Hochauflösende Musterung mit zwei Modi der Electrohydrodynamic Jet: Drop-on-Demand und Nahfeld-Elektrospinnen

Der elektrohydrodynamische Jet-Druck ist ein berührungsloses, direktes Strukturierungsverfahren, das in verschiedenen Bereichen wie gedruckter Elektronik, fortschrittlichen Materialien, Biotechnologie usw. eingesetzt werden kann. Das elektrohydrodynamische Jet-Druckverfahren nutzt ein hohes elektrisches Feld, um geladene Tinte auf das Substrat zu ziehen. Zu diesem Zweck wird ein fluidisches System verwendet, um die Tinte zur Düse zu drücken, und eine Hochspannungsstromversorgung wird verwendet, um das elektrische Feld zu erzeugen.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass im Vergleich zum herkömmlichen Tintenstrahldruckverfahren sehr kleine Punkte oder Muster gedruckt werden können. Basierend auf den elektrischen und fluidischen Konfigurationen können drei verschiedene Modi des Drop-on-Demand-Drucks, Elektrospinnen und Elektrospray, implementiert werden. Für die Feinstrukturierung konzentrieren wir uns auf DOD und Nahfeld-Galvanisierung.

DOD verwendet sowohl Gleichspannung als auch Impulsspannung für das Jetting, während beim Nahfeld-Elektrospinnen nur Gleichspannung für das Jetting verwendet wird. Die Menschen wussten, dass es bei dieser Methode schwierig sein würde, das richtige Jetting zu erreichen, da sie mehr spezifische Dinge und unterschiedliche Druckstiftmethoden erfordert, wie z. B. Spannung, Düse, Druckgeschwindigkeit und Standabstand. Der mutige Student Mr.Oh wird sowohl Drop-on-Demand- als auch Nahfeld-Elektrospinnen mit Silbernanopartikel-Tinte demonstrieren, um den Menschen zu helfen, die Druckprozessoren zu verstehen.

Für den Drop-on-Demand-Druck füllen Sie zunächst das Tintenreservoir des elektrohydrodynamischen Jetdruckers mit gefilterter Silbernanopartikel-Tinte. Bereiten Sie dann die Düse aus einer Glaspipette vor, wie im beigefügten Textprotokoll beschrieben. Montieren Sie den Düsenhalter, indem Sie die Düse über einen Teflonschlauch mit dem Tintenbehälter verbinden.

Schalten Sie anschließend den Luftdruckregler ein und legen Sie einen Luftdruck von 15 bis 20 Kilopascal auf den Tintenbehälter an. Überwachen Sie den Durchfluss der Tinte durch die Glasdüse und den Schlauch, um sicherzustellen, dass bei der Zufuhr der Tinte keine Luft eingeschlossen wird. Üben Sie weiterhin Luftdruck auf den Behälter aus, bis Tinte an der Spitze der Düse erscheint.

Reduzieren Sie den Druck nicht, bevor die Tinte an der Düsenspitze erscheint, da dies zu Luftblaseneinschlüssen an der Spitze führen kann. Sobald die Tinte an der Spitze der Düse erscheint, reduzieren Sie den Druck auf etwa 12 Kilopascal. Dadurch bleibt der extrudierte Meniskus erhalten, ohne dass Tinte von der Düsenspitze tropft.

Fixieren Sie dann den zusammengebauten Düsenkopf im Drucksystem. Verwenden Sie eine Seitenkamera, um den Spalt zwischen der Düsenspitze und dem Substrat zu visualisieren, und bewegen Sie die Z-Achse des Tisches, um den Spalt auf etwa 100 Mikrometer einzustellen. Ein kleinerer Spalt führt zu einem höheren elektrischen Feld, was das Drucken mit niedrigeren und pulsierenden Spannungen für das Jetting erleichtern könnte.

Ein geringerer Spalt kann aber auch zu größeren Einbrüchen führen, wenn die Spannung nicht richtig eingestellt wird. Überwachen Sie zu diesem Zeitpunkt die Tinte an der Düse, während Sie beginnen, Gleich- und Impulsspannungen anzulegen. Erhöhen Sie die Gleichspannung allmählich in Schritten von jeweils weniger als 100 Volt.

Sobald die Tinte aus der Düse zu tropfen beginnt, reduzieren Sie die Gleichspannung leicht, bis die Tinte nicht mehr aus der Düse tropft. Stellen Sie als Nächstes eine negative Impulsspannung ein, wobei die Anstiegszeit null bis 100 Mikrosekunden, die Verweilzeit 300 Mikrosekunden und die Abfallzeit null Mikrosekunden beträgt. Legen Sie dann die negative Impulsspannung am Substrathalter an.

Passen Sie nun die Größe der Impulsspannung so an, dass ein Tröpfchen pro einzelnem Impuls erzeugt wird. Passen Sie dann den Gleichstromhintergrund und die Impulsspannungen an, um die Zieltröpfchengröße auf dem Substrat zu erhalten, während Sie die Spritzpunkte auf dem Substrat im Seitenansichtskamerabild beobachten. Laden Sie zunächst ein Bitmap-Bild auf der Registerkarte "Drucken" der Drucksoftware und konvertieren Sie es in ein Binärbild.

Legen Sie dann die Parameter für den binären Bilddruck fest. Legen Sie z. B. den Abstand zwischen zwei Tropfen oder das Tropfenintervall auf zehn Mikrometer fest. Beginnen Sie nach der Einrichtung mit dem Drucken mit der ausgewählten Bitmap an der Zielposition des Substrats.

Um den Vektordruck vorzubereiten, laden Sie die CAD-Informationen des Musters in die Drucksoftware. Legen Sie dann die Parameter für den Druck fest, z. B. die Druckgeschwindigkeit und den Punktabstand. Wenn Sie die Parameter festgelegt haben, beginnen Sie mit dem Drucken.

Um das Nahfeld-Elektrospinnen durchzuführen, bereiten Sie zunächst die speziell formulierte Silber-Nanopasten-Tinte vor. Um dies zu erreichen, mischen Sie drei Teile Ethanol und einen Teil entionisiertes Wasser, um 12 Milliliter Lösungsmittel herzustellen. Mischen Sie dann 0,3 Gramm Polyethylenoxid und 9,7 Gramm des vorbereiteten Lösungsmittels, um eine Polymerlösung mit 3 Gew.-% herzustellen.

Mischen Sie die Lösung mit einem Magnetrührer mehr als sechs Stunden lang gründlich, indem Sie bei Raumtemperatur umrühren. Nachdem das Lösungsmittel nun vorbereitet ist, mischen Sie fünf Teile Silbernanopaste-Tinte mit einem Teil der vorbereiteten Polymerlösung. Kombinieren Sie die beiden mit einem Vortex-Mischer und mischen Sie sie zehn Minuten lang, um die Tinte richtig zu suspendieren.

Füllen Sie anschließend die vorbereitete Tinte in eine Spritze und verbinden Sie die Spritze über den Teflon-Verbindungsschlauch mit einer Düse. Geben Sie die Tinte in die Düse, indem Sie die Spritze manuell drücken. Wenn die Tinte die Düse erreicht, setzen Sie die Spritze in die Spritzenpumpe ein, die am Drucksystem angebracht ist.

Betätigen Sie die Spritzenpumpe, um einen Tintenfluss mit einer anfänglichen Durchflussrate von 50 Mikrolitern pro Minute zu erzeugen. Wenn die Tinte aus der Düsenspitze fließt, verringern Sie die Durchflussrate auf einen Mikroliter pro Minute. Legen Sie als Nächstes die Gleichspannungsquelle an den Düsenanschluss an, während die Massespannung mit dem Substrathalter verbunden ist.

Erhöhen Sie die Gleichspannung schrittweise auf 1,5 Kilovolt. Die Gleichspannung konnte auf bis zu zwei Kilovolt erhöht werden. Eine Gleichspannung von mehr als zwei Kilovolt sollte jedoch vermieden werden, da sie die Tinte beschädigen könnte.

Starten Sie nach der Einrichtung den Leerlaufdruck mit einer Druckgeschwindigkeit von 300 Millimetern pro Sekunde für mindestens 10 Minuten, um einen stationären Fluss zu erhalten. Dies ist erforderlich, da die viskose Tinte in den langen Schläuchen komprimiert werden kann. Passen Sie die Druckparameter, wie z. B. die Gleichspannung und die Durchflussrate während des Drucks im Leerlauf, an, um die gewünschten Druckergebnisse zu erzielen.

Drucken Sie abschließend Ihr ausgewähltes Muster mit den nun definierten Druckparametern auf das Substrat. Beim punktbasierten Drop-on-Demand-Druck und beim Rasterdruck wird eine einzelne Achse verwendet, um Punkte in der Hauptrichtung zu drucken und dann zum nächsten Streifen in der Unterrichtung zu bewegen. Dieses Rasterbild hat eine Tropfengröße von etwa vier Mikrometern.

Im Gegensatz dazu führt der punktbasierte Drop-on-Demand-Druck im Vektormodus gleichzeitige Bewegungen in X- und Y-Richtung durch und wird zum Drucken der Linien verwendet. Das resultierende Bild hat eine Linienbreite von vier Mikrometern. Beim Nahfeld-Elektrospinnen werden hochviskose Tinte verwendet, um Muster kontinuierlich zu drucken.

Daher eignet sich dieses Verfahren für den Druck von geraden Linien mit hoher Druckgeschwindigkeit und reagiert empfindlich auf Änderungen der Druckgeschwindigkeit. Verwerfbare langsame Bereiche sollten in das Design einbezogen werden, um eine konsistente Linienstärke im gewünschten Bereich zu gewährleisten. In einigen Fällen kann eine niedrige Jetting-Geschwindigkeit verwendet werden, um ein Wellenmuster zu erzeugen, indem eine niedrige Druckgeschwindigkeit von weniger als 100 Millimetern pro Sekunde verwendet wird.

Die Muster können wellig werden, wie hier gezeigt. Diese Art von Wellenmuster könnte in dehnbaren Elektronikanwendungen nützlich sein. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher, feine Muster für ihre spezifischen Anwendungen herzustellen.

Bitte beachten Sie, dass dieses Druckverfahren nicht nur auf Silber-Nanopartikel-Tinte beschränkt ist, sondern auch in anderen Anwendungen mit verschiedenen Tinten eingesetzt werden kann. Wenn Sie dieses Verfahren ausprobieren, ist es wichtig, daran zu denken, die richtige Tinte zum Drucken zu verwenden. Weitere Informationen finden Sie in den allgemeinen Richtlinien für die Farbauswahl im Text dieses Artikels.

Achten Sie darauf, die Druckparameter entsprechend Ihrer Tintenauswahl und Ihren Anwendungen anzupassen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Chemikalien, Hochspannung und hohem Druck gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden sollten.