Name: Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-09T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Erfahren Sie das planare und dreidimensionale Drucken leitfähiger Mikroelektroden mittels Direct-Write-Assembly. Diese Methode ermöglicht die Herstellung komplexer gedruckter elektronischer und biomedizinischer Strukturen mit hoher Auflösung.

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Dieses Material ist auf der Arbeit von der US-Department of Energy, Materials Sciences and Engineering Division (Preis Nr. DEFG-02-07ER46471) und dem DOE Energy Research Center on Light-Material-Interaktion in Energy Conversion (unterstützt Basis-Preis Nr. DE-SC0001293 ) und profitiert vom Zugang zum Center for Mikroanalyse von Materialien innerhalb des Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).

1. Einführung <ol><li> Dieses Papier zeigt die 1D-, 2D-und 3D-Drucken von leitfähigen Mikroelektroden via Direct-Write-Montage. </li><li> Direct-schreiben Montage ist eine Methode zum Aufbau 1D-zu 3D-gedruckten Strukturen durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen. </li><li> Unser System besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Bildgebung (Abbildung 1). </li><li> Direct-schreiben Assembly ist eine fadenförmige Druck Ansatz, bei dem konzentrierten Farben sind durch zylindrische Düsen mit Durchmessern von 0,1 bis 250 um (Abbildung 2) extrudiert. Insbesondere aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften Tinte, ermöglicht den direkten Schreib-Montage freitragend überspannt Funktionen (Abbildung 3). Bis heute haben eine breite Palette von Farben, einschließlich derjenigen aus Keramik 6,7 komponierte, organische 8-10, metallic 11-15, polymere 16,17 und Sol-Gel 18,19 Materialienentwickelt für dieses Druckverfahren Ansatz (Abbildung 4). </li></ol> 2. Herstellung von hochkonzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten <ol><li> Silber-Nanopartikel-Tinten sind indem zunächst eine Mischung aus 5.000 und 50.000 Molekulargewicht von Poly (acrylsäure) in einer Mischung aus 50 g Wasser und 40 g Diethanolamin (Video 2,1) vorbereitet. </li><li> Das Polymer wirkt als Verkappungsmittel, um die Größe des Silber-Nanopartikeln zu steuern. </li><li> Als nächstes wird eine wässrige Lösung von Silbernitrat in die Polymerlösung injiziert. Nach der Zugabe ist eine hellgelbe transparente Lösung erhalten (Video 2,2). </li><li> Nach Rühren für 24 Stunden bei Raumtemperatur, entwickelt die Lösung eine rötlich-braune Farbe (Video 2,3), dass mit der Bildung von Silber-Nanopartikeln von 5 nm Durchmesser, durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt zusammenfällt. </li><li> Anschließend wird die Lösung bei 65 ° C in einem Wasserbad für 2 Stunden für weitere Partikelwachstum (Video 2,4) beschallt. </li><li> After Ultraschall ist die Lösung für ein 500 ml Becherglas überführt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wird 300 ml Ethanol mit einer Geschwindigkeit von 30 ml / min titriert. Da Ethanol ist ein schlechtes Lösungsmittel für das Poly (acrylsäure) Verkappungsmittel, die Partikel schnell gerinnt und aus der Lösung ausfällt (Video 2,5). </li><li> Nach dem Dekantieren des Überstands wird der Niederschlag in ein Zentrifugenröhrchen gesammelt und zentrifugiert bei 9000 rpm für 20 Minuten (Video 2,6). </li><li> Nach diesem Schritt ist eine hoch konzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte mit einem Festgehalt Laden von ~ 85 Gew.% erhalten (Video 2,7). </li><li> Weitere Kontrolle über Viskosität und Elastizitätsmodul kann durch Verdünnung erreicht werden, gefolgt durch Homogenisierung. Ein Beispiel kann ein Feuchthaltemittel Lösung, wie Ethylenglykol, um die Tinte hinzugefügt werden und dann bei 2000 rpm für 3 Minuten mit einem Thinky Homogenisierung homogenisiert. Nach diesem Verfahren wird eine einheitliche Farbe von bläulich bis magenta Farbe erhalten (Video 2,8). </li><li> Die TEM-Aufnahme zeigtSilber-Nanopartikel durch diese Synthese-Verfahren (Abbildung 5_left) erhalten. Die Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von 20 nm mit einer Größenverteilung von 5-50 nm. Gedruckt Strukturen erfordern post-Glühen auf ihre Leitfähigkeit zu verbessern. Nach dem Glühen bei 250 ° C für weniger als 30 min, bilden die Silber-Nanopartikel leitenden Mikroelektroden mit einem spezifischen elektrischen Widerstand nähert sich bis 10 -5 Ω • cm (Abbildung 5_bottom rechts). Die mikrostrukturellen Entwicklung der gedruckten Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur ist in Abbildung 5_top rechts dargestellt. Mit zunehmender Temperatur von 150 ° bis 550 ° C, unterzogen die Mikroelektroden Verdichtung mit insgesamt Volumenschrumpfung ~ 30%. 11 </li><li> Die Tinte Rheologie, die stark abhängig von seiner Feststoffe Laden, bestimmt seine Bedruckbarkeit. Die Tinte Viskosität mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 6). Da verdünnter Tinten mit niedriger Viskosität zu einer erheblichen seitliche Ausbreitung, konzentrEINZELNEN SEKTOREN Tinten mit einem Festgehalt Laden reicht von 70 bis 85 Gew.% sind für den Druck von planaren und Spanning Tinte Filamente benötigt. </li><li> Die Tinte Elastizitätsmodul mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 7). In der linearen viskoelastischen Bereich, steigt der Elastizitätsmodul nahezu drei Größenordnungen wie die Feststoffe Laden steigt von 60 bis 75 Gew.%. Ein Minimum Elastizitätsmodul von 2000 Pa ist erforderlich, um freitragende oder Spanning Features zu produzieren. </li></ol> 3. Direct-schreiben Montage <ol><li> Direct-schreiben die Montage erfolgt, indem zunächst das Laden der Tinte in eine Spritze durchgeführt. Nach dem Anbringen einer Ablagerung Düse wird die Farbe beladene Spritze auf den 3-Achsen-Druckphase (Video 3,1) montiert. </li><li> Mit Hilfe eines Computerprogramms, beliebige Designs, einschließlich linear, planar, und komplexe dreidimensionale Strukturen können einfach erzeugt werden (Video 3,2). </li><li> Als nächstes wird die Düse Höhe mit Hilfe von Teleskop-Objektiv mit einem 10fach-Zoom (Video 3,3) eingestellt. </li> Nach Anwendung von Druck mit Hilfe eines Druckluft-Fluid-Dosiersystem wird die Farbe auf das Substrat mit einer kontrollierten Druckgeschwindigkeit (Video 3,4) hinterlegt. Der erforderliche Druck hängt von Tinte Rheologie, Düsendurchmesser und Druckgeschwindigkeit, sondern typische Werte liegen im Bereich von 10 bis 100 psi bei 20-500 mu m / s. Dieser Druck ist in der Luft bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit diesem Druckverfahren wird das Drucken von Silber Mikroelektroden in verschiedenen Layouts und Größenskalen demonstriert. <li> Ein Beispiel ist das Drucken von Leitsilber Gitter mit einer Mitte-zu-Mitte-Zeilenabstand von 100 um, von einem 5-um Düse auf einem Silizium-Wafer-Substrat strukturiert gezeigt (Video 3,5). </li><li> Darüber hinaus zeigt dieses Video, wie man ein hohes Aspektverhältnis zylindrische Struktur mit einem 30-um Düse mit einem Layer-by-Layer-Druckverfahren (Video 3,6) zu schaffen. </li><li> Darüber hinaus die omnidirektionale Druck von Silber Mikroelektroden zwischen zwei Glas-Substrate mit einem 1-mm Höhe di Offsetfference nachgewiesen wird mit einem 30-um-Düse (Video 3,7). </li><li> Völlig frei stehend, kann vertikal gedruckt Silber microspikes von einem 30-Düse um auf einem Si-Wafer-Substrat (Video 3,8) erstellt werden. </li><li> Schließlich zeigt dieses Video direktes Schreiben eines Spanning Silber Mikroelektroden mit einem 10-um-Düse (Video 3,9). Die gedruckte Feature kann Spannweiten bis zu einem Zentimeter mit minimalem hängenden oder Knicken. </li></ol> 4. Repräsentative Ergebnisse: Wir bereiteten eine hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinten und demonstrierte gedruckten Leiterbahnen Funktionen in planaren und 3D-Motive für elektronische und optoelektronische Anwendungen mit Druck-Auflösung ~ 2 bis 30 um. Ein Beispiel, Abbildung 8 zeigt die Druckauflösung von dieser Technik. Gedruckt Funktionen mit einem Minimum an Elektrode Breite von ~ 2 pm (1,4 &amp;mgr; m dick) werden in einem einzigen Durchlauf mit einem 1-Düse um 11 erhalten. Abbildung 9 zeigts transparente leitfähige Silber Gitter, durch einen 5 um Düse auf eine flexible gemusterte Polyimid-Folie 12. Die Texte unter den gedruckten Netze sind deutlich sichtbar. Diese transparenten Silber Netze könnten attraktive Alternativen für transparente, leitfähige Oxide (TCO) Materialien. Conformal Druck auf eine nicht-planaren Substraten wird auch durch diese Methode aktiviert. Abbildung 10 zeigt die konforme Drucken von 3D elektrisch kleine Antenne. A 100 um Metalldüse wird verwendet, um Mäander-Linienmuster auf der Oberfläche eines Glashalbkugel 13 Drucken. Dieser Ansatz kann sich mehrere Anwendungen wie implantierbare und tragbare Antennen, Elektronik und Sensorik. Anwendungen von Spanning Silber Mikroelektroden in dreidimensionale Photovoltaik und Leuchtdioden sind nachgewiesen (Abb. 11-14). Zuerst wird Abbildung 11 ein Beispiel für Silizium Kugelschale. Diese dürftige Film mit einer 2-um thickness werden kann, um einen äußeren Stromkreis durch omnidirektionale Druck 14 Draht-gebunden. Diese Methode verwendet geringem Anpressdruck, was sehr vorteilhaft für empfindliche Geräte. Als nächstes zeigt Abbildung 12 ein Beispiel für das Drucken eines Spanning-Interconnect für einen Silizium-Solarzellen Mikrozelle Array, in dem Silizium-microribbon Elemente durch 33-um Spalt 15 voneinander getrennt sind. Als nächstes Abbildung 13 zeigt Silber-Verbindungen für die Gallium-Arsenid-Basis LED-Array mit 4-by-4 Pixel, wobei jedes Pixel (500 x 500 x 2,5 mu m 3) ist 200 pm Abstand 11 beabstandet. Das untere Bild zeigt das LED-Array, emitting einheitliche rote Licht bei einer angelegten Vorspannung von 6 V von einem einzelnen Pixel. Die Fähigkeit, Spanning Elektroden print ermöglicht mehrschichtige Verbindung ohne den Einsatz von Stütz-oder Opferschichten (top Bilder). Als letzte Demonstration, Abbildung 14 zeigt REM-Aufnahmen für die komplexen 3D-microperiodic silber Gitter durch einen 5 um Düse gedruckt. <img alt="Optischer Mikroskopieaufbau, 3-Achsen-Bewegungstisch, Luftzufuhr für präzise Materialanalyse." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 1"> Abbildung 1. Optical Image der direkten Tintenschreibgeräte Apparat. <img alt="3D-Druck-Prozessdiagramm; Düsenextrudieren von Filament für die Analyse der geschichteten Fertigung." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 2"> Abbildung 2. Direkte Tinte Schreiben eines fadenförmigen Funktion. <img alt="3D-Druckprozessdiagramm mit Düse, übergreifenden Merkmalen, Luft, Tinte, was auf additive Fertigung hinweist." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 3"> Abbildung 3. Direkte Tinte Schreiben von freitragenden Spanning Funktionen. <img alt="Keramische, organische, Metall-, Polymer-, Sol-Gel-Tinten; Vergleich der Merkmalsgröße; Mikroskopie, 3D-Druck." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 4"> Abbildung 4. Ink Designs für die direkte Tinte schreiben. Eine breite Palette von konzentrierten viskoelastischen Farben wurden für das direkte Schreiben von planaren und komplexe 3D-Strukturen mit mikro-Features entwickelt. <img alt="Mikrostruktur von Nanopartikeln TEM, Annealing-Impact-Diagramm, spezifischer Widerstand in Abhängigkeit von der Zeit, thermische Analyse." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 5"> Abbildung 5 (links). Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme von Silber-Nanopartikeln. (Oben rechts) REM-Aufnahmen von Silber Mikroelektroden mit einem 15-um Düse als Funktion der Glühtemperatur gemustert. (Unten rechts) Elektrischer Widerstand von Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur und Zeit. <img alt="Diagramm der Viskosität der Tinte im Vergleich zum Silbergehalt mit 3D-Druckparametern und seitlicher Streuung." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 6"> Abbildung 6. Scheinbare Viskosität (η) der Silber-Nanopartikel-Tinten als Funktion von Festkörpern loading. <img alt="Diagramm des Elastizitätsmoduls vs. der Schubspannung; Analyse des Materialgew.-%; Studie der rheologischen Eigenschaften." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 7"> Abbildung 7. Shear Elastizitätsmodul (G ') als Funktion der Schubspannung für Silber-Nanopartikel-Tinten unterschiedlicher Feststoffe loading. <img alt="REM-Aufnahme eines nanoskaligen Gittermusters; Oberflächenmorphologie, Materialanalyse, 50 μm Maßstabsstab." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 8"> Abbildung 8. REM-Aufnahmen von planaren Arrays aus Silber Mikroelektroden gemustertenauf einem Si-Wafer mit einem 1-Düse um. <img alt="Flexible elektronische Schaltung, Mikroskopiebild, Gitterskala mit Mikrostruktur, 3 mm und 400 μm Skala." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 9"> Abbildung 9. Optical Image der transparenten leitfähigen Silber Gitter (links) und REM-Aufnahmen der Netze als Funktion der Zeilenabstand (rechts) gedruckt. <img alt="3D-Druckverfahren; Diagramm der Düse mit aufgedruckten silbernen Mäanderlinien; Abscheidung leitfähiger Tinte. " src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 10"> Abbildung 10. Optical Bild während konformen Druck von elektrisch kleine Antennen auf einer halbkugelförmigen Glassubstrat eingefangen. <img alt="Spanning Ag-Mikroelektrode mit Düse im Nanofabrikationsaufbau; Mikroskopie-Bild; Maßstab 100μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 11"> Abbildung 11. Optical Image während des Druckens von Spanning Silber Mikroelektroden auf eine dünne (2-um) Silizium Kugelschale erhalten. <img alt="REM-Diagramm von Si-Solar-Mikrozellen mit aufgespannter Ag-Mikroelektrode, Maßstab 25 μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 12"> Abbildung 12. REM-Aufnahme eines Spanning Silber Mikroelektroden auf einem Silizium so gedrucktlar Mikrozelle Array. <img alt="Mikro-LED-Emission, Silber-Mikroelektroden-Verbindungen; Optische Anregung, Mikroskopie-Aufnahme." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 13"> Abbildung 13. REM-Bilder (oben) und optischen Bild (unten) eines 4-by-4 LED-Chip-Arrays durch Silber Mikroelektroden miteinander verbunden. <img alt="REM-Mikroskopaufnahme der 3D-gedruckten Mikrogitterstruktur; Der vergrößerte Einsatz zeigt eine detaillierte Faseranordnung." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Abbildung 14"> Abbildung 14. REM-Aufnahme von 3D-microperiodic silber Gitter.

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<li>Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct-write+assembly+of+biomimetic+microvascular+networks+for+efficient+fluid+transport%5BTitle%5D)+AND+%22Soft.+Matter%22%5BJournal%5D)">Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.</a> Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).</li>
<li>Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Omnidirectional+Printing+of+3D+Microvascular+Networks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.</a> Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).</li>
</ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Konventionelle Tröpfchen-basiertes Drucken Ansätze, wie Tintenstrahldruck, sind die Herstellung von planaren Elektroden mit niedrigem Aspektverhältnis durch die verdünnte Natur und niedrige Viskosität der Druckfarben verwendet begrenzt. Vor kurzem haben Dip-Pen-Nanolithographie (DPN) 20-22 und e-Jet-Druck 23-25 ​​bis Pattern leitenden Funktionen eingesetzt. Diese Routen auch verdünnte, niedrige Viskosität Tinten. Pearton und Mitarbeiter verwendeten DPN mit einem kommerziell erhältlichen Silber-Nanopartikel Tinte schreiben Geschwindigkeiten von bis zu 1600 um s -1 und Linienbreiten von etwa 0,5 um 22 einzahlen. Allerdings hat die Herstellung von reproduzierbaren Mustern auf großen Flächen noch von diesem Ansatz nachgewiesen werden. Silber-Nanopartikel-Tinten sind auch per E-Jet-Druck hinterlegt worden, um Leiterbahnen mit Linienbreiten von ~ 1,5 um 25 zu bilden. Jedoch, wie mit Inkjet-Druck kann inhomogene gedruckten Funktionen entstehen durch Satelliten Tropfenbildung und ungleichmäßige drop drying 24,25. Wie oben dargelegt, Direktwahltelefon, schreiben Montage von konzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten überwindet diese Einschränkungen durch eine fadenförmige-basiertes Drucken Ansatz. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von leitfähigen Mikroelektroden mit einem hohen Seitenverhältnissen (h / w ≈ 1,0) in einem einzigen geht, die die Erstellung von 1D-, 2D-und 3D-Architekturen. Die Größe der gedruckten Funktionen hängt von Düsendurchmesser, Tinte Feststoffe Laden, Anpressdruck und Druckgeschwindigkeit. Bis heute Leiterbahnen so klein wie ~ 2 pm wurden gemustert mit einem 1 um Düse zu moderaten Geschwindigkeiten (&lt;2 mm s -1). Durch Anpassung der Farbzusammensetzung und Düsengeometrie, maximale Druckgeschwindigkeit von über 10 cm s -1 sind möglich. Allerdings bleibt Hochgeschwindigkeitsdruck der Verwendung von feinen Düsen (&lt;5 um) eine große Herausforderung. Um zu demonstrieren, Anwendungen der direkten Schreib-Montage, wir leitfähigen Gitter, el hergestelltectrically kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden mit planaren und Spanning gedruckten Elektroden (Abbildung 8-14). Bemerkenswert ist, dass unser Ansatz nicht zur Schaffung von metallischen Strukturen beschränkt. Die Verwendung anderer Tinte entwickelt, wie sie auf Seidenfibroin, Hydrogel und flüchtigen organischen Tinten basieren, haben wir 3D-Gerüsten und mikrovaskuläre Netzwerke für das Tissue Engineering und Zellkulturen mittels direkter Schreib-Montage 26-30 errichtet. Blick in die Zukunft, es gibt viele Möglichkeiten und Herausforderungen. Weitere Fortschritte erfordern neue Tinte entwickelt, bessere Modellierung von Tinte fließen Dynamik und verbesserten Roboter-und Steuerungssysteme. Großflächige Herstellung von 1D bis 3D-Strukturen mit hohem Durchsatz und nanoskaliger Auflösung (&lt;100 nm) bleibt eine große Herausforderung.

<table border="1"><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Poly (acrylsäure) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 06519 </td><td> mw 5.000 g / mol </td></tr><tr><td> Poly (acrylsäure) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 00627 </td><td> mw 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Silbernitrat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Silber-Quelle </td></tr><tr><td> Diethanolamin </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Solvent / Reduktionsmittel </td></tr><tr><td> Ethylenglykol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Feuchthaltemittel </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Zentrifuge </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti TM J-25 I </td><td> - </td></tr><tr><td> Robotic Bühne </td><td> Aerotech Inc. </td><td> ABL 900010 </td><td> 3-Achsen-Bewegung </td></tr><tr><td>Spritzenzylinder </td><td> EFD Inc. </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Düse </td><td> EFD Inc. </td><td> - </td><td> id = 0,1 bis 250 um </td></tr><tr><td> Spender </td><td> EFD Inc. </td><td> 800 </td><td> Air-powered </td></tr><tr><td> Design-Software </td><td> Kundenspezifische </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

planar-und drei-dimensional printing von leitfähige druckfarben

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Gedruckte Elektronik setzen auf kostengünstige, großflächige Herstellung Routen flexibel oder mehrdimensionale elektronische, optoelektronische und biomedizinische Geräte 1-3. In diesem Papier konzentrieren wir uns auf ein-(1D), zwei-(2D) und dreidimensionale (3D) Drucken von leitfähigen metallischen Farben in Form von flexiblen, dehnbaren und Spanning Mikroelektroden. Direct-schreiben Montage 4,5 ist eine 1-zu-3D-Drucktechnik, die die Herstellung von Funktionen reichen von einfachen Linien bis hin zu komplexen Strukturen, die durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen (~ 0,1 bis 250 um) ermöglicht. Dieses Druckverfahren besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Visualisierung. Im Gegensatz zu Inkjet-Druck, ein Tröpfchen-basierten Prozess beinhaltet direkte Schreib-Montage der Extrusion von Tinte Filamente entweder in-oder out-of-plane. Die gedruckte Fäden in der Regel erfüllen die Düsengröße. Hence können mikro-Funktionen (&lt;1 m) strukturiert und in größere Arrays und mehrdimensionale Architekturen aufgebaut werden. In diesem Papier haben wir zunächst Synthese einer hoch konzentrierten Silber-Nanopartikel Tinte für ebene und 3D-Druck mittels direkter Schreib-Montage. Als nächstes ist ein Standardprotokoll für den Druck Mikroelektroden in multidimensionalen Motiven demonstriert. Schließlich werden Anwendungen gedruckter Mikroelektroden für elektrisch kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden markiert.

Planar-und dreidimensionalen Drucken von leitfähigen metallischen Farben beschrieben wird. Unser Ansatz bietet neue Wege zur Herstellung von gedruckten elektronischen, optoelektronischen und biomedizinische Geräte in ungewöhnlichen Layouts auf der Mikroebene.

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

Gedruckte Elektronik stützt sich auf kostengünstige Fertigungsverfahren für große Flächen, um flexible oder mehrdimensionale elektronische, optoelektronische und biomedizinische ...

Das Ziel dieses Experiments besteht darin, den flächigen und dreidimensionalen Druck leitfähiger Mikroelektroden mittels direkter Schreibtechnik zu demonstrieren. Die direkte Schreibtechnik ist ein Abscheidungsverfahren, das aus einer computerkontrollierten Dreiaxen-Translationsstufe, Tinte, Düse und Luftzufuhr besteht. Bei dieser Druckmethode werden hochkonzentrierte Tinten aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften der Tinte durch eine feine zylindrische Düse mit Durchmessern im Bereich von 0,1 bis 250 Mikrometern extrudiert.Direktes Schreiben ermöglicht selbsttragende Überbrückungsstrukturen. Bisher wurde eine breite Palette an Tinten, einschließlich solcher aus keramischen Materialien, organometallischen Polymeren und Sol-Gel-Materialien, für diesen Druckansatz entwickelt. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Verfahren, wie beispielsweise der direkten Schreibfertigung komplexer Freiformstrukturen, liegt in der schnelleren Herstellung. Obwohl dieses Verfahren Einblicke in leitfähige Tinten für elektronische und optoelektronische Anwendungen bietet, kann es auch auf andere Materialsysteme angewendet werden, die für biomedizinische Gerüste und Sensoren genutzt werden könnten.Die Visualisierung dieses Verfahrens ist entscheidend, da die Erfahrung in Radiologie und Drucktechnik erheblichen Einfluss auf die Qualität der gedruckten Strukturen hat. Dieses Verfahren wird durch Bhan, einen Postdoktoranden, und Annalisa Russo, eine Doktorandin aus meinem Labor, demonstriert. Silber-Nanopartikel-Tinten werden hergestellt, indem zunächst eine Mischung aus Acrylsäure mit einem Molekulargewicht von 5.000 und 50.000 in einer Mischung aus Wasser und Diethanolamin gelöst wird. Das Polymer wirkt als Kappungsagens, um die Größe der Silber-Nanopartikel zu steuern. Anschließend wird eine wässrige Silbernitrat-Lösung in die Polymerlösung injiziert.Die Mischung wird zu einem transparenten, hellgelben Zustand; weiterhin 24 Stunden bei Raumtemperatur rühren. Nach dem Rühren entwickelt die Lösung eine rötlich braune Farbe. Dies liegt an der Bildung von silbernen Nanopartikeln mit einem Durchmesser von fünf Nanometern, was mittels TEM bestätigt werden kann, um ein weiteres Partikelwachstum auszuschließen.Sonizieren Sie die Lösung zwei Stunden lang in einem Wasserbad bei 65 Grad Celsius. Nach der Beschallung überführen Sie die Lösung in einen 500-Milliliter-Becher, um sie auf Raumtemperatur abkühlen zu lassen. Sobald dies erfolgt ist, titrieren Sie 300 Milliliter Ethanol in die Lösung. Da Ethanol ein schlechtes Lösungsmittel für die Kappungsmittel ist, koagulieren die Partikel schnell und fallen aus. Dekantieren Sie nun den Überstand und sammeln Sie das Präzipitat in einem Zentrifugenröhrchen. Zentrifugieren Sie das Präzipitat bei 9.000 U/min für 20 Minuten.Das Ergebnis ist eine hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte mit etwa 85 % Feststoffen nach Gewicht. Zur weiteren Kontrolle der Viskosität und des elastischen Moduls der Tinte verdünnen Sie diese in einer Feuchthaltemittel-Lösung wie Ethylenglykol und homogenisieren die Lösung anschließend drei Minuten lang bei 2000 U/min mit einem Thinky-Homogenisiermischer. Dieser Verdünnungs- und Homogenisierungsprozess ergibt eine gleichmäßige, bläulich bis magentafarbene Tinte.Das TEM-Bild zeigt Silbernanopartikel, die durch dieses Syntheseverfahren erhalten wurden. Die Partikel weisen einen mittleren Durchmesser von 20 Nanometern mit einer Größenverteilung von fünf bis 15 Nanometern auf. Gedruckte Strukturen erfordern ein Kniendrucken, um ihre Leitfähigkeit zu verbessern.Nach einer Temperbehandlung bei 250 Grad Celsius für weniger als 30 Minuten bilden die Silber-Nanopartikel leitfähige Mikroelektroden mit einer elektrischen Resistivität, die 10 hoch minus fünf Ohm-Zentimeter annähert. Die mikrostrukturelle Entwicklung der gedruckten Silber-Mikroelektroden in Abhängigkeit von der Temperbehandlungstemperatur wird mittels REM gemessen. Wenn die Temperatur von 150 Grad auf 550 Grad Celsius ansteigt, durchlaufen die Mikroelektroden eine Verdichtung mit einer gesamten volumetrischen Schrumpfung von etwa 30 %. Die Tintenformulierung, die stark von der Feststoffkonzentration abhängt, bestimmt die Druckbarkeit.Die Viskosität der Tinte steigt mit zunehmender Feststoffkonzentration an, da eine Verdünnung mit niedriger Viskosität zu einer signifikanten lateralen Ausbreitung konzentrierter Tinten führt. Für das Drucken ebener und überspannender Tintenfäden sind Feststoffkonzentrationen im Bereich von 70 bis 85 Gewichtsprozent erforderlich. Der elastische Modul der Tinte steigt mit zunehmender Feststoffkonzentration im linearen viskoelastischen Bereich an.Der Elastizitätsmodul steigt um nahezu drei Größenordnungen, während der Feststoffgehalt von 60 auf 75 Gewichtsprozent ansteigt. Ein minimaler Elastizitätsmodul von 2000 Pascal ist erforderlich, um selbsttragende oder überspannende Strukturen zu erzeugen.Um die direkte Rechtsmontage zu beginnen, füllen Sie die Tinte in einen Spritzenzylinder. Befestigen Sie nach dem Anbringen einer Ablage- und Düsenhalterung den mit Tinte gefüllten Spritzenzylinder an der dreidimensionalen Druckplattform. Erzeugen Sie mithilfe eines Computerprogramms das gewünschte Design, das eine lineare, ebene oder komplexe dreidimensionale Struktur sein kann.Anschließend wird die Nadelhöhe mithilfe eines Teleskopobjektivs mit 10-fachem Zoom angepasst. Nach dem Aufbringen von Druck mittels eines luftbetriebenen Flüssigkeitsdosiersystems wird die Tinte bei Raumtemperatur mittels kontrollierter Druckgeschwindigkeit und -druck auf das Substrat aufgebracht. Diese Variablen hängen von der Tinte, der Radiologie, der Nadel, dem Durchmesser und der Druckgeschwindigkeit ab.Mit einer Düse mit einem Durchmesser von fünf Mikrometern können leitfähige Silbergitter mit einem Linienabstand von 100 Mikrometern Mitte zu Mitte auf einem Siliziumwafer-Substrat gedruckt werden. Durch Verwendung einer 30-Mikrometer-Düse und schichtweisen Drucks können zylindrische Strukturen mit hohem Aspektverhältnis hergestellt werden. Mithilfe einer 30-Mikrometer-Düse ist das omnidirektionale Drucken von silbernen Mikroelektroden zwischen zwei Glas-Substraten möglich.Die Glas-Substrate sind um einen Millimeter versetzt, sodass vollständig freistehende, vertikal gedruckte Silber-Mikrospitzen mithilfe einer 30-Mikron-Düse auf einem Siliziumwafer-Substrat erzeugt werden können. Das direkte Schreiben von überspannenden Silber-Mikroelektroden mit einer 10-Mikron-Düse ist ebenfalls möglich. Die gedruckten Strukturen können Strecken von bis zu einem Zentimeter überbrücken, ohne nennenswert durchzuhängen oder zu knicken.Sehr konzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte wurde als leitfähige Strukturen in flachen und dreidimensionalen Mustern für elektronische und optoelektronische Anwendungen gedruckt. Die Druckauflösung lag zwischen zwei und 30 Mikrometern. Eine minimale Elektrodenbreite von etwa zwei Mikrometern und eine Dicke von 1,4 Mikrometern wurden in einem Durchgang mit einer ein Mikrometer großen Düse und einem fünf Mikrometer-Düsenmuster erreicht.Transparente leitfähige Silbergitter auf einem flexiblen Polyamidfilm. Der Text unterhalb des Gitters blieb deutlich sichtbar. Diese metallischen Gitter können als hochleitfähige Alternativen zu transparenten leitfähigen Oxidmaterialien dienen.Mittels eines 100-Mikrometer-Metaldüsen-Mäanders war das konforme Drucken einer elektrisch kleinen 3D-Antenne möglich. Linienmuster wurden auf der Oberfläche einer Glas-Halbkugel gedruckt. Dieser Ansatz könnte zahlreiche Anwendungen finden, einschließlich implantierbarer und tragbarer Antennen, Elektronik und Sensoren; zudem sind Anwendungen wie die Herstellung dreidimensionaler silberner Mikroelektroden in Photovoltaikzellen und Leuchtdioden denkbar.Eine fragile sphärische Siliziumhülle mit einer Dicke von zwei Mikrometern wurde verdrahtet und über omnidirektes Drucken mit einer externen Schaltung verbunden. Diese Methode verwendet einen minimalen Kontakt­druck, was für empfindliche Bauteile äußerst vorteilhaft ist. Ebenfalls gedruckt wurde eine überbrückende Verbindung für ein Silizium-Solar­mikro­zellen­array, bei dem die Silizium­mikro­bänder durch einen 33-Mikrometer-Spalt getrennt sind.Silberne Verbindungsleitungen für eine auf Galliumarsenid basierende LED-Anordnung mit vier mal vier Pixeln wurden gedruckt. Die LED-Anordnung emittierte unter einer angelegten Vorspannung von sechs Volt ein gleichmäßiges rotes Licht von einem einzelnen Pixel. Die Möglichkeit, ausgedehnte Elektroden zu drucken, ermöglichte eine mehrschichtige Verbindung, ohne stützende oder opferbare Schichten verwenden zu müssen.Als abschließende Demonstration wird ein komplexes dreidimensionales mikroperiodisches Silbergitter mit einer Fünf-Mikrometer-Düse unter Verwendung eines Schicht-für-Schicht-Druckverfahrens gedruckt. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie in einigen Stunden durchgeführt werden, vorausgesetzt, sie wird ordnungsgemäß ausgeführt. Mit diesem Verfahren haben wir die Tintensynthese und den Druck von eindimensionalen bis dreidimensionalen Strukturen sowie Anwendungen demonstriert, darunter gedruckte Elektroden für elektronische und optoelektronische Bauelemente.Laufende Arbeiten in unserem Labor konzentrieren sich nun darauf, diesen Ansatz auf biomedizinische Anwendungen unter Verwendung biokompatibler Tinten auszuweiten. Wir drucken dreidimensionale Gerüste und mikrovaskuläre Netzwerke für das Gewebeengineering und die Zellkultur. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, hoffen wir, dass Sie unsere Direkt-Schreibtechnik besser einschätzen können.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

Eine Beschreibung der Methoden benutzt, um einen HP DeskJet 500 Drucker in einen bioprinter konvertieren. Der Drucker verarbeiten kann lebende Zellen, die transiente Poren in der Membran bewirkt. Diese Poren können verwendet werden, um kleine Moleküle, einschließlich fluoreszierender G-Actin, in die gedruckte Zellen einzubauen.

Erstellen Transient Zelle Membranporen Mit einem Standard-Inkjet-Drucker

Die in diesem Beitrag beschriebenen Methoden zeigen, wie ein Handels Tintenstrahldrucker in eine Bioprinter mit gleichzeitiger UV-Polymerisation zu konvertieren. Der Drucker ist in der Lage, 3D-Konstruktion von Gewebestruktur mit Zellen und Biomaterialien. Die Studie zeigte hier konstruierte eine 3D neocartilage.

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Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. "Mikromauerwerk ') für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken.

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Diese Arbeit untersucht die Eignung des Tintenstrahldrucks für die Herstellung von farbstoffsensibilisierten Solarzellen. Eine bindemittelfreie TiO2-Nanopartikel-Tinte wurde formuliert und auf ein FTO-Glassubstrat gedruckt.  Die gedruckte Schicht wurde zu einer Zelle mit einer aktiven Fläche von 0,25 cm2 und einem Wirkungsgrad von 3,5 % verarbeitet.

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Dieses Protokoll beschreibt eine Bioprinting-Methodik, die ein automatisiertes robotergestütztes Abscheidesystem verwendet, das geätzte topographische Leitfäden mit der präzisen Abscheidung einer Zelle mit Hydrogel-Biotinte verbindet. Die gedruckten Zellen werden direkt auf die geätzten Merkmale aufgebracht und sind in der Lage, diese zu erfassen und sich daran zu orientieren.

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Hier präsentieren wir ein Protokoll, um hochauflösende leitfähige Muster mit Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck zu produzieren. Das Protokoll enthält zwei Modi der EHD Jet Druck: die kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und die Dot-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken.

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Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

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