Haute résolution en utilisant deux Modes de Jet électrohydrodynamique le Patterning : Drop on Demand et contigu électrofilage

Résumé

Nous présentons ici un protocole pour produire des motifs conducteurs à haute résolution en utilisant l’impression électrohydrodynamique (EHD) jet. Le protocole comprend deux modes d’impression DHM jet : le continu contigu électrofilage (réalisation) et l’impression drop-on-demand (DOD) DHM en dot.

Résumé

Impression d’électrohydrodynamique (EHD) jet a attiré l’attention dans différents domaines car il peut être utilisé comme un outil de modélisation directe à haute résolution et à faible coût. DHM impression utilise un fournisseur fluidique pour maintenir le ménisque extrudé en poussant l’encre de la buse. Le champ électrique est ensuite utilisé pour retirer le ménisque vers le bas pour le substrat pour produire des modèles à haute résolution. Deux modes d’impression DHM ont été utilisés pour la modélisation fine : continu contigu électrofilage (réalisation) et point-drop-on-demand (DOD) DHM impression. Selon les modes d’impression, les exigences pour la viscosité de matériel et de l’encre d’impression seront différente. Même si les deux modes peuvent être implémentées avec la même imprimante DHM, les méthodes de réalisation significativement différent en termes d’encre, système fluidique et tension motrice. En conséquence, sans une bonne compréhension des exigences et des limites jet, il est difficile d’obtenir les résultats souhaités. Le but de cet article est de présenter une directive afin que les chercheurs inexpérimentés peuvent réduire les efforts de tâtonnements pour utiliser le jet de JEP pour leur recherche spécifique et des fins de développement. Pour illustrer la mise en œuvre de l’amende-structuration, nous utiliser Ag NANOPARTICULE d’encre pour la structuration conductrice dans le protocole. En outre, nous présentons aussi les directives d’impression généralisées qui peuvent être utilisés pour d’autres types d’encre pour diverses applications de l’amende-structuration.

Introduction

Impression jet DHM a été utilisée dans divers domaines, tels que l’électronique imprimée, la biotechnologie et des applications matérielles avancées, parce qu’il est capable de haute résolution et à faible coût direct¹le patterning. La largeur de la ligne imprimée ou point imprimé taille pourrait être réduit à 1 µm, ce qui est nettement inférieur à celui du classique axée sur le piezo impression jet d’encre¹.

Dans l’imprimerie DHM, une petite partie de l’encre (ou de ménisque) est Poussée hors de la buse et entretenue en contrôlant le débit taux^1,2,3,4,5 ou la pression d’air positive^{1 ,6,7}. Le ménisque extrudé est chargé et peut être tiré facilement vers le bas de la buse au substrat par un champ électrique, comme illustré à la Figure 1. Le ménisque conique est formé lors du curage, produisant un flux d’encre beaucoup plus mince que la taille de la buse.

Figure 1 : impression DHM. La figure montre le principe de l’impression jet DHM. Encre est poussé par la pression et pressée par un champ électrique pour former un ménisque extrudé de la buse. Ensuite, l’encre chargée peut être facilement jets au substrat par un contrôleur de domaine ou tension d’impulsion. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Même si une seule imprimante DHM peut être utilisée pour deux modes différents, champ proche électrofilage (réalisation) et d’impression à jet drop-on-demand (DOD) DHM, les méthodes de réalisation diffèrent considérablement en termes d’ink, SYSTEME fluidique et motrice tension^{1 , 2 , 3}. par exemple, réalisation de^4,5 utilise une encre haute relativement visqueux [plus de 1 000 centipoises (cP)] pour former des motifs micro-ligne continuels avec impression à grande vitesse jusqu'à 1 m/s. En revanche, DOD EHD jet impression^6,7,8 utilisations encre bas visqueux avec une viscosité d’environ 10 cP à imprimer axée sur le dot des motifs complexes avec une impression de faible vitesse inférieure à 10 mm/s.

Comme l’obligation pour chaque mode est significativement différente, il peut être difficile pour les chercheurs inexpérimentés d’obtenir les résultats souhaités. Le « savoir-faire » empirique peut être important dans la pratique. Pour aider les chercheurs à s’habituer aux méthodes d’impression, nous présentons DHM protocoles pour fine structuration conductrice à l’Ag NANOPARTICULE encre d’impression. Cependant, nous avons ajouté des commentaires aux protocoles afin qu’ils ne se limitent pas à une structuration conductrice à l’encre de nanoparticules Ag. Enfin, d’impression et de la préparation de lignes directrices sont présentées dans la section « discussion ».

Protocole

À des fins de santé et de sécurité, avant l’utilisation de l’encre et nettoyage solution, reportez-vous à la fiche signalétique (FS).

1. drop-on-demand électrohydrodynamique Jet impression à l’aide d’encre argentée de nanoparticules

1. Remplissez l’encre NANOPARTICULE argent filtrée (AGP) dans le réservoir d’encre du système d’impression DHM.
   Remarque : Disponible dans le commerce AGP encre peut être utilisé dans le but de jet d’encre. L’encre doit avoir une viscosité d’environ 10 cP et une tension de surface de 20 ~ 40 mN/m pour obtenir la goutte à la demande par jet.
2. Faire une buse pour l’impression de DOD EHD en utilisant un extracteur thermique.
   1. Placer un verre capillaire [diamètre intérieur (ID) de 1 mm] dans l’extracteur thermique.
   2. Réglez les paramètres de l’extracteur de thermique ; par exemple, la température de chauffage de l’ordre de 580-590 ° C et une traction vitesse d’environ 18 mm/s.
      Remarque : Les paramètres pour l’extracteur thermique devraient diffèrent selon l’ID de buse cible et des conditions ambiantes.
   3. Faire fonctionner l’extracteur thermique avec paramètres à appliquer la chaleur au centre du capillaire et tirez sur les deux de ses extrémités pour faire une buse avec un ID de 5 µm.
      Remarque : Déterminez la taille de la buse ID selon la taille de point de cible sur le substrat. Pour référence, l’ID de la buse de 5 µm pouvait imprimer 5 µm taille points.
   4. Ajustez la longueur de buse de verre en coupant le verre buse via un coupe-verre.
3. Monter la buse sur le porte-buse et le connecteur, qui sont reliés au tuyau d’encre réservoir via le polytétrafluoroéthylène (PTFE).
4. Appliquer la pression d’air d’alimentation d’encre jusqu'à l’extrémité de la buse.
   1. Allumez le régulateur de pression d’air et d’appliquer la pression d’air de 15 ~ 20 kPa au réservoir d’encre d’encre jusqu'à l’extrémité de la buse. Surveiller l’écoulement de l’encre à travers le verre transparent embout et le tube pour s’assurer qu’aucun flux d’air n’est pris au piège à l’intérieur du tube et la buse lorsqu’ils fournissent l’encre. Continuer d’appliquer la pression d’air dans le réservoir d’encre, jusqu'à ce que l’encre apparaît à l’extrémité de la buse.
      Remarque : Ne réduisent pas la pression avant que l’encre s’affiche à l’extrémité de la buse, parce que cela aurait causé air bulle provocation policière à l’extrémité de la buse.
   2. Réduire la pression à environ 12 kPa pour maintenir le ménisque extrudé sans n’importe quelle encre dégoulinant de la buse.
      Remarque : La pression d’air adéquate dépend de la viscosité de taille et de l’encre de buse. Ne pas augmenter la pression de l’air à plus de 30 kPa pour éviter la compression de l’air excessive, qui n’est pas souhaitable de maintenir le ménisque dans un état stable.
5. Fixer la tête de buse assemblé dans le système d’impression.
6. Placer un substrat de verre du mandrin sous vide de la porte-substrat et tourner sur la pompe à vide pour tenir le substrat.
7. Déplacer la scène de l’axe z pour régler la distance d’affrontement (H) — l’écart entre la buse et la position de substrat, d’environ 100 µm. utiliser l’image de vue latérale acquise par la caméra de surveillance pour estimer la distance d’affrontement en utilisant la distance entre le buse à son reflet, comme illustré à la Figure 2.
   Remarque : Une petite impasse distance conduit à un champ électrique plus élevé, qui pourrait faciliter l’impression avec une tensions inférieures de DC et d’impulsion pour le nettoyage au jet. Cependant, une plus faible distance d’impasse pourrait conduire à grandes gouttes. Par conséquent, l’ampleur des tensions devrait être réduit en conséquence pour obtenir la taille désirée dot. En général, l’utilisation d’une tension inférieure est recommandée pour obtenir des petits imprimés points avec moins de pulvérisation. Toutefois, une opération minutieuse est nécessaire si la distance d’affrontement devient inférieur à 50 µm, en raison de la plus grande chance de la rupture de la buse par collision avec le substrat. Compte tenu de la relation de compromis entre la capacité de projection et de la fiabilité, nous recommandons l’utilisation d’une distance d’impasse de 100 µm.

Figure 2 : Stand-off le réglage de distance à l’aide d’images de caméra de vue côté. L’image de buse provenant d’une caméra de vision latérale peut être utilisée pour estimer la distance d’affrontement. L’impasse distance (H) entre la buse et le substrat peut être facilement estimée comme la moitié de la distance de l’extrémité de la buse à son ombre. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

8. S’appliquent Tensions DC et le pouls
   Remarque : Les tensions DC et le pouls peuvent être contrôlé via le logiciel d’impression.
   1. Augmentez progressivement la tension jusqu'à ce que les gouttes d’encre hors de la buse.
      Remarque : N’appliquez pas la tension de la cible à la fois. La tension supplémentaire devrait être inférieur à 100 V à la fois. Dans l’ensemble, ne pas appliquer une tension de plus de 600 V.
   2. Réduire légèrement la tension dès le début de tension continue jusqu'à ce qu’on observe aucune autre encre dégoulinant de la buse.
      Remarque : Après le réglage de la pression pneumatique et la tension continue, le ménisque doit être dans une forme appropriée pour jet comme sur la Complémentaire Figure S1.
   3. La valeur d’une tension d’impulsion négative avec les paramètres de t_montée = 0 ~ 100 µs, t_habiter = 300 µs et t_l’automne = µs 0⁷ (Figure 3) dans le menu du logiciel.
   4. Appliquer la tension d’impulsion négative sur le porte-substrat. Ensuite, réglez l’amplitude de la tension d’impulsion, V_impulsion, pour produire une goutte par tension d’impulsion unique.
      Remarque : L’amplitude de la tension d’impulsion négative, V_impulsion, doit être inférieure à 600 V.
   5. Régler les tensions continues de fond et le pouls pour obtenir la taille cible des gouttelettes sur le substrat tout en observant les points jets sur le substrat à l’image de la caméra de vue côté.
      Remarque : Pour produire des petits points avec moins de pulvérisation sur le substrat, l’amplitude de la tension d’impulsion, V_impulsion, doit être aussi faible que possible.

Figure 3 : tension d’impulsion des JEP DOD jet à. L’utilisation d’une tension de forme d’onde trapèze est recommandée pour produire DOD EHD Jet⁷. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

9. Imprime les motifs
   Remarque : Deux types de modèles peuvent être utilisés pour l’impression DOD EHD : bitmap image et (CAD)-base de vecteur d’informations. Image bitmap a été largement utilisé dans l’impression jet d’encre DOD-basé. Toutefois, dans le cas d’applications de l’électronique imprimée, informations vectorielles basés sur la CAO a avantages par rapport à l’impression jet d’encre DOD-basé, car elle est efficace en ligne d’impression à l’aide d’une seule tête DHM. Dans le même temps, l’information vectorielle peut être convertie en une image bitmap pour l’impression d’image bitmap.
   1. Impression d’image bitmap
      1. Charger une image bitmap dans l’onglet impression du logiciel d’impression et le convertir en une image binaire.
      2. Définissez les paramètres pour l’impression de l’image binaire. Par exemple, définir l’intervalle de goutte (c'est-à-dire, la distance entre 2 pixels consécutifs) à 10 µm.
         Remarque : L’image bitmap n’a pas toutes les dimensions physiques. Les dimensions physiques de l’image imprimée seront liées à l’intervalle de la goutte. Par exemple, l’image imprimée s’accroît si l'on utilise un intervalle plus grand de la goutte. En impression jet d’encre classique, point par pouce (DPI) a été couramment utilisé à cette fin. Toutefois, il est à noter qu’une plus petite DPI signifie un intervalle plus grand de la goutte. Afin de déterminer l’intervalle de la goutte, on envisagera la taille imprimée dot. En général, l’intervalle de goutte pour impression DHM DOD est significativement inférieur à celui de l’impression jet d’encre classique.
      3. Démarrage de l’impression à l’aide de la bitmap sélectionnée sur l’emplacement de la cible dans le substrat.
   2. Impression de vecteur basée sur l’information CAD
      1. Charger les informations de la CAO pour l’impression.
         Remarque : Le format de fichier DXF, qui est basé sur du texte les informations de CAD, utilisable pour les informations d’impression.
      2. Définir les paramètres d’impression du vecteur ; par exemple, définir l’intervalle de chute à 3 µm et la fréquence de jet à 10 Hz.
         Remarque : Pour imprimer les modèles de la ligne connectée, l’intervalle de chute doit être choisie afin qu’adjacente déposés gouttes se chevauchent légèrement. Cependant, trop de cumul peut entraîner une plus grande largeur de la ligne. Un chevauchement d’environ 30 % est recommandé pour toute impression de ligne pratique. Dans le cas du vecteur impression, la vitesse (v) l’équation suivante.
         v = f × d
         Ici,
         d = l’intervalle de la goutte, et
         f = la fréquence haute pression.
      3. Imprimer les patrons chargés sur le substrat à l’aide des paramètres d’impression pré-déterminé, tels que l’intervalle de la goutte, la vitesse d’impression, la tension, etc.
         Remarque : Après l’impression, sintérisation pourrait devoir obtenir la conductivité souhaitée des motifs imprimés, qui déborde le cadre du présent document.

2. fine ligne conductrice Patterning à l’aide de champ proche électrofilage

1. Faire contigu électrofilage (réalisation) d’encre pour l’impression de ligne conductrice.
   1. L’éthanol et l’eau désionisée (DI) côtoient un rapport volume 3 (éthanol) à 1 (l’eau distillée) pour préparer le solvant 1. Par exemple, mélangez 9 ml d’éthanol et 3 ml de DI à l’eau pour faire 12 ml de solvant 1.
   2. Mélanger 0,3 g de poly (oxyde d’éthylène) (PEO, M_wt = 400 000) et 9,7 g du solvant préparé 1 faire une solution de polymère avec 3 % en poids de PEO par agitation, à l’aide d’un agitateur magnétique pendant plus de 6 h à température ambiante (25 ° C).
   3. Nano Ag Mix pâte d’encre, qui possède une viscosité d’environ 11 000 cP et la solution de polymère préparé, avec un ratio de poids de 5 (encre de pâte nano Ag) à 1 (solution de polymère) à l’aide d’un agitateur Vortex pendant 10 min pour obtenir de l’encre pour la réalisation. Par exemple, 10 g de nano Ag coller encre et 2 g de la solution de polymère peuvent être mélangé pour obtenir de l’encre de la réalisation.
      Remarque : Dans ce protocole, le rapport entre les mélange des matériaux est généralement plus importante que le montant précis des matériaux. Disponible dans le commerce Ag nano coller d’encre à des fins d’impression écran, qui a un contenu solide Ag d’environ 85,5 % en poids, peut être utilisé à cet effet. Notez que le choix du solvant et le polymère peut varier selon la composition de l’encre qui est utilisée.
2. Remplissez l’encre préparée de réalisation dans la seringue.
3. Connecter la seringue avec une buse via le tuyau de raccordement.
   Remarque : Une aiguille de seringue disponible dans le commerce avec un ID de 100 µm peut être utilisée pour la buse.
4. Fournir l’encre sur le manchon en poussant la seringue manuellement.
5. Installer la seringue dans le moteur de la seringue, qui est attaché au système d’impression.
6. Placer un substrat du mandrin sous vide et tourner sur la pompe à vide pour tenir le substrat pendant l’impression.
7. Contrôler la position Z (stade) pour régler la distance d’affrontement.
   Remarque : La distance d’affrontement recommandée devrait être autour de 2 mm, qui est une beaucoup plus petite impasse la distance par rapport à celle utilisée avec électrofilage classique.
8. Régler le débit
   1. Faire fonctionner la pompe de seringue pour remplir l’encre de réalisation dans l’ensemble de la buse et de générer un flux d’encre avec un débit initial de 50 µL/min, qui est plus élevé que le débit cible.
   2. Définir un débit cible de 1 µL/min lorsque l’encre s’écoule de la buse.
      Remarque : Un débit plus faible peut entraîner une plus petite largeur du motif. Toutefois, il pourrait provoquer la rupture de la ligne. On envisagera le compromis entre la largeur de la ligne et la continuation de la ligne lorsque le débit cible est déterminé.
9. Mettre sous tension
   1. Branchez la source de courant continu à l’embout et la tension au sol sur le porte-substrat.
   2. Augmenter la tension continue progressivement à 1,5 kV.
      Remarque : La distance d’affrontement étant de l’ordre de quelques millimètres, la tension pourrait être augmentée jusqu'à 2 kV, qui est plus élevé que de DOD EHD jet impression. Cependant, une tension continue supérieure à 2 kV doit être évitée car elle pourrait endommager le matériau fonctionnel, surtout Ag pâte d’encre, ajouté à la solution de polymère. En général, une faible tension DC est recommandée lorsqu’une mince ligne imprimée est requise. Toutefois, les lignes imprimées pourraient être facilement déconnectés lors de basse tension est utilisée, parce que la force de traction pour l’impression d’encre continu est liée à la tension DC. Si l'on considère les compromis, nous recommandons l’utilisation d’une tension continue comprise entre 1 kV à 2 kV.
10. Commencer l’impression de ralenti avec une vitesse d’impression de 300 mm/s pendant plus de 10 min obtenir un flux stationnaire. Ajuster les paramètres d’impression tels que le tarif RD de tension et de courant durant le tirage ralenti pour obtenir les résultats souhaités d’impression.
    Remarque : L’impression inactive de plus de 10 min est nécessaire pour obtenir un flux stationnaire car l’encre visqueuse peut être comprimé dans le tuyau long lors de la livraison d’encre jusqu'à l’extrémité de la buse. Sans impression de ralenti, la largeur de la ligne imprimée peut changer avec le temps. Le ralenti d’impression doit, donc la même que la vitesse d’impression réelle afin que les paramètres de projection peuvent être ajustés pendant l’impression. De cette façon, la tension est réglée durant le tirage ralenti pour obtenir la largeur de la ligne cible. Notez que le débit et la tension doivent être équilibrés, de sorte que la quantité d’encre, poussé par le pousse-seringue peut être égale à la quantité d’encre tiré vers le bas par le champ électrique.
11. Choisissez le modèle d’impression, tels qu’un motifs continuels de ligne et de la grille.
    Remarque : Étant donné que la fibre produite peut facilement être déviée et peut être déposée au hasard en raison de la force de répulsion des frais générée par les lignes imprimées, la vitesse d’impression doit être supérieure à 300 mm/s à aligner le modèle avec les instructions d’impression et la espacement entre les lignes imprimées est recommandé pour plus de 100 µm pour pouvoir imprimer les modèles gird ou ligne.
12. Imprimer le motif sélectionné sur le substrat à l’aide des paramètres d’impression pré-déterminé.
    Remarque : Sintérisation pourrait exigée pour obtenir les fonctionnalités de cible des motifs imprimés, qui déborde le cadre du présent document.

Résultats

Impression via le point de goutte à la demande :
Impression DOD est issue d’une gouttelette jet par un déclencheur de jet. Pour produire des DOD jetting, encre bas visqueux avec une viscosité d’environ 10 cP doit être utilisé. L’exigence de l’encre pour l’impression de l’EHD DOD est semblable à celle de la jet d’encre DOD classique, comme c’est la méthode d’impression EHD à celle de la jet d’encre DOD classique. Dans le cas de l’impression jet d’encre classique, la tec...

Discussion

Dans ce protocole, nous nous concentrons sur modèles fines à l’aide d’encre AGP avec deux modes d’impression : impression DOD DHM et réalisation. Cependant, le jet de DHM demande d’impression n’est pas limité à l’encre conductrice à l’aide d’AGP. Ici, nous allons discuter des orientations générales pour la sélection de l’encre, la configuration du système et d’autres paramètres d’impression nécessaires pour les utiliser pour diverses applications de l’amende-modèle d’impression à jet DHM.

L’ét...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Système d’impression intégré EHD	Psolution Ltd., Corée du Sud	PS300
Harima Ag Encre nanoparticulaire	Harima Inc., Japon	Harima NPS-JL	Ag teneur en solides : ~ 53 % en poids, Viscosité : ~10 cP, Tension superficielle : ~30 mN/m
Capillaire en verre	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Diamètre intérieur : 1 mm ; Utilisé pour fabriquer une buse pour l’impression jet DOD EHD à l’aide d’un extracteur thermique
Buse Extracteur thermique	Sutter Instrument, États-Unis	Sutter P-1000
(subtrate de verre)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Allemagne	10 006 12	Dimensions (L x l x T) : 76 mm x 26 mm x 1 mm
Agitateur magnétique	Barnstead Thermolyne Corp., États-Unis	Cimarec SP131635
Agitateur	VortexJeiotech, Corée du Sud	Lab Companion VM-96T
Ag nanopaste  ;	NPK, Corée du Sud	ES-R001	Teneur en solides Ag : ~85.5 wt %, Viscosité : ~11000 cP
Poly éthylène oxyde (PEO)	Sigma-Aldrich, USA	372773-500G	Mw = 400000
Ethanol	Sigma-Aldrich, USA	459836-500ML