Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben
9. Dezember 2011
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.
Ziel dieses Experiments ist es, den planaren und dreidimensionalen Druck von leitfähigen Mikroelektroden durch direkte Rechtsanordnung zu demonstrieren. Die direkte Rechtsmontage ist eine Abscheidungstechnik, die aus einem computergesteuerten dreiachsigen Translationstisch, Tinte, Düse und Luftzufuhr besteht. Bei diesem Druckverfahren werden hochkonzentrierte Tinten durch eine feine zylindrische Düse extrudiert, deren Durchmesser aufgrund der viskoelastischen Farbeigenschaften zwischen 0,1 und 250 Mikrometern liegen.
Die direkte Rechtsmontage ermöglicht selbsttragende Spannelemente. Bisher wurde eine breite Palette von Tinten entwickelt, darunter solche, die aus Keramik, organischem Metallpolymer und Soul-Gel-Materialien bestehen, für diesen Druckansatz. Der Hauptvorteil dieser Technik des vorhandenen Gefäßes, wie z. B. eine direkte breite Anordnung einer komplexen Trennstruktur, ist schneller zu verwenden. Obwohl dieses Verfahren Einblicke in leitfähige Tinten für elektronische und optische elektronische Anwendungen bietet, kann es auch auf andere Materialsysteme angewendet werden, die für biomedizinische Gerüste und Sensoren verwendet werden könnten.
Die Visualisierung dieses Verfahrens ist von entscheidender Bedeutung, da die Tintenradiologie und das Druck-Know-how die Qualität der gedruckten Strukturen stark beeinflusst haben. bhan ein Postdoc und Annalisa Russo, eine Doktorandin aus meinem Labor, Silbernanopartikel-Tinten, werden hergestellt, indem zunächst eine Mischung aus 5.000 und 50.000 Molekulargewicht Acrylsäure in einer Mischung aus Wasser und Diethanolamin aufgelöst wird. Das Polymer fungiert als Verschließmittel, um die Größe der Silbernanopartikel zu kontrollieren. Injizieren Sie anschließend eine wässrige Silbernitratlösung in die Polymerlösung.
Die Mischung wird hellgelb und rührt 24 Stunden lang bei Raumtemperatur weiter. Nach dem Rühren entwickelt die Lösung eine rötlich-braune Farbe. Dies ist auf die Bildung von Silbernanopartikeln mit einem Durchmesser von fünf Nanometern zurückzuführen, die mit TEM bestätigt werden können, um das Partikelwachstum zu fördern.
Beschallen Sie die Lösung in einem 65 Grad Celsius heißen Wasserbad für zwei Stunden nach der Beschallung, überführen Sie die Lösung in ein 500-Milliliter-Becherglas, um sie auf Raumtemperatur zu bringen, titrieren Sie einmal 300 Milliliter Ethanol in die Lösung. Da Ethanol ein schlechtes Lösungsmittel für die Verschließmittel ist, gerinnen die Partikel schnell und fallen aus, dekantieren nun die Supena und sammeln den Niederschlag in einem Zentrifugenröhrchen. Zentrifugieren Sie den Niederschlag 20 Minuten lang bei 9.000 U/min.
Das Ergebnis ist eine hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte mit etwa 85 Gew.-% Feststoffanteil. Zur weiteren Kontrolle der Farbviskosität und des Elastizitätsmoduls verdünnen Sie die Tinte in eine Feuchthaltemittellösung wie Ethylenglykol und homogenisieren Sie die Lösung dann drei Minuten lang bei 2000 U/min mit einem thinky Homogenisierungsmischer. Durch diesen Verdünnungs- und Homogenisierungsprozess entsteht eine gleichmäßige bläuliche bis magentafarbene Tinte.
Das TEM-Bild zeigt Silbernanopartikel, die durch dieses Syntheseverfahren gewonnen wurden. Die Partikel haben einen mittleren Durchmesser von 20 Nanometern bei einer Größenverteilung von fünf bis 15 Nanometern. Gedruckte Strukturen müssen auf dem Poster knien, um ihre Leitfähigkeit zu verbessern.
Nach einem Knien bei 250 Grad Celsius für weniger als 30 Minuten bilden die Silbernanopartikel leitfähige Mikroelektroden mit einem elektrischen Widerstand von fast 10 bis minus fünf Ohm Zentimetern. Die mikrostrukturelle Entwicklung der gedruckten Silber-Mikroelektroden in Abhängigkeit von einer knienden Temperatur wird mittels REM gemessen. Wenn die Temperatur von 150 Grad auf 550 Grad Celsius steigt, verdichten sich die Mikroelektroden mit einer volumetrischen Gesamtschrumpfung von etwa 30 %. Die Tintenologie, die stark von ihrer festen Beladung abhängt, bestimmt ihre Bedruckbarkeit.
Die Farbviskosität nimmt mit zunehmender Feststoffbeladung zu, da die Verdünnung mit niedriger Viskosität zu einer deutlichen Querverteilung der konzentrierten Farben führt. Mit einem Feststoffanteil von 70 bis 85 ist ein Gewichtsprozentsatz für den Druck von planaren und übergreifenden Tintenfilamenten erforderlich. Der Elastizitätsmodul der Tinte nimmt mit zunehmender Feststoffbeladung im linearen viskoelastischen Bereich zu.
Der Elastizitätsmodul steigt um fast drei Größenordnungen. Mit zunehmender Feststoffbelastung steigt die Feststoffbelastung um 60 bis 75 Gewichtsprozent. Ein Mindestelastizitätsmodul von 2000 Pascal ist erforderlich, um selbsttragende oder überspannende Features herzustellen.
Um mit der direkten Montage nach rechts zu beginnen, laden Sie die Tinte in einen Spritzenzylinder. Nach dem Anbringen einer Abscheidung montieren Sie mit der Düse den mit Tinte beladenen Spritzenzylinder auf dem dreiachsigen Drucktisch. Verwenden Sie ein Computerprogramm, um das gewünschte Design zu generieren, bei dem es sich um eine lineare planare oder komplexe dreidimensionale Struktur handeln kann.
Anschließend wird die Nosselhöhe mit Hilfe eines Teleskopobjektivs mit 10-fachem Zoom eingestellt. Nachdem Sie mit einem druckluftbetriebenen Flüssigkeitsabgabesystem Druck ausgeübt haben, tragen Sie die Tinte bei Raumtemperatur mit einem kontrollierten Druck bei Geschwindigkeit und Druck auf das Substrat auf. Diese Variablen hängen von der Tinte, der Radiologie, der Düse, dem Durchmesser und der Druckgeschwindigkeit ab.
Eine Fünf-Mikron-Düse kann leitfähige Silbergitter mit einem Linienabstand von 100 Mikrometern von Mitte zu Mitte auf ein Siliziumwafer-Substrat drucken. Durch die Verwendung einer 30-Mikron-Düse und des Schicht-für-Schicht-Drucks kann eine zylindrische Struktur mit hohem Aspektverhältnis erzeugt werden. Der omnidirektionale Druck von Silber-Mikroelektroden zwischen zwei Glassubstraten ist mit einer 30-Mikron-Düse möglich.
Die Glassubstrate sind um einen Millimeter versetzt, komplett freistehend, vertikal gedruckte Silber-Mikrospieße können mit einer 30 Mikrometer Düse auf einem Silikonwafer-Substrat erzeugt werden. Das direkte Beschreiben einer überspannenden Silber-Mikroelektrode mit einer 10-Mikron-Düse ist ebenfalls möglich. Das gedruckte Merkmal kann Entfernungen von bis zu einem Zentimeter mit minimalem Herabhängen oder Knicken überbrücken.
Hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte wurde als leitfähige Merkmale in planaren und 3D-Motiven 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 wurde in einem einzigen Durchgang unter Verwendung einer Ein-Mikron-Düse und eines Fünf-Mikron-Düsenmusters erreicht.
Transparente leitfähige Silbergitter auf einer flexiblen Polyamidfolie. Der Text unterhalb des Rasters blieb gut sichtbar. Diese metallischen Gitter können als Alternativen zu transparenten leitfähigen Oxidmaterialien mit hoher Leitfähigkeit dienen.
Der konforme Druck einer elektrisch kleinen 3D-Antenne war mit einem 100-Mikron-Metalldüsenmäander möglich. Linienmuster wurden auf die Oberfläche einer Glashalbkugel gedruckt. Dieser Ansatz kann mehrere Anwendungen finden, darunter implantierbare und tragbare Antennen, Elektronik und Sensoren, Anwendungen von Spannsilber-Mikroelektroden in dreidimensionaler Photovoltaik und Leuchtdioden sind ebenfalls möglich.
Eine dünne kugelförmige Siliziumhülle mit einer Dicke von zwei Mikrometern wurde drahtgebondet, eine externe Schaltung durch omnidirektionalen Druck. Bei dieser Methode wird ein minimaler Anpressdruck verwendet, was für empfindliche Geräte von großem Vorteil ist. Ebenfalls gedruckt wurde eine Spannverbindung für ein Silizium-Solar-Mikrozellen-Array, bei dem die Silizium-Mikrobandelemente durch einen 33-Mikrometer-Spalt getrennt sind.
Es wurden silberne Interkonnektoren für Galliumarsenid-basierte LED-Arrays mit vier mal vier Pixeln gedruckt. Das LED-Array emittierte gleichmäßiges rotes Licht unter einer angelegten Vorspannung von sechs Volt von einem einzigen Pixel. Die Möglichkeit, überspannende Elektroden zu drucken, ermöglichte eine mehrschichtige Verbindung ohne den Einsatz von Stütz- oder Opferschichten.
Als letzte Demonstration wird ein komplexes mikroperiodisches 3D-Silbergitter mit einer Fünf-Mikron-Düse in einer Schicht-für-Schicht-Drucksequenz gedruckt. Einmal gemeistert, kann diese Technik in ein paar Stunden durchgeführt werden, die richtig ausgeführt wurden. Mit diesem Verfahren haben wir den Tintensynthesedruck von 1D- bis 3D-Strukturen und Anwendungen demonstriert, die gedruckte Elektroden für elektronische und optoelektronische Geräte enthalten.
Die laufenden Arbeiten in unserem Labor konzentrieren sich nun darauf, diesen Ansatz auf biomedizinische Anwendungen mit biokompatiblen Tinten auszuweiten. Wir drucken dreidimensionale Gerüste und mikrovaskuläre Netzwerke für das Tissue Engineering und die Zellkultur. Wir hoffen, dass Sie nach dem Anschauen dieses Videos ein besseres Verständnis für unsere direkte richtige Montagetechnik haben.
Übersicht
Diese Studie demonstriert das ebene und dreidimensionale Drucken leitfähiger Mikroelektroden mithilfe einer Direktmontagetechnik. Die Methode ermöglicht die Herstellung gedruckter elektronischer und biomedizinischer Vorrichtungen mit komplexen Mikrostrukturen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Materialwissenschaft
- Bioingenieurwesen
- gedruckte Elektronik
Hintergrund
- Die direkte Rechtsmontage ist eine Abscheidetechnik, die eine computergesteuerte Dreiaxen-Translationsstufe nutzt.
- Das Verfahren verwendet hochkonzentrierte Tinten, die durch feine Düsen extrudiert werden, wodurch selbsttragende Strukturen ermöglicht werden.
- Verschiedene Tinten, darunter Silber-Nanopartikel-Tinten, wurden für diesen Druckansatz entwickelt.
- Die Methode verbessert die Geschwindigkeit und Komplexität der gedruckten Strukturen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren.
Zweck der Studie
- Untersuchung der Möglichkeiten der direkten Schreibmontage zur Herstellung leitfähiger Mikroelektroden.
- Untersuchung der Eigenschaften von Silber-Nanopartikel-Tinten und ihrer Anwendung in elektronischen Bauteilen.
- Vorführung des Drucks komplexer 3D-Strukturen für potenzielle biomedizinische Anwendungen.
Verwendete Methoden
- Herstellung von Silber-Nanopartikel-Tinten durch einen kontrollierten chemischen Prozess.
- Verwendung eines Spritzenzylinders und Düsen-Systems zur Tintenapplikation.
- Einstellung der Druckparameter wie Geschwindigkeit und Druck für optimale Ergebnisse.
- Charakterisierung der gedruckten Strukturen mittels Techniken wie REM und TEM.
Hauptergebnisse
- Erfolgreich leitfähige Mikroelektroden mit einer Resistivität nahe 10-5 Ohm cm gedruckt.
- Nachgewiesen, dass Strukturen mit einer minimalen Elektrodenbreite von 2 Mikrometern hergestellt werden können.
- Gezeigt, dass die Druckauflösung zwischen 2 und 30 Mikrometern lag.
- Realisiert selbsttragende Strukturen mit variierenden Feststoffgehalten in den Tinten.
Schlussfolgerungen
- Die Direktrechtsmontagetechnik eignet sich zur Herstellung komplexer leitfähiger Strukturen.
- Silber-Nanopartikel-Tinten können für verschiedene elektronische und biomedizinische Anwendungen angepasst werden.
- Diese Methode erschließt neue Wege für die Entwicklung fortschrittlicher gedruckter Bauelemente.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mittels Direktschreibtechnik lässt sich leitfähige Tinte für flexible und mehrdimensionale elektronische Bauteile mikroskalig strukturieren, was die Validierung von Zielstrukturen in der frühen Entwicklungsphase von Bioelektronik und Sensoren unterstützt. Die Methode ermöglicht eine vorhersagbare Einschätzung des Materialverhaltens und der strukturellen Genauigkeit und verringert so mechanistische Unsicherheiten beim Übergang von Laborprototypen zu skalierbaren, biointegrierten Systemen. Sie etabliert den Druck leitfähiger Tinten als wiederverwendbare Plattform zur Risikominimierung bei der Translation in der Entwicklung tragbarer und implantierbarer Geräte.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Eigenschaften leitfähiger Materialien in Form von Mikroelektroden zur Bewertung von Hypothesen zu bioelektronischen Schnittstellen.
- Operativer Wert: Unterstützt die schnelle Iteration von Elektrodengeometrien, um Struktur-Funktions-Beziehungen in Anwendungen zur neuralen oder kardialen Signalregistrierung zu klären.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Erzeugt standardisierte, hochauflösende leitfähige Strukturen für zuverlässige elektrische Messungen in zellbasierten Assays.
- Operationaler Wert: Stellt die Reproduzierbarkeit von Mikroelektrodenarrays über Chargen hinweg sicher und ermöglicht konsistente Ergebnisse bei der Wirkstoffscreening.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Modellierung krankheitsrelevanter Systeme durch konforme Aufdruckung auf gekrümmten oder flexiblen Substraten zur Integration in Organe-auf-einem-Chip-Systeme.
- Operativer Wert: Ermöglicht die skalierbare Herstellung von Verbindungsleitungen und Antennen zur Validierung chronisch implantierbarer Geräte.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode verbindet die Entdeckungsbiologie mit der präklinischen Validierung, indem sie abstimmbare, biokompatible leitfähige Plattformen für iterative Entwurfs- und Testzyklen in der Entwicklung von Bioelektronik bereitstellt.
- Entdeckungsbasierte Biologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung durch präzise Abscheidung leitfähiger Spuren zur Modulation oder Aufzeichnung der zellulären Elektrophysiologie.
- Screening: Bereitstellung von assaysbereiten Mikroelektroden mit konsistentem Impedanz- und Leitfähigkeitsverhalten für reproduzierbare Biomarker-Detektion.
- Analytik: Ermöglicht quantitative Messung elektrischer Signale, Impedanzänderungen und Leitfähigkeitsveränderungen als funktionelle Messgrößen.
- Translationale Forschung: Gewährleistet Kontinuität von der in-vitro-Validierung bis zur in-vivo-Anwendung durch stabile, haftende Mikroelektrodenarchitekturen.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft eine Plattformtechnologie, die für mehrere Projekte in tragbaren Sensoren, neuronalen Schnittstellen und Bio-Brennstoffzellen adaptierbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit bezüglich der Elektrodenleistung, Zielvalidierung bei der bioelektrischen Modulation, Verringerung von Grenzflächenunschärfen.
- Operationaler Wert: Standardisierung der Tintenformulierung und Druckparameter gewährleistet Reproduzierbarkeit über verschiedene Standorte und Anwender hinweg.
- Strategischer Wert: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem eine frühzeitige Beurteilung der Gerätefunktionalität und biologischen Integration ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Fördert die risikoadjustierte Priorisierung von bioelektronischen Kandidaten durch skalierbare, kostengünstige Prototypenerstellung.
Durchführungsüberlegungen
- Erfordert Fachkenntnisse in der Tintenformulierung, der Rheologiekontrolle und mikrofabrikatorischen Techniken.
- Setzt präzise Dosiersysteme, Visualisierungswerkzeuge und thermische Behandlungsgeräte für das Sintern voraus.
- Erfordert eine Abstimmung zwischen den Teams hinsichtlich Materialsicherheit, Substratverträglichkeit und Sterilisationsprotokollen für die biomedizinische Anwendung.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen beim Übergang von starren zu flexiblen oder biologisch abbaubaren Substraten.
- Eingeschränkt durch die Stabilität der Tinten, das Risiko von Düsenverstopfungen und Herausforderungen bei der Haftung auf dem Substrat, wie in der Quellenliteratur beschrieben.
