Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para produzir padrões de condutoras de alta resolução utilizando a impressão jato de electrohydrodynamic (DHE). O protocolo inclui dois modos de impressão de jato EHD: a contínua eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão baseada em ponto drop-on-demand (DOD) EHD.
Abstract
Impressão de Electrohydrodynamic (DHE) jato tem chamado a atenção em vários campos, porque ele pode ser usado como uma ferramenta de padronização direta de alta resolução e baixo custo. Impressão de DHE usa um fornecedor fluídico para manter o menisco extrudado empurrando a tinta fora a ponta do bico. O campo elétrico é usado para puxar o menisco até o substrato para produzir padrões de alta resolução. Dois modos de impressão EHD têm sido usados para padronização bem: contínua eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão de DHE (DOD) drop-on-demand baseada em ponto. De acordo com os modos de impressão, os requisitos para a viscosidade de equipamento e tinta de impressão serão diferente. Apesar de dois modos diferentes podem ser implementados com uma única impressora EHD, os métodos de realização diferem significativamente em termos de tinta, sistema fluídico e tensão de condução. Consequentemente, sem uma compreensão adequada dos requisitos e limitações jorrando, é difícil obter os resultados desejados. O objetivo deste trabalho é apresentar uma orientação para que pesquisadores inexperientes podem reduzir os esforços de tentativa e erro para usar o jato EHD para seus específica fins de investigação e desenvolvimento. Para demonstrar a aplicação de multa-padronização, nós usamos a tinta de nanopartículas de Ag para a padronização condutora no protocolo. Além disso, também apresentamos as orientações de impressão generalizadas que podem ser usadas para outros tipos de tinta para várias aplicações de multa-padronização.
Introduction
Impressão jato EHD tem sido amplamente utilizada em várias áreas, tais como a eletrônica impressa, biotecnologia e aplicações avançadas de material, porque é capaz de direta de alta resolução e baixo custo, padronização de1. A largura de linha impressa ou tamanho de ponto impresso poderia ser reduzido a 1 µm, que é significativamente menor do que convencional baseada em piezo inkjet impressão1.
Na impressão de DHE, uma pequena porção de tinta (ou menisco) é empurrada para fora a ponta do bico e mantida por controlar o fluxo taxa1,2,3,4,5 ou a pressão de ar1 ,6,7. O menisco extrudado é cobrado e pode facilmente ser puxado para baixo da ponta do bocal ao substrato por um campo elétrico, como mostrado na Figura 1. O menisco cónico é formado durante o jateamento, produzindo um fluxo de tinta muito mais fino do que o tamanho do bocal.
Figura 1: impressão EHD. A figura mostra o princípio da impressão jato EHD. Tinta é empurrada através de pressão e puxado através de um campo elétrico para formar um menisco extrudado do bocal. Em seguida, a tinta carregada pode facilmente ser jorrada ao substrato através de um DC ou tensão de pulso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Mesmo que uma única impressora EHD pode ser usada de dois modos diferentes, eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão de jato drop-on-demand EHD (DOD), os métodos de realização diferem significativamente em termos de tinta, sistema fluídico e condução de tensão1 , 2 , 3. por exemplo, NFES4,5 usa uma tinta relativamente alta-viscoso [mais de 1.000 centipoises (cP)] para formar padrões de microlinha contínuos com impressão de alta velocidade até 1 m/s. Por outro lado, o DOD EHD jato de impressão6,7,8 usa tinta baixa-viscoso com uma viscosidade de cerca de 10 cP para imprimir padrões complexos baseados no ponto com uma impressão de baixa velocidade inferior a 10 mm/s.
Desde que a exigência para cada modo é significativamente diferente, pode ser um desafio para os pesquisadores inexperientes alcançar os resultados desejados. O "know-how" empírico pode ser importante na prática. Para ajudar os pesquisadores a se acostumar com os métodos de impressão, apresentamos EHD impressão protocolos de bom patrocínio condutora usando tinta de nanopartículas de Ag. No entanto, nós adicionamos comentários aos protocolos, para que eles não estão limitados a uma condutor padronização usando tinta de nanopartículas de Ag. Finalmente, a impressão e preparação de diretrizes são apresentadas na seção de discussão.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Para fins de saúde e segurança, antes de usar qualquer tinta e limpeza de solução, consulte a folha de dados material de segurança (MSDS).
1. impressão por jacto de Electrohydrodynamic drop-on-demand usando tinta de nanopartículas de prata
- Preencha a tinta de nanopartículas de prata filtrado (AgNP) no reservatório de tinta do sistema de impressão EHD.
Nota: Tinta de AgNP comercialmente disponível pode ser usada para o efeito de jato de tinta. A tinta deve ter uma viscosidade de cerca de 10 cP e uma tensão de superfície de 20 ~ 40 mN/m para obter drop-on-demand jorrando. - Fazer um bico para a impressão de DOD EHD usando um extrator térmico.
- Coloque um capilar de vidro [diâmetro interno (ID) de 1 mm] no extrator térmico.
- Definir os parâmetros do extrator térmico; por exemplo, a temperatura de aquecimento na faixa de 580-590 ° C e a puxar uma velocidade de cerca de 18 mm/s.
Nota: Os parâmetros para o extrator térmico devem diferir de acordo com o ID do bocal de destino e as condições do ambiente. - Opere o extrator térmico com os parâmetros definidos para aplicar calor no centro do capilar e puxe em ambas de suas extremidades para fazer um bico com uma identificação de 5 µm.
Nota: Determine o tamanho do bocal ID baseado no tamanho do ponto do alvo no substrato. Para referência, o ID de bocal de 5 µm poderia imprimir 5 µm de tamanho de pontos. - Ajuste o comprimento do bocal de vidro cortando o vidro bico através de um cortador de vidro.
- Monte o bocal para o bocal e o conector, que estão ligados a tinta reservatório através de politetrafluoretileno (PTFE) tubulação.
- Aplica a pressão de ar para fornecer a tinta para a ponta do bico.
- Ligue o controlador de pressão de ar e aplique uma pressão de ar de 15 ~ 20 kPa para o reservatório de tinta para fornecer a tinta para a ponta do bico. Monitore o fluxo de tinta através do bocal de vidro transparente e tubulação para assegurar que nenhum ar é preso dentro do tubo e o bocal ao fornecer a tinta. Fique apertando ar para o reservatório de tinta até tinta aparece na ponta do bico.
Nota: Não reduzem a pressão antes da tinta aparece na ponta do bico, porque isso poderia causar uma armadilha de bolha de ar na ponta do bico. - Reduza a pressão para cerca de 12 kPa para manter o menisco extrudado sem qualquer tinta escorrer da ponta do bico.
Nota: A pressão de ar adequada depende da viscosidade de tamanho e tinta do bocal. Não aumente a pressão de ar para mais de 30 kPa para evitar a compressão do ar excessiva, o que é indesejável para manter o menisco em condições estáveis.
- Ligue o controlador de pressão de ar e aplique uma pressão de ar de 15 ~ 20 kPa para o reservatório de tinta para fornecer a tinta para a ponta do bico. Monitore o fluxo de tinta através do bocal de vidro transparente e tubulação para assegurar que nenhum ar é preso dentro do tubo e o bocal ao fornecer a tinta. Fique apertando ar para o reservatório de tinta até tinta aparece na ponta do bico.
- Fixar a cabeça do bocal montado no sistema de impressão.
- Coloque um substrato de vidro sobre o chuck vácuo do titular do substrato e ligue a bomba de vácuo para manter o substrato.
- Mover o palco do eixo z para ajustar a distância do impasse (H) — a distância entre a ponta do bico e a posição de substrato — para aproximadamente 100 µm. usar a imagem de visão lateral adquirida pela câmera de monitoramento para estimar a distância do impasse usando a distância da ponta do bocal a sua reflexão, como mostrado na Figura 2.
Nota: Uma distância menor de impasse leva a um campo elétrico maior, que poderia facilitar a impressão com uma menor tensões DC e pulso para jorrar. No entanto, uma distância menor de impasse poderia levar a gotas maiores. Portanto, a magnitude das tensões deve ser reduzida em conformidade para obter o tamanho de ponto desejado. Em geral, recomenda-se o uso de uma tensão mais baixa para obter menores impressos pontos com menos de pulverização. No entanto, uma operação cuidadosa é necessária se a distância do impasse torna-se menos de 50 µm, devido a maior chance de quebra do bocal pela colisão com o substrato. Considerando a relação de trade-off entre a capacidade jorrando e confiabilidade, recomendamos o uso de uma distância de impasse de 100 µm.
Figura 2: Stand-off ajuste de distância usando a imagem da câmera lateral Vista. A imagem do bocal de uma câmera de visão lateral pode ser usada para estimar a distância do impasse. A impasse distância (H) da ponta do bocal para o substrato pode ser facilmente estimada como metade da distância da ponta do bico à sua sombra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
-
Aplicam-se Tensões DC e pulso
Nota: As tensões DC e pulso podem ser controlado através do software de impressão.- Aumente a tensão DC gradualmente até as gotas de tinta fora a ponta do bico.
Nota: Não se aplica a tensão do alvo de uma só vez. A tensão incremental deve ser inferior a 100 V de cada vez. Em geral, não se aplica uma tensão DC de mais de 600 V. - Reduza a tensão DC ligeiramente desde o início da tensão DC até não mais tinta escorrendo do bocal é observada.
Nota: Após o ajuste da pressão pneumática e tensão DC, o menisco deve ser em uma forma apropriada para jorrar como mostrado em Complementar figura S1. - Definir uma tensão de pulso negativo com os parâmetros de tascensão = 0 ~ 100 µs, thabitar = 300 µs e tqueda = µs 07 (Figura 3) no menu do software.
- Aplica a tensão de pulso negativo no titular substrato. Em seguida, ajuste a magnitude da tensão de pulso, Vpulso, para produzir uma gota por tensão de pulso único.
Nota: A magnitude da tensão de pulso negativo, Vpulso, deve ser inferior a 600 V. - Ajuste as tensões de fundo e pulso de DC para obter o tamanho de gota de alvo no substrato, respeitando os pontos de hidromassagem no substrato da imagem de câmera de vista de lado.
Nota: Para produzir pequenos pontos com menos pulverização no substrato, a magnitude da tensão de pulso, Vpulso, deve ser tão baixa quanto possível.
- Aumente a tensão DC gradualmente até as gotas de tinta fora a ponta do bico.
Figura 3: tensão de pulso para DOD EHD jorrando. Recomenda-se o uso da tensão de forma de onda trapezoidal para produzir DOD EHD jorrando7. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
-
Padrões de impressão
Nota: Dois tipos diferentes de padrões podem ser usados para impressão de DOD EHD: imagem de bitmap (CAD)-com base em informações do vetor. Imagem de bitmap foi amplamente utilizada na impressão de jato de tinta baseada no DOD. No entanto, no caso de aplicações de eletrônicos impressos, informações baseadas em CAD vetor tem vantagens sobre impressão jato de tinta baseada no DOD, porque é eficiente na impressão de linha de base usando uma única cabeça EHD. Ao mesmo tempo, as informações do vetor podem ser convertidas em uma imagem de bitmap para impressão de imagem de bitmap.-
Impressão de imagem de bitmap
- Carregar uma imagem de bitmap na aba impressão do software de impressão e convertê-lo em uma imagem binária.
- Defina os parâmetros para a impressão da imagem binária. Por exemplo, defina o intervalo de gota (ou seja, a distância entre 2 pixels consecutivos) em 10 µm.
Nota: A imagem de bitmap não tem quaisquer dimensões físicas. As dimensões físicas da imagem impressa serão relacionadas ao intervalo de gota. Por exemplo, a imagem impressa torna-se maior se for usado um intervalo maior de queda. Na impressão a jato de tinta convencional, pontos por polegada (DPI) tem sido comumente usado para essa finalidade. No entanto, deve notar-se que um menor DPI significa um intervalo maior de queda. A fim de determinar o intervalo de gota, o tamanho de ponto impresso deve ser considerado. Em geral, o intervalo de gota para impressão EHD DOD é significativamente menor do que o da impressão a jato de tinta convencional. - Começa a imprimir usando o bitmap selecionado no local de destino no substrato.
-
Impressão de vetor com base nas informações do CAD
- Carrega as informações de CAD para impressão.
Nota: O formato de arquivo DXF, que é baseado em texto informações do CAD, pode ser usado para obter as informações de impressão. - Definir os parâmetros para impressão de vetor; por exemplo, defina o intervalo de gota em 3 µm e a frequência jorrando a 10 Hz.
Nota: Para imprimir os padrões da linha conectada, o intervalo de gota deve ser escolhido para que Adjacent depositado gotas sobrepõem-se ligeiramente. No entanto, muita sobreposição pode resultar em uma maior largura de linha. Uma sobreposição de cerca de 30% é recomendada para qualquer impressão de linha prático. No caso de impressão, a velocidade de movimento (v) do vetor a seguinte equação.
v = f × d
Aqui,
d = o intervalo de gota, e
f = frequência jorrando. - Imprimir os padrões carregados no substrato usando parâmetros de impressão pré-determinado, como o intervalo de queda, a velocidade de impressão, a tensão, etc.
Nota: Após a impressão, um processo de sinterização pode ser necessário obter a condutividade desejada dos padrões impressos, que está além do escopo deste artigo.
- Carrega as informações de CAD para impressão.
-
Impressão de imagem de bitmap
2. fina linha condutora padronização usando eletrofiação de campo próximo
- Fazer eletrofiação de campo próximo (NFES) tinta para impressão de linha condutora.
- Mistura de etanol e água desionizada (DI) com uma relação de volume de 3 (etanol) para 1 (água) para preparar o solvente 1. Por exemplo, misture 9 ml de etanol e 3 ml de DI água para fazer 12 ml de solvente 1.
- Misturar 0,3 g de poli (óxido de etileno) (PEO, Mwt = 400.000) e 9,7 g do solvente preparado 1 tornar-se uma solução de polímero com 3% em peso de PEO por agitação, utilizando um agitador magnético para mais de 6 h à temperatura ambiente (25 ° C).
- Nano Ag Mix colar de tinta, que tem uma viscosidade de aproximadamente 11.000 cP e a solução de polímero preparado, com uma relação de peso de 5 (Ag nano colar a tinta) para 1 (solução de polímero) usando um misturador do vortex durante 10 minutos para obter a tinta para NFES. Por exemplo, 10 g de nano Ag colar tinta e 2 g de solução de polímero podem ser misturado para obter a tinta NFES.
Nota: No presente protocolo, a proporção de mistura materiais é geralmente mais importante do que a quantidade específica dos materiais. Comercialmente disponível nano Ag colar tinta para fins de impressão tela, que tem índices contínuos Ag de cerca de 85,5% em peso, pode ser usado para essa finalidade. Observe que a seleção do solvente e o polímero poderia diferem com base na composição da tinta usada.
- Preencha a tinta NFES preparada na seringa.
- Conecte a seringa com um bocal através do tubo de conexão.
Nota: Uma agulha de seringa comercialmente disponíveis com uma identificação de 100 µm pode ser usada para o bico. - Fornecer a tinta para o bico, empurrando a seringa manualmente.
- Instale a seringa no motor seringa, que é ligado ao sistema de impressão.
- Coloque um substrato sobre o mandril a vácuo e ligue a bomba de vácuo para manter o substrato durante a impressão.
- Controle de Z-posição (palco) para ajustar a distância do impasse.
Nota: A distância do impasse recomendada deve ser em torno de 2 mm, que é significativamente menor impasse distância em comparação com aquele usado com eletrofiação convencional. -
Ajustar a taxa de fluxo
- Acione a bomba de seringa para encher a tinta NFES no assembly do bocal e gerar um fluxo de tinta com uma taxa de fluxo inicial de 50 µ l/min, que é maior do que a taxa de fluxo do alvo.
- Defina uma taxa de fluxo do alvo de 1 µ l/min quando a tinta escorre para fora a ponta do bico.
Nota: Uma menor taxa de fluxo pode resultar em uma menor largura padrão. No entanto, pode causar quebra de linha. O trade-off entre a largura da linha e a continuação da linha deve ser considerado quando a taxa de fluxo do alvo é determinada.
-
Aplicar tensão
- Ligue a fonte de tensão DC ao conector do bico e a tensão do solo ao titular do substrato.
- Aumentar a voltagem DC gradualmente a 1,5 kV.
Nota: Desde que a distância do impasse está no intervalo de poucos milímetros, a tensão DC pode ser aumentada até 2 kV, que é maior do que de DOD EHD jato de impressão. No entanto, uma tensão contínua superior a 2 kV deve ser evitados, pois isso pode danificar o material funcional, especialmente Ag colar tinta, adicionar à solução de polímero. Em geral, uma baixa tensão DC é recomendada quando uma linha mais fina impressa é necessária. No entanto, as linhas impressas podem ser facilmente desconectadas quando uma baixa tensão é usada, porque a força puxando para impressão de tinta contínua está relacionada com a tensão DC. Considerando os trade-offs, recomendamos o uso de uma tensão de C.C. que variam de 1 kV a 2 kV.
- Inicie a impressão ociosa com uma velocidade de impressão de 300 mm/s por mais de 10 min obter um fluxo de estado estacionário. Ajuste os parâmetros de impressão tais como a taxa de fluxo e tensão de DC durante a impressão ociosa para obter os resultados desejados de impressão.
Nota: Impressão ocioso de mais de 10 min é necessário para obter um fluxo de estado estacionário, porque a tinta viscosa pode ser compactada na tubulação de longo durante a entrega de tinta na ponta do bico. Sem impressão ociosa, pode alterar a largura da linha impressa com o tempo. A velocidade de impressão ociosa, assim, seria o mesmo que a velocidade real de impressão para que o jorrando parâmetros podem ser ajustados durante a impressão. Desta forma, a tensão DC é ajustada durante a impressão ociosa para obter a largura de linha de destino. Note-se que a taxa de fluxo e tensão DC devem ser equilibradas, para que a quantidade de tinta, empurrada pela bomba de seringa pode ser igual à quantidade de tinta puxada para baixo pelo campo elétrico. - Escolha o padrão de impressão, tais como uma contínua padrões de linha e grade.
Nota: Uma vez que a fibra produzida pode ser facilmente desviada e pode ser depositada aleatoriamente por causa da força de repulsão de carga gerada pelas linhas impressas, a velocidade de impressão deve ser superior a 300 mm/s para alinhar o padrão com as instruções de impressão e o para ser mais de 100 µm para imprimir os padrões gird ou linha, recomenda-se espaçamento entre as linhas impressas. - Imprima o padrão selecionado no substrato usando parâmetros de impressão pré-determinado.
Nota: Um processo de sinterização pode ser necessário obter as funcionalidades do alvo dos padrões impressos, que está além do escopo deste artigo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Impressão de drop-on-demand baseada em ponto:
Impressão de DOD é baseado em uma gota jorrando por um gatilho jorrando. Para produzir o DOD jorrando, tinta baixa-viscoso com uma viscosidade de aproximadamente 10 cP deve ser usado. A exigência de tinta para impressão EHD DOD é similar do jato de tinta DOD convencional, como é o método de impressão EHD do jato de tinta convencional do DOD. No caso de impressão a jato de tinta convencional, a técnica de impressão de raster tem sido amplamente utilizada, porque é adequado para impressão de imagem de bitmap usando o bocal multi cabeças. No entanto, no caso de uma impressão de jato EHD, há um limite sobre a aplicação da cabeça do bocal multi devido a Cruz elétrica-conversa entre bicos. Assim, impressão de vetor usando um único bocal é comumente usado para impressão de linha baseado em CAD. Não obstante, o raster ou o modo de impressão do vetor deve ser selecionável a partir do software de impressão para imprimir vários tipos de padronização. Observe que o algoritmo e implementação podem diferir de acordo com os modos de impressão. No modo de vetor, movimentos simultâneos no x, y sentidos são usados para imprimir as linhas, Considerando que, na impressão de raster, um único eixo é usado para impressão pontos na direção principal e mova para a próxima faixa no sentido secundário. Resultados representativos de impressão usando raster e vetoriais impressão são mostrados na Figura 4.
Figura 4: resultados de impressão típicos usando DOD EHD jorrando. (um) mostra este painel impressão de bitmap (raster impressão). (b) este painel mostra a impressão de vetor com base nas informações do CAD. Impressão de jato EHD baseada em ponto pode ser usado para imprimir tanto imagens bitmap (raster impressão) e linhas baseadas em CAD (impressão de vetor). Aqui, as tensões DC de 250 V e uma tensão de pulso de -250 V foram usados para imprimir ambos os padrões. No painel uma, o intervalo de gota foi definido como 10 µm para separar os pontos. No painel b, o padrão foi impresso usando uma frequência de 10 Hz e um intervalo de gota de 3 µm, para que os pontos são conectados para formar linhas.
Eletrofiação de campo próximo:
NFES usa tinta altamente viscosa de mais de 1.000 cP para imprimir padrões continuamente. Então, isso não é possível imprimir imagens bitmap nem informações CAD com locais não-impressão e impressão. Como resultado, em vez de padrões complicados, NFES é adequado para impressão de linhas retas, usando uma alta velocidade de impressão. Padrões de grade são comumente usados como mostrado na Figura 5.
Figura 5: resultado de impressão típico de NFES. (um) este painel mostra um padrão de grade típica para eletrofiação impressão. (b) este painel mostra o efeito da velocidade da impressão sobre o resultado da impressão. NFES requer uma alta velocidade de impressão para duas finalidades: para reduzir a largura padrão e alinhar os padrões de impressão em relação a direção da impressão. Desde que o comportamento jorrando é imprevisível na região de impressão lenta, a região de impressão rápida deve ser usada, excluindo as partes não-reto-linha.
Para imprimir padrões contínuos usando NFES, a velocidade de impressão deve ser mais rápida do que 300 mm/s para alinhar os padrões impressos com a direção da impressão. Uma rápida velocidade de impressão também ajuda a alcançar uma largura de fino padrão11. A relação de redução da largura padrão no que diz respeito a ID do bocal pode ser mais de 20 x, dependendo das condições de impressão. Por exemplo, um ID de bocal de 100 µm poderia produzir uma menor do que 5 µm de largura padrão. Então, NFES é um método muito eficaz para alcançar padrões muito bem usando tinta altamente viscosa. No entanto, a linearidade do padrão e largura são facilmente sujeita a variação de velocidade da impressão. Observe que há aceleração inevitável e regiões de desaceleração, onde a velocidade de impressão pode tornar-se muito baixa (ou zero) para mudar a direção da impressão. Nessas regiões, os padrões impressos poderiam tornar-se não uniforme e não-alinhados em relação a direção em movimento. Portanto, recomendamos o uso dos padrões impressos perto da região de alta velocidade apenas. Os padrões impressos perto de aceleração e desaceleração regiões (regiões baixas de velocidade impressão) devem ser descartados, como mostrado na Figura 5a. Em alguns casos, uma baixa velocidade jorrando pode ser usada para gerar um padrão de onda. Usando uma velocidade de impressão baixa de menos de 100 mm/s, os padrões podem se tornar ondulados, como mostrado na Figura 6. O padrão ondulado pode ser útil em aplicações eletrônicas stretchable. No entanto, a largura da linha pode aumentar até mais de 10 µm por causa da baixa velocidade de impressão.
Figura 6: exemplo de padrões ondulados usando a velocidade de impressão baixa. Uma baixa velocidade de impressão (cerca de 100 mm/s) pode produzir linhas onduladas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Em algumas aplicações de impressão, padrões extremamente finos, com uma largura menor do que 1 µm são necessários. Para atingir um padrão tão bem, uma velocidade de impressão mais rápido que 1 m/s pode ser considerado. No entanto, uma excessivamente alta velocidade de impressão pode resultar em linhas desconectadas (ou quebradas). Então, várias condições da impressão, tais como a taxa de fluxo, largura da linha, velocidade de impressão e elasticidade do polímero devem ser otimizadas para imprimir padrões bem sem qualquer quebra de linha. Por exemplo, a Figura 7 mostra o fluxo efeitos de taxa sobre os resultados de impressão quando a velocidade de impressão e a tensão DC são 300 mm/s e 1.200 V, respectivamente.
Figura 7: largura de acordo com a taxa de fluxo de padrão. A taxa de fluxo está relacionada com a largura padrão. Com uma baixa taxa de fluxo, um padrão mais fino pode ser obtido. Por exemplo, se a taxa de fluxo é alta com 50 µ l/min, o linewidth seria grande com 34 µm. Quando a taxa de fluxo se reduz para 1 µ l/min e 0,1 µ l/min, padrões mais finos com uma largura de 8 µm e 1 µm, respectivamente, pode ser obtido. Observe que, se a taxa de fluxo é muito pequena, o padrão de linha pode ser quebrado e desconectado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura S1: forma de menisco Standby de acordo com as condições da impressão. A forma do menisco adequada deve ser mantida durante todo o processo de impressão por meio de pressão de ar adequada e uma tensão de fundo de DC a fim de obter estável DOD jorrando. Clique aqui para baixar este arquivo.
S2 figura: esquema de impressão eletrofiação. Os componentes para impressão eletrofiação são mostrados. Observe que uma alta tensão de DC foi aplicada para o bocal para fornecer cargas elétricas para a tinta e produzir o campo elétrico que puxa a tinta ao substrato. Em caso de NFES, a impasse distância da ponta do bocal para o substrato deve ser de 1 ~ 3 mm para impressão em linha reta ao longo da direção da impressão. Clique aqui para baixar este arquivo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Neste protocolo, focalizamos bem padrões usando tinta AgNP com dois modos de impressão: impressão de DOD EHD e NFES. No entanto, o aplicativo de impressão de jato de DHE não está limitado à tinta condutiva usando AgNP. Aqui, vamos discutir as orientações gerais para a seleção de tinta, a configuração do sistema e outros parâmetros de impressão necessários para a utilização de impressão para várias aplicações de multa-padrão de jato EHD.
O primeiro e mais importante passo para a impressão de DHE é preparação e seleção de tinta. A tinta utilizada na impressão a jato de tinta convencional pode ser usada na impressão de DOD EHD. A viscosidade da tinta para impressão inkjet de DOD está na faixa de 1 ~ 50 cP (tipicamente 10 cP)14. No entanto, deve notar-se que o método de controle pneumático para impressão de DOD EHD é diferente de um jato de tinta convencional do DOD. Jato de tinta convencional usa pressão negativa para manter o local de menisco dentro da superfície do bocal para evitar qualquer tinta escorrendo e umectação de bocal. Por outro lado, a impressão EHD DOD usa pressão positiva, que pode empurrar a tinta para formar um menisco extrudado. Observe que, se a viscosidade da tinta torna-se mais de 100 cP, o menisco é difícil de controlar, porque o ar pode então facilmente ser compactada ao invés de empurrar tinta na ponta do bico. A faixa de viscosidade para jorrar pode depender a identificação do bocal. Se um bico menor que ID é usado, a viscosidade deve ser reduzida em conformidade a fim de fornecer a tinta para a ponta do bico sem muita compressão de ar.
A tensão superficial da tinta também é importante para jorrar adequada. A tensão superficial da tinta deve ser na faixa de 20 a 40 mN/m. Se a tensão de superfície é inferior a 20 mN/m, efeitos de pulverização vai dominar. Se a tensão superficial é mais de 40 mN/m, será difícil formar um menisco cónico, que é necessário para a adequada EHD jorrando.
Figura 8: efeitos de tensão superficial da EHD jorrando. A tensão de superfície recomendada para tinta é na faixa de 20 a 40 mN/m. Se a tensão de superfície torna-se baixa, dominará os efeitos pulverização no substrato. Por outro lado, se a tensão de superfície é muito alta, adequada EHD jorrando é improvável, porque o menisco cónico é difícil de alcançar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Se a tensão de superfície de uma tinta é mais de 40 mN/m, uma pequena quantidade de surfactante pode ser adicionada à tinta para reduzir a tensão superficial. No entanto, o uso de surfactante excessiva pode causar a pulverização de tinta sobre o substrato. Note que a tinta carregada com a polaridade de alguns pode produzir uma força repulsiva durante o voo a jato, resultando em pulverização no substrato. Para reduzir os efeitos da pulverização, pode considerar-se a redução de tensões a condução ou a distância do impasse.
Outro parâmetro importante para jorrar confiável é o ponto de ebulição. Como a ID do bocal é muito pequena no caso de um jato EHD, o menisco extrudido, devido a pressão positiva, facilmente podem ser secos e obstruir o bocal. Para reduzir qualquer tinta de secagem na ponta do bocal, o principal solvente deve ser selecionado com base no fato de que seu ponto de ebulição é superior a 150 ° C. Para evitar qualquer entupimento devido à agregação de partículas, considere a tinta de filtragem com filtros com poros de um tamanho menor do que a identificação do bocal. Além disso, as partículas na tinta devem ser pelo menos 10 x menor do que a identificação do bocal. Em geral, as tintas que são adequadas para um jato de tinta piezo convencional também podem ser usadas para impressão de DOD EHD.
Tinta NFES tem viscosidade mais elevada comparada com a de tinta inkjet de DOD EHD. A viscosidade deve estar no intervalo de vários milhares de cP. Para uma impressão contínua, uma solução de polímero é misturada com tinta funcional. A aplicação de NFES recentemente foi estendida de fibra produção15,16 para várias aplicações, misturando materiais funcionais com a solução de polímero17. Para as soluções de polímero, PEO e PVP (polivinilpirrolidona), etc.4,5,17,18,19, que têm um alto peso molecular, são comumente usados. A principal preocupação com NFES é preservar a capacidade de impressão contínua usando o polímero, enquanto a tinta mantém a funcionalidade do material, tais como condutividade. Portanto, a relação de mistura da solução de polímero com relação as materiais funcionais deve ser selecionada com cuidado. Também, ao contrário do caso do DOD, um solvente com um ponto de ebulição mais baixo (menos de 100 ° C) normalmente tem sido utilizado para fazer a solução de polímero.
Uma tinta a jato de tinta convencional pode ser usada no DOD EHD impressão, os métodos de controle de pressão para EHD impressão são muito diferente de um jato de tinta convencional. Impressão de DHE usa pressão positiva para manter o menisco extrudado do bocal, enquanto um jato de tinta convencional utiliza pressão negativa. Para controle de pressão positiva, métodos de controle de dois tipos de pressão — pressão hidrostática e pressão de ar — poderia ser usado, dependendo da tinta viscosidade e bocal ID como mostrado na Figura 9. Para um bico menor, a pressão do ar, ao invés de pressão hidrostática deve ser usado para empurrar a tinta para a ponta do bico. No entanto, um controle adequado da pressão do ar pode ser difícil quando usando tinta de alta viscosidade ou um bocal com uma identificação inferior a 2 µm, desde que o ar pode facilmente ser comprimido. Por outro lado, se o tamanho do bocal é mais de 50 µm, uma ligeira variação da pressão do ar pode afetar o local do menisco. Se a viscosidade da tinta é baixa e o bocal é mais de 50 µm, pressão hidrostática usando fluídico altura deve ser usado para manter uma posição consistente do menisco.
Figura 9: pressão controle para DOD jorrando. Pressão positiva é necessário manter o menisco extrudado na condição de repouso. A pressão para o menisco pode ser controlada por ar comprimido de um compressor de ar ou a pressão hidrostática (usando a diferença de altura entre o reservatório de tinta e a ponta do bico). A seleção dos métodos de controle deve diferir de acordo com a viscosidade de tamanho e tinta do bocal. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
No caso de fans, uma bomba de seringa pode ser usada para alimentar a tinta para o bico, desde que a tinta altamente viscosa não pode ser empurrada pela pressão de ar. Nota que a tinta pode ser pressurizada e compactada quando é fornecido em uma constante taxa de fluxo através de uma bomba de seringa. Além disso, um tempo considerável pode ser necessário para a tinta compactada alcançar um estado estacionário de fluxo na ponta do bico. Para minimizar os efeitos de compressão de tinta na impressão, inserido entre a seringa e a ponta do bico do tubo de conexão deve ser tão curto quanto possível. Além disso, o tubo de conexão deve ser difícil minimizar os efeitos da expansão causados pela tinta viscosa pressionada. Para minimizar os efeitos de compressão de tinta, a seringa deve ser anexada ao equipamento de impressão (fases) para reduzir o comprimento do tubo de conexão a seringa com o bocal. Para este fim, usamos uma bomba de seringa, de que o motor do parafuso pode ser separado do controlador, conforme mostrado na Figura 10.
Figura 10: um sistema fluídico por eletrofiação. O sistema fluídico por eletrofiação consiste de duas partes: o sistema de bomba de seringa e o conjunto seringa-bocal. O sistema de bomba de seringa inclui um controlador de taxa de fluxo e um motor de parafuso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Um dos parâmetros importantes para determinar a largura padrão ou tamanho de ponto é a identificação do bocal. Ao contrário da cabeça do inkjet convencional, uma cabeça de DHE não requer qualquer atuadores ou canais fluidos complexos. Requer apenas um bico como uma agulha de seringa ou um bocal de vidro capilar, que é conectado a uma fonte de alta tensão. Aqui, o tamanho adequado do bocal que ID deve ser escolhido baseado na viscosidade da tinta, bem como a largura padrão. Por exemplo, no caso de uma impressão de DOD usando uma viscosidade inferior a 100 cP, o ID do bocal deve ser inferior a 50 µm. Para obter impressão estável e consistente, o menisco extrudado em condição repouso deve permanecer no mesmo local. No entanto, quando um bocal com uma identificação maior do que 50 µm é usadas, ligeiras variações da pressão do ar, tensão, de condução e impasse distância pode facilmente afeta a localização de menisco de tinta baixa-viscoso. Observe que um local de menisco está relacionado ao montante jorrando: uma localização inferior geralmente produz mais gotículas. Por conseguinte, ao usar um bocal com uma grande identificação, é muito difícil obter uniformidade do ponto durante todo o processo de impressão de DOD. Portanto, o bocal que ID deve ser inferior a 10 µm para garantir impresso uniformidade de tamanho de ponto. O uso de um bocal com uma ID de menor tem a vantagem de pontos menores impressão. Por exemplo, um ID de bocal com 3 µm poderia imprimir pontos tão pequenos quanto 3 µm, e o tamanho do ponto pode ser reduzido ainda mais usando um bocal com menor ID. Para fazer um bico com uma pequena ID, um capilar de vidro é comumente usado, porque o bocal com o alvo de que identificação pode ser facilmente feito através de um puxador de térmico comercialmente disponível. Por outro lado, NFES precisa de um ID de bico que é maior que 50 µm, para imprimir a viscosidade elevada (superior a 1.000 cP) tinta. Normalmente, um bocal com uma identificação de 100 µm é comumente usado para impressão de multa-padrão com uma largura padrão de menos de 5 µm. Aqui, uma agulha de seringa comercialmente disponível pode ser usada para essa finalidade.
Tanto no jet DOD EHD NFES jorrando, viscosidade da tinta deve ser considerada para selecionar o ID do bocal. Também, a quantidade de pressão (ou caudal) no sistema fluídico deve ser determinada com base na viscosidade de ID e tinta bocal. A Figura 11 mostra as relações entre três fatores importantes: viscosidade da tinta, bocal tamanho e ar pressão (ou caudal). Como mostrado na Figura 11, tanto de alta pressão e um bico com uma grande identificação devem ser usados quando usando tinta de alta viscosidade, Considerando que a pressão de ar baixa e um bocal com uma ID de menor devem ser usados para jorrando tinta baixa-viscoso.
Figura 11: A diretriz de seleção do bico em relação a viscosidade e a pressão. Esta figura explica a relação entre o bocal ID, viscosidade e pressão pneumática. Por exemplo, se for usada uma tinta altamente viscosa, um bico maior e/ou maior pressão de ar é necessários, ou vice-versa. Da mesma forma, para controle de menisco, maior pressão de ar é necessário ao usar um bocal com um ID de menor, ou vice-versa. Apesar de tudo, pressão de ar de alta não pode empurrar a tinta corretamente para a ponta do bico se o ID do bocal é muito pequeno ou a viscosidade é muito alta, porque o ar pode facilmente ser compactado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Durante a impressão, a parte externa do bocal pode ser molhada pelos fluxos de tinta na ponta do bico. Na presença de significativas umectantes, jorrando o controlo adequado pode ser difícil. A possível causa da molhadela pode tanto ser a partir de propriedades de tinta inadequada, tais como a tensão de superfície, ou uma configuração incorrecta de parâmetros como tensão de C.C. e pressão/fluxo taxa. Se persistir a molhadela do bocal, tratamento de superfície do bocal pode ser necessário para que a superfície do bocal pode ter características hidrofóbicas, em relação a tinta.
Para impressão de DOD, dois tipos diferentes de fontes de tensão são necessários7,11: um DC fundo para manter a forma do menisco em standby e uma pulso tensão para gerar DOD jorrando. No entanto, NFES usa apenas tensão DC para imprimir padrões de microlinha contínuos usando tinta altamente viscosa (mais de 1.000 cP). A alta voltagem DC que variam de 1 kV a 2 kV foi aplicado para o conector de metal inserido entre o bocal e o tubo. Para imprimir uma linha reta, usamos a curta distância de impasse de 1 ~ 3 mm e que é por isso que o método é chamado "campo próximo" eletrofiação (NFES), que tem características diferentes em comparação com os convencionais consideravelmente-campo eletrofiação12,13 .
Neste protocolo, um substrato de vidro foi usado para os experimentos, mas diferentes tipos de substrato podem ser usados de acordo com as aplicações. No entanto, deve notar-se que substratos que têm uma propriedade de isolação elevada [por exemplo, película de polietileno tereftalato (PET)] necessidade de pré-tratamento, tais como um revestimento químico, para remover as cargas elétricas estáticas que podem ser acumuladas na superfície.
Para usar um jato EHD para várias aplicações, as diretrizes da impressão e preparação estão resumidas na tabela 1.
| Impressão de DOD EHD jato | Perto de campo eletrofiação (impressão contínua) | |
| Exigência de tinta | Escala da viscosidade: 1 ~ 100 cP. | Viscosidade: 100 cP ~ 10.000 cP. |
| Tensão superficial: 20 a 40 mN/m. | Ponto de ebulição: menos de 100 ° C. | |
| Ponto de ebulição do solvente: mais de 150 ° C. | ||
| Sistema fluídico | Altura de fluido (força hidrostática): bocal com diâmetro interno de mais de 50 µm. | Bomba de seringa com taxa de fluxo constante. |
| Pressão de ar: bocal com diâmetro interno inferior a 10 µm. | ||
| Exigência de diâmetro interno do bocal | Não mais que 10 µm é recomendado para jorrar estável. | Mais de 100 µm pode ser usado para padronização fina com largura inferior a 5µm. |
| Em geral: diâmetro interno com 5 µm pode imprimir sobre pontos com tamanho de 5µm. | ||
| Exigência de tensão | Tensão de C.C. fundo: menos de 600 V | Tensão DC: menos de 2 kV. |
| Pulso de tensão para jorrar: algumas centenas de volts. | ||
| Velocidade de impressão | Baixa, inferior a 10 mm/s. | Mais rápido do que 300 mm/s. |
| Requisito de software | Raster impressão (imagem bitmap). | Padrões de grade simples. |
| Impressão de vetor (informações de CAD baseado). | Padronização com exigência de ligar-desligar é impossível devido à natureza contínua de jorrar. |
Tabela 1: Resumo das diretrizes de preparação e impressão para DOD e jato contínuo EHD. A tabela resume os requisitos e recomendações para padronização bem usando o jato EHD.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Esta pesquisa foi apoiada pelo programa de pesquisa de ciência básica através da nacional Research Foundation de Coreia (NRF) da Coreia, financiada pelo Ministério da educação (2016R1D1A1B01006801) e parcialmente financiada pelo fundo de pesquisa da Universidade de Soonchunhyang .
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| EHD integrated printing system | Psolution Ltd., South Korea | PS300 | |
| Harima Ag Nanoparticle ink | Harima Inc., Japan | Harima NPS-JL | Ag solid content: ~ 53 wt%, Viscosity: ~10 cP, Surface tension: ~30 mN/m |
| Glass capillary | Narishige Scientific Instrument Lab | G-1 | Inner diameter: 1 mm; Used to make nozzle for DOD EHD jet printing using thermal puller |
| Nozzle thermal puller | Sutter Instrument, USA | Sutter P-1000 | |
| Microscope Slides (Glass subtrate) | Paul-Marienfeld & Co.KG, Germany | 10 006 12 | Dimension (L x W x T): 76 mm x 26 mm x 1 mm |
| Magnetic Stirrer | Barnstead Thermolyne Corp., USA | Cimarec SP131635 | |
| Vortex Stirrer | Jeiotech, South Korea | Lab Companion VM-96T | |
| Ag nanopaste | NPK, South Korea | ES-R001 | Ag solid content: ~85.5 wt%, Viscosity: ~11000 cP |
| Poly ethylene oxide (PEO) | Sigma-Aldrich, USA | 372773-500G | Mw = 400000 |
| Ethanol | Sigma-Aldrich, USA | 459836-500ML |
References
- Onses, M. S., Sutanto, E., Ferreira, P. M., Alleyne, A. G., Rogers, J. A. Mechanisms, Capabilities, and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing. Small. 11 (34), 4237-4266 (2015).
- Jaworek, A., Krupa, A. Classification of the modes of EHD spraying. Journal of Aerosol Science. 30 (93), 873-893 (1999).
- Lee, A., Jin, H., Dang, H. W., Choi, K. H., Ahn, K. H. Optimization of experimental parameters to determine the jetting regimes in electrohydrodynamic printing. Langmuir. 29 (44), 13630-13639 (2013).
- Sun, D., Chang, C., Li, S., Lin, L. Near-field electrospinning. Nano Letters. 6 (4), 839-842 (2006).
- Pan, C. -T., Tsai, K. -C., Wang, S. -Y., Yen, C. -K., Lin, Y. -L. Large-Area Piezoelectric PVDF Fibers Fabricated by Near-Field Electrospinning with Multi-Spinneret Structures. Micromachines. 8 (4), (2017).
- Mishra, S., Barton, K. L., Alleyne, A. G., Ferreira, P. M., Rogers, J. A. High-speed and drop-on-demand printing with a pulsed electrohydrodynamic jet. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (9), (2010).
- Kwon, K. S., Lee, D. Y. Investigation of pulse voltage shape effects on electrohydrodynamic jets using a vision measurement technique. Journal of Micromechanics and Microengineering. 23 (6), (2013).
- Chen, C. H., Saville, D. A., Aksay, I. A. Scaling laws for pulsed electrohydrodynamic drop formation. Applied Physics Letters. 89, (2006).
- Sung, K., Lee, C. S. Factors influencing liquid breakup in electrohydrodynamic atomization. Journal of Applied Physics. 96 (7), 3956-3961 (2004).
- Kim, J. H., Oh, H. C., Kim, S. S. Electrohydrodynamic drop-on-demand patterning in pulsed cone-jet mode at various frequencies. Journal of Aerosol Science. 39 (9), 819-825 (2007).
- Phung, T. H., Kim, S., Kwon, K. S. A high speed electrohydrodynamic (EHD) jet printing method for line printing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, (2017).
- Teo, W. E., Ramakrishna, S. A review on electrospinning design and nano fiber assemblies. Nanotechnology. 17, R89-R106 (2006).
- Tang, Y., et al. Highly relective nanofiber films based on electrospinning and their application on color uniformity and luminous efficacy. Optics Express. 25, 20598-20611 (2017).
- Huebner, G. Comparing inkjet with other printing processes and mainly screen printing. Handbook of Industrial Inkjet Printing - A Full System Approach. Zapka, W. 1, Wiley-VCH Pubs. 7-22 (2018).
- Li, M., et al. Electrospun protein fibers as matrices for tissue engineering. Biomaterials. 26, 5999-6008 (2005).
- Bhardwaj, N., Kundu, C. S. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances. 28, 325-347 (2010).
- He, X., et al. Near-Field Electrospinning: Progress and Applications. The Journal of Physical Chemistry C. 121, 8663-8678 (2017).
- Yang, T. L., et al. Synthesis and fabrication of silver nanowires embedded in PVP fibers by near-field electrospinning process. Optical Materials. 39, 118-124 (2015).
- Chang, C., Limkrailassiri, K., Lin, L. Continuous near-field electrospinning for large area deposition of orderly nanofiber patterns. Applied Physics Letters. 93 (12), (2008).
