Aufwändige Steuerung von Tintenstrahldruckern zur Herstellung von chipbasierten Superkondensatoren

Dieses Papier bietet eine Technik zur Herstellung von chipbasierten Superkondensatoren mit einem Tintenstrahldrucker. Die Methoden werden detailliert beschrieben, um Tinten zu synthetisieren, Softwareparameter anzupassen und die elektrochemischen Ergebnisse des hergestellten Superkondensators zu analysieren.

Dieses Protokoll überwindet den vorhandenen Superkondensator mit fester Größe und bietet eine Methode zur Herstellung eines Freiform-Superkondensators durch präzisen Tintenstrahldruck. Durch dieses Protokoll kann die Effizienz der personellen und materiellen Ressourcen gesichert werden. Außerdem könnte die Bereitstellung von Softwaresteuerungsmethoden für Tintenstrahldrucker für Benutzer dazu beitragen, präzisere Superkondensatoren herzustellen.

Diese Technologie bietet eine Möglichkeit, Tintenstrahldrucker zu handhaben, daher kann dieses Protokoll nicht nur zur Herstellung von Superkondensatoren, sondern auch zur Herstellung anderer Geräte verwendet werden. Bevor Sie das Muster elektrochemischer Doppelschichtkondensatoren oder EDLCs entwerfen, führen Sie zunächst das CAD-Programm aus. Gehen Sie zur Schaltfläche Datei oben im Programmfenster und klicken Sie auf die Schaltflächen Neu und Projekt, um eine neue Projektdatei zu erstellen.

Um die Board-Datei zu generieren, klicken Sie in der angegebenen Reihenfolge auf die Schaltflächen Datei, Neu und Board. Klicken Sie oben links im Fenster der erstellten Platinendatei auf die gitterförmige Rasterschaltfläche, um die Rastergröße, die Multiple- und Alt-Werte festzulegen. Ändern Sie die Rastergröße und den Alt-Wert von Millimetern auf Zoll, damit der Tintenstrahldrucker das PCB-CAD-Muster Press Finest lesen kann, um Feineinstellungen vorzunehmen.

Sobald die Parameter eingestellt sind, entwerfen Sie das Muster des Stromabnehmers und der EDLC-Linie in einer interdigitalisierten Form. Entwerfen Sie das Gelpolymer-Elektrolyt- oder GPE-Muster und die Stromabnehmerpads in rechteckiger Form. Legen Sie für drei Arten von endgültigen Mustern, z. B. leitfähige Linien, EDLC und GPE, die drei Ebenen fest, indem Sie auf Ansicht und Ebeneneinstellungen in der richtigen Reihenfolge klicken.

Erstellen Sie neue Ebenen, indem Sie unten links im Fenster "Sichtbare Ebenen" auf die Schaltfläche "Neue Ebene" klicken. Richten Sie im neuen Fenster von Neue Ebene den Namen und die Farbe für die neue Ebene ein. Um die Ebenen visuell zu unterscheiden, legen Sie die Namen der drei Ebenen auf Current Collector, EDLC und GPE fest und ändern Sie die entsprechenden Farben, indem Sie auf das Feld rechts neben Farbe klicken.

Drücken Sie Zeile unten links auf dem Bildschirm. Um die Dicke der Linie zu ändern, geben Sie den Wert der Breite ein, der sich in der oberen Mitte im Zollmaßstab befindet. Klicken Sie dann auf das Hauptfeld und ziehen Sie, um eine Linie zu zeichnen.

Um die Länge einer Linie zu bearbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Linie und klicken Sie unten auf Eigenschaften. Geben Sie in den Feldern Von und Bis die X- und Y-Werte der Start- und Endpunkte ein. Legen Sie für den Bezugspunkt des Musters die obere linke Ecke auf 0, 0 fest.

Zeichnen Sie den Rest des Musters basierend auf den zuvor freigegebenen Informationen. Um das gezeichnete Muster auf die gewünschte Ebene zu setzen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Muster und klicken Sie auf Eigenschaften. Klicken Sie dann auf Ebene und wählen Sie die gewünschte Ebene aus.

Zeichnen Sie rechteckige Muster des Stromabnehmerpads in GPE, indem Sie RECT unten links im Hauptfenster drücken. Klicken und ziehen Sie auf den Bildschirm, auf dem sich das zuvor gezeichnete Muster befindet. Klicken Sie anschließend mit der rechten Maustaste auf die rechteckige Oberfläche und klicken Sie unten auf Eigenschaften.

Geben Sie die X-, Y-Werte des Rechtecks oben links und unten rechts in die Felder Von bzw. Bis ein. Setzen Sie das Rechteck wie bereits erwähnt auf die gewünschte Ebene. Bevor Sie die CAD-Datei des entworfenen Musters in das Gerber-Dateiformat konvertieren, speichern Sie die Board-Datei im brd-Format, indem Sie auf die Datei klicken und speichern.

Nachdem Sie die Datei gespeichert haben, klicken Sie auf die Registerkarte Datei oben im Fenster und klicken Sie auf CAM-Prozessor. Um eine Gerber-Datei des gewünschten Layers zu erstellen, ändern Sie die Elemente auf der Registerkarte Gerber der Ausgabedateien, indem Sie die Unterlisten löschen, z. B. oberes Kupfer und unteres Kupfer, indem Sie das Minuszeichen drücken. Drücken Sie die Plustaste und klicken Sie auf Neue Gerber-Ausgabe, um die Gerber-Ausgabe zu erstellen.

Legen Sie auf der rechten Seite des Bildschirms den Ebenennamen in Name und Funktion auf Kupfer fest, indem Sie das Zahnrad auf der rechten Seite drücken. Legen Sie dann den Ebenentyp auf Top und die Gerber-Ebenennummer des Stromabnehmers, EDLC und GPE auf L1, L2 und L3 in der angegebenen Reihenfolge fest. Klicken Sie im Ebenenfenster am unteren Rand der Gerber-Datei unten links auf Ebenen bearbeiten, um jede gewünschte Ebene auszuwählen.

Um den Namen der zu erstellenden Ausgabedatei festzulegen, legen Sie den Gerber-Dateinamen von Output am unteren Rand des Fensters auf prefix/name.gbr fest. Klicken Sie abschließend auf den Speicherauftrag oben links im Fenster, um die Einstellungen zu speichern. Klicken Sie auf den Prozessauftrag unten rechts, um eine Gerber-Datei zu erstellen.

Um die Softwareparameter für Tintenstrahldrucker festzulegen, führen Sie das Druckerprogramm aus, klicken Sie dann auf die Schaltfläche Drucken, wählen Sie Einfach und wählen Sie Flexible Leitfähige Tinte. Laden Sie die Gerber-Datei des entworfenen Musters hoch, indem Sie auf die Schaltfläche Datei auswählen klicken. Wählen und öffnen Sie die Gerber-Datei der leitenden Linie.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Weiter, wie im gelben Feld angegeben. Als nächstes fixieren Sie die Leiterplatte und montieren Sie die Sonde. Wenn Sie fertig sind, stellen Sie den Nullpunkt des PCB-Druckers durch die Sonde ein, indem Sie auf die Schaltfläche Umriss klicken.

Verschieben Sie das Musterbild auf dem Bildschirm, indem Sie es ziehen und auf die Schaltfläche Gliederung klicken. Überprüfen Sie, ob sich die Sonde durch den gewünschten Pfad bewegt. Klicken Sie dann auf die Registerkarte Weiter.

Klicken Sie auf die Sonde, um die Höhe des Substrats zu messen und zu überprüfen, ob das Substrat flach ist. Wenn die Höhenmessung abgeschlossen ist, entfernen Sie die Sonde, setzen Sie die Tintenpatrone in den Tintenspender ein und schließen Sie die Düse mit einem Innendurchmesser von 230 Mikrometern an, um den Spender vorzubereiten. Drucken Sie nach der Montage von Tintenspendern für leitfähige Linien, EDLC und GPE ein Probenmuster, indem Sie die Kalibriertaste drücken, während Sie die Parameter jeder Tinte anpassen.

Überprüfen Sie visuell das Druckergebnis und zeichnen Sie die Parameterwerte für jede Tinte auf. Löschen Sie das Musterdruckmuster mit einem mit Ethanol angefeuchteten Reinigungstuch, bevor Sie die Starttaste drücken, um das entworfene Muster der leitfähigen Linie zu drucken. Nach dem Drucken drehen Sie das Board um und härten Sie die leitfähige Linie bei 180 Grad Celsius für 30 Minuten aus, gefolgt von der Messung des kombinierten Gewichts des Substrats und der leitfähigen Linie.

Wählen Sie auf dem Startbildschirm des Druckerprogramms die Option Ausgerichtet, laden Sie die EDLC-Linienmusterdatei und klicken Sie auf Weiter. Stellen Sie sicher, dass die Position der leitenden Leitung durch zwei Ausrichtungspunkte erkannt wird, um die Musterpositionen der EDLC-Linie und der leitenden Linie auszurichten. Gehen Sie dann zu einem zufälligen Punkt und überprüfen Sie, ob der Standort korrekt ist.

Messen Sie die Gesamthöhe der leitenden Leitung, um die Höhe der Spenderdüse über der leitenden Leitung zu überprüfen, indem Sie auf die Schaltfläche Sonde klicken. Ändern Sie die Softwareparameterwerte von EDLC-Tinten. Wenn Sie fertig sind, drucken Sie ein Beispielmuster, um zu überprüfen, ob die Softwareparameterwerte angemessen sind.

Löschen Sie später das Musterdruckmuster mit einem mit Ethanol angefeuchteten Reinigungstuch, um die EDLC-Linie durch Drücken der Starttaste zu drucken. Führen Sie die elektrochemischen Messungen für das inkjetgedruckte Superkondensatorgerät durch. Klicken Sie auf Auf Ch anwenden und führen Sie die Sequenzdatei des zyklischen Voltammetrietests aus, um das Ergebnis zu erhalten.

Klicken Sie auf Auf Ch anwenden und führen Sie die Sequenzdatei des galvanostatischen Aufladungs-/Entladungstests aus, um das Ergebnis zu erhalten. Klicken Sie auf Auf Ch anwenden und führen Sie die Sequenzdatei des elektrochemischen Impedanzspektroskopietests aus, um das Ergebnis zu erhalten. Die strukturellen Eigenschaften der leitfähigen Tinte und der EDLC-Tinte wurden mit der Rasterelektronenmikroskopie analysiert.

Die leitfähige Tinte war gut zentriert, um kontinuierliche Leiterbahnen zu bilden. Alle Komponenten der Tinte waren gut verteilt, ohne sichtbare Elemente, die während des Drucks zu Verstopfungen führen könnten. Die rheologischen Eigenschaften der EDLC-Tinte wurden berichtet, und es wurde beobachtet, dass die Viskosität der Tinte mit der Scherzeit zunahm, was auf ein Scherverdickungsverhalten ohne spannungsinduzierte strukturelle Ausdehnung, Dehnung oder Umlagerung hinweist.

In der Studie wurde erfolgreich ein gedruckter Superkondensator erhalten. Die Druckqualität gilt als gut. wenn das gedruckte Muster weniger oder keine Defekte aufweist, mit minimaler Oberflächenrauheit und gleichmäßiger Dicke.

Die Druckergebnisse mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mindestens 100 Millimetern pro Minute zeigten gleichmäßige Linien ohne sichtbare Trennung. Die Gesamtdruckzeit wurde verringert, wenn die Vorschubgeschwindigkeit maximal bei 600 Millimetern pro Minute lag. Im Vergleich zu den Ergebnissen, die mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 Millimetern pro Minute gedruckt wurden, wurden die mit 600 Millimetern pro Minute gebildeten Linien abgeschnitten oder rissig, weil sich der Spender schnell bewegte.

Eine Vorschubgeschwindigkeit von 300 Millilitern pro Minute war optimal für eine korrekte Druckzeit und um rissige Bildung zu verhindern. Die Druckergebnisse wurden auf entsprechende Änderungen im Kick überprüft. Alle Leitungen wurden getrennt, wenn der Kick zu niedrig war.

Der hohe Druck bei einem hohen Kick verursachte jedoch einen Engpass, der zu einer Verstopfung der Düse führte. Beim entsprechenden Kickwert brach die Leine nicht und die Düse verstopfte nicht. Präziseres Drucken ist durch Software-Parametersteuerung möglich, so dass viele Forscher den Tintenstrahldruck unter optimalen Bedingungen in verschiedenen Bereichen einsetzen können.