī)器人平臺(tái)60a和沿y軸方向移動(dòng)的I軸機(jī)器人平臺(tái)60b構(gòu)成。機(jī)器人平臺(tái)60可以IOnm以上IOOcm以內(nèi)的范圍的間隔移動(dòng)，但并不限于此。優(yōu)選地在10 μ m以上20cm以內(nèi)的范圍中。機(jī)器人平臺(tái)60的移動(dòng)速度可調(diào)節(jié)在lmm/min至60，000mm/min的范圍中，但并不限于此。機(jī)器人平臺(tái)60設(shè)置在底板61 (base plate)上,底板61可具有0.1 μ m至5 μ m的范圍的平面度(flatness)。通過(guò)底板61的平面度，噴嘴30和收集器50之間的距離可調(diào)節(jié)為具有一定的間隔。底板61抑制由機(jī)器人平臺(tái)60的運(yùn)行而發(fā)生的振動(dòng)，從而能夠調(diào)節(jié)有機(jī)線圖案的精度。微距調(diào)節(jié)器70是用以調(diào)節(jié)噴嘴30和收集器50之間的距離的手段。微距調(diào)節(jié)器70通過(guò)使溶液儲(chǔ)存裝置10和噴嘴30垂直地移動(dòng)，可調(diào)節(jié)噴嘴30和收集器50之間的距離。微距調(diào)節(jié)器70可由慢進(jìn)給(jog) 71和測(cè)微計(jì)(micrometer) 72構(gòu)成。慢進(jìn)給71用于粗調(diào)節(jié)數(shù)mm或數(shù)cm的距離，測(cè)微計(jì)72用于微調(diào)最小10 μ m的距離。通過(guò)慢進(jìn)給71使噴嘴30靠近收集器50后，可通過(guò)測(cè)微計(jì)72準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)噴嘴30和收集器50之間的距離。通過(guò)微距調(diào)節(jié)器70可將噴嘴30和收集器50之間的距離調(diào)節(jié)在10 μ m至20mm的范圍中。例如，與水平面X-Y平面平行的收集器50通過(guò)機(jī)器人平臺(tái)60可在X-Y平面上移動(dòng)，并且通過(guò)微距調(diào)節(jié)器70可沿著Z軸方向調(diào)節(jié)噴嘴30和收集器50之間的距離。在計(jì)算出靜電紡絲中從噴嘴射出的納米纖維的三維路徑的D.H.Reneker, A.L.Yarinj H.Fong，S.Koombhongsej "Bending instability of electrical Iycharged liquid jets of polymer solutions in electrospinning〃J.Appl.Phys.，87，9，4531-4546(2000)的論文中，公開(kāi)了收集器和噴嘴之間的距離越大，納米纖維的擾動(dòng)(perturbation)越大。根據(jù)所述論文，
_q>Jjk7x=10 Lcos1-Z )..............式(Ia)
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權(quán)利要求
1.一種電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，包括: 溶液儲(chǔ)存裝置，所述溶液儲(chǔ)存裝置供給用于排出的溶液； 噴嘴，所述噴嘴排出由所述溶液儲(chǔ)存裝置供給的所述用于排出的溶液； 電壓施加裝置，所述電壓施加裝置向所述噴嘴施加高電壓； 扁平的且可移動(dòng)的收集器，從所述噴嘴排出而形成的有機(jī)線排列在所述收集器上； 機(jī)器人平臺(tái)，所述機(jī)器人平臺(tái)設(shè)置在所述收集器的下方并使所述收集器能夠在水平面內(nèi)沿著X-Y方向移動(dòng)； 微距調(diào)節(jié)器，所述微距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述噴嘴和所述收集器之間的在Z方向(垂直方向)上的距離；以及 底板(base plate)，所述底板位于所述機(jī)器人平臺(tái)的下方以保持所述收集器的平面度并抑制所述機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行中發(fā)生的振動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，還包括: 排出調(diào)節(jié)器，所述排出調(diào)節(jié)器連接至所述溶液儲(chǔ)存裝置，以使所述溶液儲(chǔ)存裝置內(nèi)的所述用于排出的溶液以一定速度排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述排出調(diào)節(jié)器包括泵調(diào)節(jié)器或氣體壓力調(diào)節(jié)器等，并且將所述用于排出的溶液的排出速度調(diào)節(jié)在l.0nl/min至50Ml/min的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，還包括: 殼體，所述殼體包覆包括所述溶液儲(chǔ)存裝置、所述噴嘴、所述收集器、所述機(jī)器人平臺(tái)、所述微距調(diào)節(jié)器及所述底板的整個(gè)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述殼體可密封并且所述殼體內(nèi)部可通過(guò)氣體注入器而填充有惰性氣體或干燥空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，還包括: 通風(fēng)機(jī)(ventilator ),所述通風(fēng)機(jī)將所述殼體內(nèi)部的氣體排出到外面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述溶液儲(chǔ)存裝置形成為多個(gè)所述溶液儲(chǔ)存裝置，在所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置上不同的排出調(diào)節(jié)器獨(dú)立地運(yùn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述溶液儲(chǔ)存裝置由塑料、玻璃或不銹鋼構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述溶液儲(chǔ)存裝置的容量在Iyl至5，OOOMl的范圍中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述噴嘴是單噴嘴、雙同心噴嘴(dual-concentric nozzle)、三同心噴嘴(triple-concentric nozzle)、分離噴嘴(split nozzle)或多噴嘴(multi nozzle)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述雙同心噴嘴或所述三同心噴嘴分別從所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述分離噴嘴中2個(gè)至30個(gè)噴嘴以一定的間隔排成一列，并從一個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述多噴嘴中2個(gè)至30個(gè)噴嘴以一定的間隔排成一列，并分別從所述多個(gè)溶液儲(chǔ)存裝置接收用于排出的溶液。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述噴嘴的直徑在IOOnm至1.5mm的范圍中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述電壓施加裝置的施加電壓在0.1kV至50kV的范圍中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述收集器接地并具有0.5 u m M 10 u m 范圍的平面度(flatness)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述機(jī)器人平臺(tái)能夠在IOnm至IOOcm的范圍中移動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述機(jī)器人平臺(tái)的移動(dòng)速度能夠調(diào)節(jié)在lmm/min至60，000mm/min的范圍中。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述微距調(diào)節(jié)器包括慢進(jìn)給(jog)和測(cè)微計(jì)(micrometer),并且將所述噴嘴和所述收集器之間的距離調(diào)節(jié)在10 u m至20mm的范圍中。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，其中，所述底板具有0.1ym至5um的范圍的平面度。
21.一種有機(jī)線圖案的制造方法，包括: 將有機(jī)材料或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料與蒸餾水或有機(jī)溶劑混合而形成的有機(jī)溶液加入根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的所述溶液儲(chǔ)存裝置內(nèi)的步驟； 通過(guò)所述電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)的所述電壓施加裝置向所述噴嘴施加高電壓，同時(shí)使所述有機(jī)溶液從所述噴嘴排出的步驟；以及 使所述收集器移動(dòng)，同時(shí)使由從所述噴嘴排出的所述有機(jī)溶液形成的有機(jī)線或有機(jī)-無(wú)機(jī)混合線排列在放置在所述收集器上的基板上的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的有機(jī)線圖案的制造方法，其中，所述有機(jī)材料包括低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料、高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電性高分子材料、絕緣性高分子材料或其混合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的有機(jī)線圖案的制造方法，其中，所述有機(jī)材料包括:低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料，所述低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料選自TIPS并五苯(6，13-雙(三異丙基甲硅烷基乙炔基)并五苯)、TES ADT (三乙基甲硅烷基乙炔基雙噻吩蒽)或PCBM ([6，6]-苯基-C61 丁酸甲酯)構(gòu)成的組；高分子有機(jī)半導(dǎo)體材料或?qū)щ娦愿叻肿硬牧希龈叻肿佑袡C(jī)半導(dǎo)體材料或?qū)щ娦愿叻肿硬牧线x自P3HT (聚(3-己基噻吩))、PED0T (聚(3，4-乙烯二氧噻吩))、PVK (聚(9-乙烯基咔唑))、聚對(duì)苯乙炔(poly (p-phenylene vinylene))、聚荷(polyfluorene)、聚苯胺(polyaniline)、聚卩比咯(polypyrrole)或其衍生物構(gòu)成的組；以及絕緣性高分子材料，所述絕緣性高分子材料選自PEO (聚氧化乙烯)、PS (聚苯乙烯)、PCL(聚已酸內(nèi)酯)、PAN (聚丙烯腈)、PMMA (聚(甲基丙烯酸甲酯))、聚酰亞胺(polyimide)、PVDF(聚(偏二氟乙烯))或PVC (聚氯乙烯)構(gòu)成的組。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的有機(jī)線圖案的制造方法，其中，所述有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料包括納米尺寸的粒子、線、帶(ribbone)、棒(rod)狀半導(dǎo)體、金屬、金屬氧化物、金屬的前驅(qū)體或金屬氧化物的前驅(qū)體(prec ursor)、碳納米管(CNT)或還原后的石墨烯氧化物(reducedgrapheme oxide)、石墨烯(graphene)、石墨烯量子點(diǎn)、石墨烯納米帶、石墨(graphite)及納米尺寸的I1-VI半導(dǎo)體粒子(CdSe、CdTe, CdS等)形成中心(核)的量子點(diǎn)有機(jī)材料中的至少一種以上。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的有機(jī)線圖案的制造方法，其中，所述基板包括:導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料選自鋁、銅、鎳、鐵、鉻、鈦、鋅、鉛、金及銀構(gòu)成的組；半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體材料選自娃(Si)、鍺(Ge)或砷化鎵(GaAs)構(gòu)成的組；或者絕緣材料，所述絕緣材料選自玻璃、塑料膜或紙構(gòu)成的組。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的有機(jī)線圖案的制造方法，其中，所述有機(jī)線的間隔(linespacing)為 IOnm 至 20cmo
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種電場(chǎng)輔助機(jī)器人噴嘴印刷機(jī)，包括溶液儲(chǔ)存裝置，該溶液儲(chǔ)存裝置供給用于排出的溶液；噴嘴，該噴嘴排出由所述溶液儲(chǔ)存裝置供給的所述用于排出的溶液；電壓施加裝置，該電壓施加裝置向所述噴嘴施加高電壓；扁平的且可移動(dòng)的收集器，從所述噴嘴排出而形成的有機(jī)線排列在該收集器上；機(jī)器人平臺(tái)，該機(jī)器人平臺(tái)設(shè)置在所述收集器的下方并使所述收集器能夠在水平面內(nèi)沿著x-y方向(水平方向)移動(dòng)；微距調(diào)節(jié)器，該微距調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所述噴嘴和所述收集器之間在z方向(垂直方向)上的距離；以及底板，該底板位于所述機(jī)器人平臺(tái)的下方以保持所述收集器的平面度并抑制所述機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)行中發(fā)生的振動(dòng)。
文檔編號(hào)B41J2/14GK103153624SQ201180048514
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月7日
發(fā)明者李泰雨, 閔盛涌 申請(qǐng)人:浦項(xiàng)工科大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)