Alta resolución patrones usando dos modos de electrohidrodinámicos Jet: caída en la demanda y Electrospinning de campo cercano

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para producir patrones conductores alta resolución usando electrohidrodinámicos (EHD) jet impresión. El protocolo incluye dos modos de impresión de chorro de EHD: el electrospinning continuo de campo cercano (NFES) y la impresión basada en punto drop-on-demand (DOD) EHD.

Resumen

Impresión electrohidrodinámicos (EHD) jet ha llamado la atención en diversos campos ya que puede ser utilizado como una herramienta de modelar directo de alta resolución y bajo costo. Impresión de EHD utiliza un proveedor de neumático para mantener el menisco sacado empujando la tinta fuera de la punta de la boquilla. El campo eléctrico se utiliza entonces para sacar el menisco hasta el sustrato para producir patrones de alta resolución. Dos modos de impresión de EHD se han utilizado para modelar fina: electrospinning continuo de campo cercano (NFES) e impresión de EHD (DOD) drop-on-demand basada en punto. Acuerdo con el modos de impresión, los requisitos para la viscosidad de tinta y equipo de impresión serán diferente. A pesar de dos modos diferentes pueden aplicarse con una sola impresora EHD, los métodos de realización significativamente diferencian en términos de tinta, sistema fluídico y tensión motriz. En consecuencia, sin una correcta comprensión de los requisitos y limitaciones que echa en chorro, es difícil obtener los resultados deseados. El objetivo de este trabajo es presentar una guía para que los investigadores inexpertos pueden reducir los esfuerzos de prueba y error para utilizar el jet EHD para sus específico fines de investigación y desarrollo. Para demostrar la aplicación de fino diseño, utilizamos tinta de nanopartículas de Ag para los patrones conductores en el protocolo. Además, también presentamos las pautas impresión generalizadas que pueden ser utilizadas para otros tipos de tinta para varias aplicaciones de fino diseño.

Introducción

Impresión de chorro de EHD ha sido ampliamente utilizada en diferentes áreas como la electrónica impresa, biotecnología y aplicaciones avanzadas de material, ya que es capaz de alta resolución y bajo costo directo patrones¹. El ancho de la línea impresa o tamaño de punto impreso puede reducirse a 1 μm, que es significativamente menor que el del convencional basado en el piezoeléctrico de inyección de tinta impresión¹.

En la impresión de EHD, una pequeña porción de tinta (o menisco) es empujada fuera de la punta de la boquilla y mantenida mediante el control de la tasa de flujo de^2,1,3,4,5 o la presión de aire positiva^{1 ,6,7}. El menisco extruido está cargado y puede fácilmente tirar hacia abajo desde la punta de la boquilla al sustrato por un campo eléctrico, como se muestra en la figura 1. El menisco cónico se forma durante la inyección, produciendo una corriente de tinta mucho más fina que el tamaño de la boquilla.

Figura 1: impresión de EHD. La figura muestra el principio de la impresión del chorro de EHD. Tinta es empujada por la presión y tiró a través de un campo eléctrico para formar un menisco sacada de la boquilla. Entonces, la tinta cargada puede ser fácilmente chorro al sustrato a través de un DC o voltaje del pulso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

A pesar de que una sola impresora EHD puede utilizarse de dos modos diferentes, cerca de campo electrospinning (NFES) y jet EHD (DOD) drop-on-demand de la impresión, los métodos de realización significativamente diferencian en cuanto a la tinta, el sistema fluídico y conducción voltaje^{1 , 2 , 3}. por ejemplo, NFES^4,5 utiliza una tinta relativamente alta viscosidad [más de 1.000 centipoises (cP)] para formar patrones continuos de la línea de micro con alta velocidad de impresión hasta 1 m/s. Por otro lado, DOD EHD jet impresión^6,7,8 utiliza tinta de baja viscosidad con una viscosidad de alrededor de 10 cP para imprimir patrones complejos basados en el punto con una impresión de baja velocidad menos de 10 mm/seg.

Puesto que el requisito para cada modo es significativamente diferente, puede ser un reto para los investigadores sin experiencia lograr los resultados deseados. El "conocimiento empírico" puede ser importante en la práctica. Para ayudar a los investigadores a acostumbrarse a los métodos de impresión, presentamos EHD protocolos para patrones conductor fino con tinta de nanopartículas de Ag de la impresión. Sin embargo, hemos añadido comentarios a los protocolos para que no se limitan a una conductora dibujos con tinta de nanopartículas de Ag. Por último, impresión y preparación de las directrices se presentan en la sección de discusión.

Protocolo

Fines de salud y seguridad, antes de usar cualquier tinta y solución, consulte la hoja de datos de seguridad del material (MSDS).

1. drop-on-demand electrohidrodinámicos Jet impresión con tinta de nanopartículas de plata

1. Llene la tinta filtrada nanopartículas de plata (AgNP) en el depósito de tinta del sistema de impresión de EHD.
   Nota: Disponible en el mercado tinta AgNP puede utilizarse para el propósito de inyección de tinta. La tinta debe tener una viscosidad de alrededor de 10 cP y una tensión superficial de 20 ~ 40 mN/m para obtener el chorro de drop-on-demand.
2. Hacer una boquilla para la impresión de DOD EHD utilizando un extractor térmico.
   1. Coloque un vaso capilar diámetro interno (ID) de 1 mm en el tirador de la térmico.
   2. Configurar los parámetros del extractor térmico; por ejemplo, la temperatura en el rango de 580-590 ° C y tirar velocidad de 18 m/s.
      Nota: Los parámetros para el extractor térmico deben diferenciarse según el ID de boquilla de destino y las condiciones ambientales.
   3. Funcionar el extractor térmico con los parámetros establecidos para aplicar calor en el centro del tubo capilar y tire de ambos de sus extremos para hacer una boquilla con un ID de 5 μm.
      Nota: Determine el tamaño de la identificación del inyector basado en el tamaño de punto blanco sobre el sustrato. Para referencia, la identificación de boquilla de 5 μm podría imprimir 5 puntos μm de tamaño.
   4. Ajuste la longitud de la boquilla de vidrio cortando el cristal boquilla mediante un cortador de vidrio.
3. Montar la boquilla para el soporte de la boquilla y el conector, que están conectados con la tinta depósito a través de politetrafluoroetileno (PTFE) tubería.
4. Aplique la presión de aire para suministrar la tinta a la punta de la boquilla.
   1. Encienda el regulador de presión de aire y aplique presión de aire de 15 ~ 20 kPa para el depósito de tinta para suministrar la tinta a la punta de la boquilla. Controlar el flujo de tinta a través de la boquilla de cristal transparente y la tubería para asegurarse de que no hay aire está atrapado dentro del tubo y la boquilla de suministro de la tinta. Mantener aplicando presión de aire en el depósito de tinta hasta que la tinta aparezca en la punta de la boquilla.
      Nota: No reduzca la presión antes de que la tinta aparezca en la punta de la boquilla ya podría causar el atrapamiento de burbujas de aire en la punta de la boquilla.
   2. Reducir la presión a 12 kPa para mantener el menisco extruido sin cualquier tinta que gotea de la punta de la boquilla.
      Nota: La presión de aire adecuada depende de la viscosidad de la tinta y tamaño de boquilla. No aumentan la presión del aire a más de 30 kPa para evitar la compresión de aire excesiva, que no es deseable para mantener el menisco en una condición estable.
5. Fijar la cabeza del inyector montado en el sistema de impresión.
6. Colocar un sustrato de vidrio sobre el mandril vacío del soporte del sustrato y encienda la bomba de vacío para mantener el sustrato.
7. Mover la etapa z para ajustar la distancia de soporte (H) — la distancia entre la punta de la boquilla y la posición del sustrato, a aproximadamente 100 μm. Utilice el lado-ver imagen adquirida por la cámara de vigilancia para estimar la distancia de enfrentamiento mediante el uso de la distancia de la punta de la boquilla a su reflexión, como se muestra en la figura 2.
   Nota: Una distancia más pequeña de soporte conduce a un mayor campo eléctrico, que podría facilitar la impresión de una baja tensión DC y pulso para echar en chorro. Sin embargo, una menor distancia stand-off podría conducir a las gotas más grandes. Por lo tanto, debe reducirse en consecuencia la magnitud de voltajes para obtener el tamaño de punto deseado. En general, el uso de una tensión más baja se recomienda para obtener pequeños impresos puntos con menos de rociadura. Sin embargo, una operación cuidadosa se requiere si la distancia de enfrentamiento se convierte en menos de 50 μm, debido a la mayor probabilidad de rotura de la boquilla por la colisión con el sustrato. Teniendo en cuenta la relación de equilibrio entre fiabilidad y capacidad de limpieza a chorro, recomendamos el uso de una distancia de stand-off de 100 μm.

Figura 2: Stand-off ajuste de distancia mediante el uso de imágenes de cámara vista. La imagen de la boquilla de una cámara puede utilizarse para estimar la distancia de enfrentamiento. El enfrentamiento distancia (H) de la punta de la boquilla al substrato se puede calcular fácilmente como la mitad de la distancia desde la punta de la boquilla a su sombra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

8. Aplicar Voltajes de DC y de pulso
   Nota: Los voltajes DC y pulso pueden ser controlado vía el software de impresión.
   1. Aumentar gradualmente la tensión hasta las gotas de tinta de la punta de la boquilla.
      Nota: No aplique la tensión de objetivo a la vez. La tensión incremental debe ser menos de 100 V a la vez. En general, no aplique una tensión de más de 600 V.
   2. Reducir el voltaje de DC ligeramente desde el inicio, el voltaje de C.C. hasta que no se observe ninguna tinta más goteo de la boquilla.
      Nota: Después del ajuste de la presión neumática y el voltaje de C.C., el menisco debe ser en una forma apropiada para echar en chorro como se muestra en Suplementario figura S1.
   3. Establece un voltaje del pulso negativo con los parámetros de t_subida = 0 ~ 100 μs, t_Moran = 300 μs y t_caen = 0 μs⁷ (figura 3) en el menú del software.
   4. Aplicar la tensión de pulso negativo en el soporte del sustrato. Luego, ajustar la magnitud de la tensión del pulso,_pulsode V, para producir una gota por voltaje del pulso individual.
      Nota: La magnitud de la tensión del pulso negativo, V_pulso, debe ser inferior a 600 V.
   5. Ajustar las tensiones de fondo y pulso de DC para obtener el tamaño de la gota de blanco sobre el sustrato mientras observa los puntos de hidromasaje en el sustrato de la imagen de cámara de vista lateral.
      Nota: Para producir pequeños puntos con menos de rociadura en el substrato, la magnitud de la tensión del pulso,_pulsode V, debe ser tan baja como sea posible.

Figura 3: pulso de tensión para DOD EHD chorro. Se recomienda el uso de tensión de forma de onda trapezoidal para producir DOD EHD chorro⁷. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

9. Patrones de la impresión
   Nota: Dos tipos de patrones se pueden utilizar para la impresión de DOD EHD: (CAD) y la imagen de mapa de bits-basado en información de vector. Imagen de mapa de bits ha sido ampliamente utilizado en la impresión de inyección de tinta DOD-basado. Sin embargo, en el caso de aplicaciones de la electrónica impresa, información de vector basado CAD tiene ventajas sobre la impresión de inyección de tinta DOD-basado, porque es eficiente en la impresión basada en la línea con una sola cabeza de EHD. Al mismo tiempo, la información de vector puede transformarse en una imagen de mapa de bits para la impresión de imagen de mapa de bits.
   1. Impresión de la imagen de mapa de bits
      1. Cargar una imagen de mapa de bits en la ficha impresión del software de impresión y convertirlo en una imagen binaria.
      2. Definir los parámetros para la impresión de la imagen binaria. Por ejemplo, establecer el intervalo de caída (es decir, la distancia entre 2 píxeles consecutivos) en 10 μm.
         Nota: La imagen de mapa de bits no tiene ningún dimensiones físicas. Las dimensiones físicas de la imagen impresa estará relacionado con el intervalo de caída. Por ejemplo, la imagen impresa se hace más grande si se utiliza un intervalo más grande de la gota. En la impresión convencional de inyección de tinta, puntos por pulgada (DPI) se ha utilizado comúnmente para este propósito. Sin embargo, debe señalarse que un PPP más pequeño significa un intervalo más grande de la gota. Para determinar el intervalo de caída, se debe considerar el tamaño de punto impreso. En general, el intervalo de gota para la impresión de DOD EHD es significativamente más pequeño que el de la impresión convencional de inyección de tinta.
      3. Iniciar la impresión usando el mapa de bits seleccionado en la ubicación de destino en el sustrato.
   2. Impresión del vector basada en la información de CAD
      1. Cargar la información de CAD para la impresión.
         Nota: El formato de archivo DXF, que es información de CAD basado en texto, puede utilizarse para la información sobre la impresión.
      2. Establecer los parámetros para la impresión del vector; por ejemplo, establecer el intervalo de caída a 3 μm y el chorro frecuencia de 10 Hz.
         Nota: Para imprimir los patrones de la línea conectada, el intervalo de caída debe ser elegido que contiguamente depositado gotas se superponen ligeramente. Sin embargo, demasiada superposición puede resultar en un mayor ancho de línea. Una superposición de aproximadamente el 30% se recomienda para cualquier impresión de línea práctica. En el caso de vector de impresión, la velocidad de movimiento (v) la siguiente ecuación.
         v = f × d
         Aquí,
         d = el intervalo de caída, y
         f = la frecuencia de la limpieza a chorro.
      3. Imprimir los patrones de carga en el sustrato usando parámetros de impresión predeterminados, como el intervalo de caída, la velocidad de impresión, la tensión, etc.
         Nota: Después de la impresión, podría ser necesario un proceso de sinterización para obtener la conductividad deseada de los estampados, que está fuera del alcance de este documento.

2. finos patrones de línea conductora mediante Electrospinning de campo cercano

1. Hacer campo cercano electrospinning (NFES) tinta para la impresión de línea conductora.
   1. Mezcla de etanol y agua desionizada (DI) con una relación de volumen de 3 (etanol) a 1 (agua desionizada) para preparar el disolvente 1. Por ejemplo, mezclar 9 ml de etanol y 3 ml de DI agua para hacer 12 ml de solvente 1.
   2. Mezclar 0,3 g de poli (óxido de etileno) (PEO, M_wt = 400.000) y 9,7 g de solvente preparado 1 para hacer una solución de polímero con 3% en peso de PEO por agitación utilizando un agitador magnético durante más de 6 h a temperatura ambiente (25 ° C).
   3. Mezcla Ag nano goma de tinta, que tiene una viscosidad de aproximadamente 11.000 cP y la solución de polímero preparado, con una proporción de peso de 5 (Ag nano pasta de tinta) a 1 (solución de polímero) utilizando un mezclador de tipo vórtex durante 10 minutos para obtener la tinta NFES. Por ejemplo, 10 g de Ag nano goma tinta y 2 g de solución de polímero puede ser mezclado para obtener la tinta NFES.
      Nota: En el presente Protocolo, la relación de los materiales de mezcla es generalmente más importante que la cantidad específica de los materiales. Comercialmente disponible nano Ag pasta tinta fines pantalla impresión, que tiene contenido sólido Ag de unos 85,5% en peso, puede ser utilizado para este propósito. Tenga en cuenta que la selección del solvente y el polímero podría diferir en base a la composición de la tinta que se utiliza.
2. Llene la tinta NFES preparada en la jeringa.
3. Conecte la jeringa con una boquilla por el tubo de conexión.
   Nota: Puede utilizarse una aguja de jeringuilla disponible en el mercado con un ID de 100 μm para la boquilla.
4. Fuente de la tinta a la boquilla presionando la jeringa manualmente.
5. Instalar la jeringa en el motor de la jeringa, que se adjunta para el sistema de impresión.
6. Colocar un sustrato en el plato vacío y encienda la bomba de vacío para mantener el sustrato durante la impresión.
7. Control de la posición Z (etapa) para ajustar la distancia de enfrentamiento.
   Nota: La distancia recomendada de soporte debe ser alrededor de 2 mm, que es perceptiblemente más pequeña enfrentamiento distancia comparada con uno usado con electrospinning convencional.
8. Ajustar el flujo
   1. Haga funcionar la bomba de jeringa para rellenar la tinta en la boquilla NFES y generar un flujo de tinta con un caudal inicial de 50 μl/min, que es mayor que la tasa de flujo blanco.
   2. Fijar un objetivo de caudal de 1 μl/min cuando la tinta se sale de la punta de la boquilla.
      Nota: Un caudal más pequeño puede resultar en un modelo más pequeño de ancho. Sin embargo, puede provocar rotura de la línea. La relación inversa entre el grosor de línea y la continuación de la línea se debe considerar cuando se determina la tasa de flujo blanco.
9. Aplique tensión
   1. Conecte la fuente de voltaje de CC en el conector de la boquilla y conectar la tensión de tierra para el soporte del sustrato.
   2. Aumentar la tensión gradualmente a 1,5 kV.
      Nota: Puesto que la distancia de enfrentamiento está en el rango de unos pocos milímetros, la tensión podría aumentar hasta 2 kV, que es mayor que de DOD EHD jet impresión. Sin embargo, una tensión superior a 2 kV debe evitarse ya que puede dañar el material funcional, especialmente Ag pasta tinta, agregar a la solución de polímero. En general, una tensión más baja se recomienda cuando se requiere una línea impresa más fina. Sin embargo, las líneas impresas podrían ser fácilmente desconectadas cuando se usa un bajo voltaje, porque la fuerza de tracción para la impresión de tinta continua se relaciona con la tensión de CC. Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas, recomendamos el uso de una tensión desde 1 kV 2 kV.
10. Iniciar la impresión inactiva con una velocidad de impresión de 300 mm/s por más de 10 min obtener un flujo de estado estacionario. Ajustar los parámetros de impresión como la tasa de flujo y voltaje DC durante la impresión inactiva para obtener los resultados de impresión deseados.
    Nota: Impresión de inactividad de más de 10 minutos es necesaria para obtener un flujo de estado estacionario porque la tinta viscosa puede ser comprimida en la tubería larga durante la entrega de la tinta a la punta de la boquilla. Sin impresión en ralentí, la anchura de la línea impresa puede cambiar con el tiempo. El ralentí de impresión, por lo tanto, debe lo mismo que la velocidad real de impresión para que los parámetros que echa en chorro se pueden ajustar durante la impresión. De esta manera, la tensión se ajusta durante la impresión inactiva para obtener el ancho de la línea de meta. Tenga en cuenta que la tasa de flujo y voltaje DC deben ser equilibrados, por lo que la cantidad de tinta impulsada por la bomba de la jeringuilla puede ser igual a la cantidad de tinta tirada hacia abajo por el campo eléctrico.
11. Elija el patrón de la impresión, como una línea y red de patrones continuos.
    Nota: Puesto que la fibra producida puede ser desviada fácilmente y puede ser depositada al azar debido a la fuerza de repulsión de carga generada por las líneas impresas, la velocidad de impresión debe ser mayor a 300 mm/s para alinear el patrón con las instrucciones de impresión y la espaciado entre las líneas impresas se recomienda que más de 100 μm para imprimir los patrones ceñidor o línea.
12. Imprimir el patrón seleccionado en el sustrato utilizando parámetros predeterminados de impresión.
    Nota: Un proceso de sinterización podría ser necesario para obtener las funciones objetivo de los patrones impresos, que está fuera del alcance de este documento.

Resultados

Impresión de drop-on-demand basada en punto:
Impresión de DOD se basa en una gotita chorro por un disparador que echa en chorro. Para producir DOD, chorro de tinta de baja viscosidad con una viscosidad de aproximadamente 10 cP debe utilizarse. El requisito de la tinta para la impresión de DOD EHD es similar a la de la tinta DOD convencional, como es el método de impresión de EHD para la tinta convencional de DOD. En el caso de impresión de inyección de tinta convencion...

Discusión

En este protocolo, nos centramos en patrones finos usando tinta de AgNP con dos modos de impresión: impresión de DOD EHD y NFES. Sin embargo, el jet EHD impresión aplicación no se limita a la tinta conductiva mediante AgNP. Aquí, discutimos los lineamientos generales para la selección de la tinta, la configuración del sistema y otros parámetros de impresión necesarias para utilizar jet EHD para los varios usos del fino-patrón de impresión.

El primer y más importante paso para la impresión de E...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Sistema de impresión integrado EHD	Psolution Ltd., Corea del Sur	PS300
Harima Ag Tinta de nanopartículas	Harima Inc., Japón	Harima NPS-JL	Ag contenido sólido: ~ 53 % en peso, Viscosidad: ~ 10 cP, Tensión superficial: ~30 mN/m
Capilar de vidrio	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Diámetro interior: 1 mm; Se utiliza para fabricar boquillas para la impresión por chorro DOD EHD con extractor térmico
Extractor térmico de boquilla	Sutter Instrument, EE. UU.	Sutter P-1000
(sustrato de vidrio)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Alemania	10 006 12	Dimensiones (largo x ancho x alto): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Agitador magnético	Barnstead Thermolyne Corp., EE. UU	Cimarec SP131635
Agitador	de vórticeJeiotech, Corea del Sur	Laboratorio Compañero VM-96T
Ag nanopaste	NPK, Corea del Sur	ES-R001	Ag Contenido sólido: ~85.5 % en peso, Viscosidad: ~11000 cP
Óxido de polietileno (PEO)	Sigma-Aldrich, EE. UU	372773-500G	Mw = 400000
Etanol	Sigma-Aldrich, EE. UU	459836-500ML