Удосконалення технології друкування фарбових струмопровідних шарів

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorКиричок, Тетяна Юріївна
dc.contributor.authorБардовський, Богдан Олександрович
dc.date.accessioned2026-06-12T10:00:46Z
dc.date.available2026-06-12T10:00:46Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractБардовський Б. О. Удосконалення технології друкування фарбових струмопровідних шарів. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 186 Видавництво та поліграфія (18 Виробництво та технології). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального науково-прикладного завдання – удосконалення технології друкування фарбових струмопровідних шарів на паперових основах шляхом удосконалення процесів попередньої обробки коронним розрядом і пост-обробки термоциклюванням у кліматичній камері для підвищення якості струмопровідних доріжок. Друкована електроніка є одним із перспективних напрямів розвитку сучасних поліграфічних і електронних технологій, орієнтованих на створення гнучких, легких та функціональних електронних виробів. Особливий інтерес у цьому напрямі становить використання паперових основ як екологічно безпечних, доступних і придатних до масштабованого рулонного виробництва носіїв. Водночас природна пористість, шорсткість і гідрофільність паперу зумовлюють низьку адгезію та нестабільність електрофізичних характеристик струмопровідних шарів, сформованих друкарськими методами. Це обмежує можливості промислового застосування паперових основ у друкованій електроніці та потребує вдосконалення технологічних процесів їх підготовки й обробки. У зв’язку з цим актуальним науково-прикладним завданням є розроблення та обґрунтування технологічних рішень, спрямованих на підвищення якості, адгезії та стабільності струмопровідних шарів, нанесених трафаретним друком на паперові основи. Робота безпосередньо узгоджується з темами ініціативних кафедральних науководослідних робіт: «Технології забезпечення якості фарбових та функціональних шарів» та «Теоретико-методологічні засади забезпечення зносостійкості поліграфічної продукції». Метою дисертаційної роботи є удосконалення технологічного процесу друкування провідних шарів трафаретним друком з урахуванням поверхневих властивостей паперових основ. Для досягнення поставленої мети в роботі, основний зміст якої викладено в чотирьох розділах, виконано низку завдань. У розділі 1 «Cучасний стан та проблеми створення елементів друкованої електроніки на паперових основах» проведено аналітичний огляд сучасного стану технологій друкованої електроніки, здійснено класифікацію методів нанесення функціональних шарів та матеріалів основ з урахуванням їх придатності до формування струмопровідних доріжок. Проаналізовано друкарські та вакуумні технології нанесення провідних шарів, виконано порівняння трафаретного, струминного друку та магнетронного напилення за критеріями собівартості, масштабованості, сумісності з паперовими основами та механічної стійкості. Досліджено властивості паперових, полімерних і гібридних основ, а також матеріали струмопровідних фарб, що застосовуються у друкованій електроніці. Узагальнено методи кількісної оцінки мікрорельєфу та поверхневої енергії паперових основ, включно з параметрами шорсткості, змочуваності та фрактальної розмірності, і сформульовано передумови для вдосконалення технологічного процесу формування струмопровідних шарів на папері. У розділі 2 «Матеріали і методи дослідження» розроблено загальний алгоритм проведення експериментальних досліджень, спрямованих на оцінювання впливу попередньої обробки паперових основ на якість струмопровідних доріжок друкованої електроніки. Обґрунтовано вибір матеріалів, зразків паперових основ, струмопровідних фарб і металів, а також устаткування для проведення досліджень. Описано удосконалену методику обробки поверхні паперу коронним розрядом із варіюванням режимів, методи формування провідних доріжок трафаретним друком і магнетронним напиленням, а також комплекс методів контролю морфологічних, адгезійних та електрофізичних характеристик. Сформовано методику імітації експлуатаційних впливів, що включає механічні, хімічні та температурні навантаження, і визначено порядок вимірювання електричних параметрів до та після випробувань, що забезпечує відтворюваність і достовірність експериментальних результатів. У розділі 3 «Дослідження стану поверхні паперових основ та якості струмопровідних шарів друкованої електроніки» наведено результати експериментальних досліджень щодо впливу попередньої обробки паперових основ коронним розрядом на морфологічні та фізико-хімічні характеристики їхньої поверхні. Проаналізовано зміну параметрів мікрорельєфу, змочуваності та фрактальної розмірності поверхні матового і глянцевого паперу залежно від режимів обробки. Досліджено взаємозв’язок між характеристиками поверхні паперових основ і електрофізичними показниками струмопровідних доріжок, сформованих трафаретним друком, зокрема питомим опором та стабільністю провідних властивостей. Встановлено закономірності впливу параметрів попередньої обробки на відтворюваність геометричних характеристик друкованих ліній та експлуатаційну стійкість провідних шарів. У розділі 4 «Удосконалений технологічний процес підготовки паперової основи до нанесення електропровідних доріжок трафаретним друком» на основі результатів експериментальних досліджень розроблено та обґрунтовано удосконалений технологічний процес виготовлення елементів друкованої електроніки на паперових основах. Встановлено вплив параметрів попередньої обробки коронним розрядом і після друкарської термічної обробки на морфологічні характеристики поверхні, змочуваність, фрактальну розмірність та електрофізичні показники струмопровідних доріжок. Із використанням методу аналізу ієрархій здійснено багатокритеріальне оцінювання факторів, що визначають якість і стабільність друкованих провідних шарів, та визначено раціональні режими обробки паперової основи. Сформульовано практичні рекомендації щодо вибору типу основи, режимів коронування і термообробки, а також розроблено схему удосконаленого технологічного процесу, придатного для впровадження у виробництво елементів друкованої електроніки. Результати виконання дисертаційної роботи полягають у тому, що: Вперше: - науково обґрунтовано раціональний технологічний процес нанесення елементів друкованої електроніки на паперових основах трафаретним друком на основі аналізу розроблених класифікацій способів нанесення, матеріалів основ, струмопровідних фарб та розробленої ієрархії факторів забезпечення якісних струмопровідних доріжок, нанесених друкарськими методами, що дозволило удосконалити технологічний процес нанесення елементів друкованої електроніки на паперових основах із застосуванням трафаретного друку, де вперше комплексно, як цілісний процес, застосовано цілеспрямовану попередню обробку поверхні паперу коронним розрядом та термічну обробку у кліматичній камері, що забезпечило підвищення адгезійних властивостей та стабільності нанесених провідних шарів. - встановлено взаємозв’язок режимів обробки коронним розрядом паперових основ різного виду, їх друкарсько-технічних властивостей (змочуваності, шорсткості тощо) та показників якості (електропровідність, стабільність питомого опору, цілісність тощо) струмопровідних доріжок на основі графенових фарбових композицій, нанесених трафаретним друком на паперових основах, що разом з обґрунтуванням раціонального режиму обробки, дозволяє забезпечити підвищення стабільності електричних характеристик друкованих провідних шарів. - запропоновано новий підхід до кількісного визначення якості друкованих провідних шарів на паперових основах, який ґрунтується на запропонованому комплексному показнику якості, що формується як результат урахування низки показників якості (електропровідність, стабільність опору тощо) одразу після нанесення, а також після випробувань з імітацією впливу зовнішніх факторів, що забезпечило комплексне багатофакторне оцінювання якості нанесених шарів. - отримано комплекс експериментальних даних щодо зміни властивостей струмопровідних доріжок у результаті імітації зношування, а також встановлено кореляцію між технологічними режимами обробки шарів і зміною показників якості після імітації зношування, що дало змогу обґрунтувати вибір раціональних режимів обробки коронним розрядом, які підвищують комплексний показник якості. - встановлено механізми формування зношеності друкованих струмопровідних шарів та виокремлено види пошкодження виробів з провідними доріжками на паперовій основі, що дозволило удосконалити методику дослідження експлуатаційних властивостей надрукованих провідних доріжок проведенням механічного стирання і термоциклування та дало змогу оцінити стабільність та довговічність сформованих провідних шарів. Вдосконалено: - методологію визначення зносостійкості струмопровідних фарбових шарів, яка ґрунтується на комплексному оцінюванні якості з урахуванням імітації комплексної дії механічних, хімічних і термічних впливів на зміну електричного опору, що дає змогу підвищити точність оцінювання інтенсивності процесів деградації дозволяє встановити взаємозв’язок між мікрогеометрією основи та стабільністю струмопровідних фарбових шарів. Набула подальшого розвитку: - методологія оцінювання стану поверхні паперових основ, яка базується на розрахунку фрактальної розмірності профілю за даними безконтактної профілометрії; це дозволило вперше встановити числовий взаємозв’язок між параметрами обробки коронним розрядом та зміною геометричної складності мікрорельєфу основи. Практичне значення одержаних результатів полягає у вдосконаленні технологічного процесу виготовлення друкованої електроніки на паперових основах, зокрема у впровадженні попередньої обробки коронним розрядом та пост-обробки у кліматичній камері. Це дозволяє знизити опір струмопровідних доріжок, підвищити їхню адгезію та забезпечити стабільність функціонування електронних компонентів під впливом зовнішніх факторів. Розроблено практичні рекомендації щодо промислового застосування паперових основ у виробництві друкованої електроніки, які включають раціональні режими попередньої обробки коронним розрядом та параметри термоциклової пост-обробки.
dc.description.abstractotherBardovskyi B. O. Improvement of the technology for printing conductive ink layers. Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in speciality 186 Publishing and printing (18 Production and technologies). – National Technical University of Ukraine “Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2026. The dissertation work is devoted to solving an actual scientific and applied task – improving the technology of printing conductive ink layers on paper substrates by improving the processes of pre-treatment with corona discharge and post-treatment with thermal cycling in a climatic chamber to increase adhesion and reduce the resistance of conductive tracks. Printed electronics is one of the promising areas in the development of modern printing and electronic technologies, focused on the fabrication of flexible, lightweight, and functional electronic products. Of particular interest within this field is the use of paper substrates as environmentally friendly, cost-effective, and suitable carriers for scalable roll-to-roll manufacturing. At the same time, the inherent porosity, surface roughness, and hydrophilicity of paper result in low adhesion and instability of the electrophysical characteristics of conductive layers formed by printing methods. This significantly limits the industrial application of paper substrates in printed electronics and necessitates the improvement of technological processes for their preparation and treatment. In this regard, an urgent scientific and applied task is the development and justification of technological solutions aimed at improving the quality, adhesion, and stability of conductive layers deposited by screen printing on paper substrates. The work is directly aligned with the topics of the department's research initiatives: “Technologies for ensuring the quality of paint and functional layers” and “Theoretical and methodological foundations for ensuring the wear resistance of printing products.” The aim of the dissertation is to improve the technological process of printing conductive layers using screen printing, taking into account the surface properties of paper substrates. To achieve the set goal in the work, the main content of which is laid out in four sections, a number of tasks were completed. Chapter 1 “Current state and challenges in the development of printed electronics elements on paper substrates” presents an analytical review of the current state of printed electronics technologies and provides a classification of functional layer deposition methods and substrate materials with regard to their suitability for forming conductive tracks. Printing and vacuum-based technologies for depositing conductive layers are analyzed, and screen printing, inkjet printing, and magnetron sputtering are compared in terms of production cost, scalability, compatibility with paper substrates, and mechanical stability. The properties of paper, polymer, and hybrid substrates, as well as conductive ink materials used in printed electronics, are examined. Methods for the quantitative evaluation of the surface microrelief and surface energy of paper substrates are summarized, including roughness, wettability, and fractal dimension parameters, and the prerequisites for improving the technological process of forming conductive layers on paper are formulated. Chapter 2 “Materials and research methods” presents a general algorithm for conducting experimental studies aimed at evaluating the effect of paper substrate pre-treatment on the quality of conductive tracks in printed electronics. The selection of materials, paper substrate samples, conductive inks and metals, as well as the equipment used for the experiments, is substantiated. An improved methodology for paper surface treatment by corona discharge with varying processing regimes is described, along with methods for forming conductive tracks by screen printing and magnetron sputtering, and a comprehensive set of techniques for controlling morphological, adhesive, and electrophysical characteristics. A methodology for simulating operational effects, including mechanical, chemical, and thermal loads, is developed, and the procedure for measuring electrical parameters before and after testing is defined, ensuring the reproducibility and reliability of the experimental results. Chapter 3 “Investigation of the surface condition of paper substrates and the quality of conductive layers in printed electronics” presents the results of experimental studies on the influence of corona discharge pre-treatment of paper substrates on the morphological and physicochemical characteristics of their surfaces. Changes in surface microrelief, wettability, and fractal dimension of matte and glossy paper as a function of processing regimes are analyzed. The relationship between the surface characteristics of paper substrates and the electrophysical properties of conductive tracks formed by screen printing, in particular the sheet resistance and the stability of conductive properties, is investigated. The regularities of the influence of pre-treatment parameters on the reproducibility of the geometric characteristics of printed lines and the operational durability of conductive layers are established. Chapter 4 “An improved technological process for preparing paper substrates for the deposition of conductive tracks by screen printing” presents the development and justification of an improved technological process for manufacturing printed electronics elements on paper substrates based on the results of experimental studies. The influence of corona discharge pretreatment parameters and post-printing thermal treatment on surface morphological characteristics, wettability, fractal dimension, and electrophysical properties of conductive tracks is established. Using the analytic hierarchy process, a multicriteria evaluation of the factors determining the quality and stability of printed conductive layers is performed, and rational processing regimes for paper substrate treatment are identified. Practical recommendations for selecting the substrate type, corona treatment and thermal processing regimes are formulated, and a scheme of the improved technological process suitable for implementation in printed electronics manufacturing is developed. As a result of the work, the following new scientific results were obtained: For the first time: - а rational technological process for depositing printed electronics elements on paper substrates by screen printing has been scientifically substantiated based on the analysis of the developed classifications of deposition methods, substrate materials, conductive inks, and the established hierarchy of factors ensuring the formation of high-quality conductive tracks deposited by printing techniques. This made it possible to improve the technological process for manufacturing printed electronics elements on paper substrates using screen printing, in which, for the first time, targeted pre-treatment of the paper surface by corona discharge and thermal treatment in a climatic chamber were applied in an integrated manner as a unified process. The implementation of this approach ensured an enhancement of the adhesive properties and the stability of the deposited conductive layers. - the relationship between the corona discharge treatment regimes of paper substrates of different types, their printing and technical properties (wettability, roughness, etc.), and the quality indicators (electrical conductivity, stability of sheet resistance, structural integrity, etc.) of conductive tracks based on graphene ink compositions deposited by screen printing on paper substrates has been established. Together with the substantiation of rational processing regimes, this relationship makes it possible to ensure improved stability of the electrical characteristics of printed conductive layers. - a novel approach to the quantitative assessment of the quality of printed conductive layers on paper substrates is proposed, based on the developed integrated quality indicator. This indicator is formed by taking into account a set of quality parameters (electrical conductivity, stability of resistance, etc.) evaluated immediately after deposition, as well as after testing with simulated external influences. The proposed approach provides a comprehensive multifactor evaluation of the quality of the deposited layers. - a comprehensive set of experimental data on changes in the properties of conductive tracks as a result of wear simulation has been obtained, and a correlation between the technological processing regimes of the layers and changes in quality indicators after wear simulation has been established. This made it possible to substantiate the selection of rational corona discharge treatment regimes that enhance the integrated quality indicator. - the mechanisms of wear formation in printed conductive layers have been identified, and the types of damage in products with conductive tracks on paper substrates have been distinguished. This made it possible to improve the methodology for investigating the operational properties of printed conductive tracks by incorporating mechanical abrasion and thermal cycling, and enabled the assessment of the stability and durability of the formed conductive layers. Has been improved: - the methodology for determining the wear resistance of conductive ink layers has been improved based on a comprehensive quality assessment that accounts for the simulated combined effects of mechanical, chemical, and thermal influences on changes in electrical resistance. This approach increases the accuracy of evaluating the intensity of degradation processes and enables the establishment of a relationship between the microgeometry of the substrate and the stability of conductive ink layers. Has been further developed: - the methodology for assessing the surface condition of paper substrates has been further developed, based on the calculation of the fractal dimension of the surface profile using non-contact profilometry data. This made it possible, for the first time, to establish a quantitative relationship between the corona discharge treatment parameters and changes in the geometric complexity of the substrate surface microrelief. The practical significance of the results obtained lies in the improvement of the technological process of manufacturing printed electronics on paper substrates, in particular in the introduction of preliminary corona discharge treatment and post-treatment in a climatic chamber. This allows to reduce the resistance of conductive tracks, increase their adhesion, and ensure the stability of electronic components under the influence of external factors. Practical recommendations have been developed for the industrial application of paper substrates in the production of printed electronics, which include rational modes of corona discharge pretreatment and parameters of thermal cycle post-treatment.
dc.format.extent222 с.
dc.identifier.citationБардовський, Б. О. Удосконалення технології друкування фарбових струмопровідних шарів : дис. … д-ра філософії : 186 Видавництво та поліграфія / Бардовський Богдан Олександрович. - Київ, 2026. - 222 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/81631
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectпаперові основи
dc.subjectтрафаретний друк
dc.subjectелектропровідність фарбового шару
dc.subjectтермічна обробка
dc.subjectплазмова обробка поверхні
dc.subjectмікрорельєф поверхні
dc.subjectмодифікація поверхні коронуванням
dc.subjectтопографія поверхні
dc.subjectенергетичні параметри поверхні
dc.subjectструмопровідні пігменти
dc.subjectадгезія
dc.subjectзносостійкість
dc.subjectтермічна стабільність
dc.subjectкомплексний показник якості
dc.subjectдрукована електроніка
dc.subjectpaper substrates
dc.subjectscreen printing
dc.subjectconductivity of ink layer
dc.subjectthermal treatment
dc.subjectplasma surface treatment
dc.subjectsurface microrelief
dc.subjectsurface modification by corona discharge
dc.subjectsurface topography
dc.subjectsurface energy parameters
dc.subjectconductive pigments
dc.subjectadhesion
dc.subjectwear resistance
dc.subjectthermal stability
dc.subjectintegrated quality index
dc.subjectprinted electronics
dc.subject.udc655.3:621.3
dc.titleУдосконалення технології друкування фарбових струмопровідних шарів
dc.title.alternativeImprovement of the technology for printing conductive ink layers
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Bardovskyi_dys.pdf
Розмір:
6.34 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ТПВ)
Дисертації (вільний доступ)