Alta risoluzione Patterning utilizzando due modalità di idrodinamiche Jet: Drop on Demand e Near-field elettrofilatura

Sommario

Qui, presentiamo un protocollo per produrre modelli conduttivi ad alta risoluzione utilizzando la stampa idrodinamiche (EHD) getto. Il protocollo include due modalità di stampa di EHD getto: il continuo elettrofilatura di campo vicino (NFES) e la stampa di EHD (DOD) drop-on-demand basata su dot.

Abstract

Stampa idrodinamiche (EHD) getto ha attirato l'attenzione in vari campi perché può essere utilizzato come uno strumento ad alta risoluzione e basso costo diretto patterning. Stampa di EHD utilizza un fornitore fluidico per mantenere il menisco estruso spingendo l'inchiostro dalla punta dell'ugello. Il campo elettrico viene quindi utilizzato per tirare il menisco giù per il substrato per produrre modelli ad alta risoluzione. Due modalità di stampa di EHD sono stati utilizzati per fine Incartonatura: continuo a campo elettrospinning (NFES) e stampa di EHD (DOD) drop-on-demand basata su dot. Secondo le modalità di stampa, i requisiti per la viscosità dell'inchiostro e apparecchiature di stampa variano. Anche se due diverse modalità possono essere implementati con una sola stampante EHD, i metodi di realizzazione differiscono significativamente in termini di inchiostro, sistema fluidico e tensione di guida. Di conseguenza, senza una corretta comprensione dei requisiti e dei limiti jetting, è difficile ottenere i risultati desiderati. Lo scopo di questa carta è di presentare una guida di riferimento affinché i ricercatori inesperti possono ridurre gli sforzi di tentativi ed errori per usare il getto EHD per loro specifico di ricerca e scopi di sviluppo. Per illustrare l'implementazione di multa-patterning, usiamo inchiostro nanoparticella Ag per la campitura conduttiva nel protocollo. Inoltre, siamo presenti anche le linee guida stampa generalizzate che possono essere utilizzate per altri tipi di inchiostro per varie applicazioni di multa-patterning.

Introduzione

Stampa di EHD getto è stato ampiamente usato in vari settori, quali elettronica stampata, biotecnologie e applicazioni di materiali avanzate, perché è in grado di dirigere ad alta risoluzione e basso costo patterning¹. La larghezza di riga stampata o la dimensione del punto stampato potrebbe essere ridotto a 1 µm, che è sensibilmente inferiore a quella delle convenzionali basati su piezo inkjet stampa¹.

Nella stampa di EHD, una piccola porzione di inchiostro (o menisco) è spinto fuori la punta ugello e mantenuta controllando il flusso tasso^1,2,3,4,5 o la pressione dell'aria positiva^{1 ,6,7}. Il menisco estruso paga e può facilmente essere tirato giù dalla punta dell'ugello al substrato da un campo elettrico, come mostrato nella Figura 1. Il menisco conico è formato durante il getto, producendo un flusso di inchiostro molto più sottile rispetto alla dimensione dell'ugello.

Figura 1: stampa EHD. La figura mostra il principio di stampa EHD getto. Inchiostro è spinto tramite pressione e tirato via un campo elettrico per formare un menisco estruso dall'ugello. Quindi, la carica dell'inchiostro può essere facilmente con idromassaggio al substrato tramite un controller di dominio o tensione di impulso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Anche se una sola stampante EHD può essere utilizzata per due diverse modalità, vicino a campo elettrospinning (NFES) e stampa a getto di drop-on-demand (DOD) EHD, i metodi di realizzazione differiscono significativamente in termini di inchiostro, sistema fluidico e guida tensione^{1 , 2 , 3}. ad esempio, NFES^4,5 utilizza un inchiostro relativamente alto-viscoso [più di 1.000 centipoise (cP)] per formare motivi continui micro-linea con stampa ad alta velocità fino a 1 m/s. D'altra parte, DOD EHD jet stampa^6,7,8 usi inchiostro viscoso basso con una viscosità di circa 10 cP per stampare modelli complessi basati su dot con una stampa di bassa velocità meno di 10 mm/s.

Poiché il requisito per ciascuna modalità è significativamente differente, può essere difficile per i ricercatori inesperti per ottenere i risultati desiderati. Il "know-how" empirico potrebbe essere importante nella pratica. Per aiutare i ricercatori ad abituare i metodi di stampa, vi presentiamo EHD stampa di protocolli per la modellatura conduttivo bene usando inchiostro di nanoparticella Ag. Tuttavia, abbiamo aggiunto commenti ai protocolli di modo che essi non sono limitati a una campitura conduttivo usando inchiostro di nanoparticelle di Ag. Preparazione e stampa le linee guida vengono infine presentate nella sezione discussione.

Protocollo

Per motivi di salute e sicurezza, prima di utilizzare qualsiasi inchiostro e soluzione di pulizia consultare il foglio di dati materiale di sicurezza (MSDS).

1. drop-on-demand idrodinamiche Jet stampa utilizzando inchiostro delle nanoparticelle d'argento

1. Riempire l'inchiostro filtrato delle nanoparticelle d'argento (AgNP) nel serbatoio dell'inchiostro del sistema di stampa EHD.
   Nota: Disponibili in commercio AgNP inchiostro può essere utilizzato per lo scopo a getto d'inchiostro. L'inchiostro deve avere una viscosità di circa 10 cP e una tensione superficiale di 20 ~ 40 mN/m a ottenere jetting drop-on-demand.
2. Rendere un ugello per la stampa di DOD EHD utilizzando un estrattore termico.
   1. Posizionare un bicchiere capillare [Diametro interno (ID) di 1 mm] nella levetta di regolazione termica.
   2. Impostare i parametri dell'estrattore della termica; per esempio, la temperatura di riscaldamento nella gamma di 580-590 ° C e una trazione velocità di circa 18 mm/s.
      Nota: I parametri per la levetta di regolazione termica devono essere diversa secondo l'ID di destinazione dell'ugello e delle condizioni ambientali.
   3. Azionare la levetta di regolazione termica con i parametri impostati per applicare calore al centro del vaso capillare e tirare a entrambe le estremità per fare un ugello con un ID di 5 µm.
      Nota: Determinare le dimensioni dell'ugello ID sulla base delle dimensioni del punto di destinazione sul substrato. Per riferimento, l'ID di ugello 5 µm potrebbe stampare 5 µm e medie punti.
   4. Regolare la lunghezza di ugello di vetro tagliando il vetro ugello tramite un tagliavetro.
3. Montare l'ugello portaugello e il connettore, che sono collegati al tubo serbatoio tramite politetrafluoroetilene (PTFE) di inchiostro.
4. Applicare la pressione dell'aria per la fornitura di inchiostro alla punta dell'ugello.
   1. Accendere il regolatore di pressione atmosferica e applicare pressione d'aria di 15 ~ 20 kPa per il serbatoio di inchiostro per la fornitura di inchiostro alla punta dell'ugello. Monitorare il flusso di inchiostro attraverso il vetro trasparente ugello e tubi per garantire che nessun aria è intrappolato dentro il tubo e l'ugello quando si fornisce l'input penna. Mantenere l'applicazione pressione dell'aria nel serbatoio di inchiostro fino a quando l'inchiostro è visualizzato sulla punta dell'ugello.
      Nota: Non riducono la pressione prima che l'inchiostro venga visualizzato sulla punta dell'ugello perché che potrebbe causare un intrappolamento di bolla di aria all'estremità dell'ugello.
   2. Ridurre la pressione a circa 12 kPa per mantenere il menisco estruso senza qualsiasi inchiostro gocciolante dalla punta dell'ugello.
      Nota: La pressione dell'aria dipende la viscosità di dimensione e inchiostro di ugello. Non aumentare la pressione dell'aria per più di 30 kPa per evitare la compressione eccessiva aria, che è indesiderabile per il mantenimento del menisco in condizioni stabili.
5. Fissare la testa ugello montato nel sistema di stampa.
6. Posizionare un substrato di vetro su mandrino vuoto del titolare del substrato e accendere la pompa del vuoto per tenere il substrato.
7. Spostare il palcoscenico dell'asse z per regolare la distanza (H) — il divario tra la punta dell'ugello e la posizione di substrato — a circa 100 µm. utilizzare l'immagine di vista laterale acquisita dalla fotocamera monitoraggio per stimare la distanza utilizzando la distanza dalla punta ugello alla sua riflessione, come mostrato nella Figura 2.
   Nota: Una più piccola distanza conduce ad un più elevato campo elettrico, che potrebbe facilitare la stampa una bassa tensione DC e impulso per trivellazione a getto. Tuttavia, una distanza inferiore potrebbe portare a gocce più grandi. Di conseguenza, l'entità delle tensioni deve essere ridotta opportunamente per ottenere le dimensioni del punto desiderato. In generale, l'uso di una tensione più bassa è consigliato per ottenere più piccoli i punti stampati con meno di spruzzatura. Tuttavia, è necessaria un'attenta operazione in se la distanza diventa inferiore a 50 µm, a causa della maggiore probabilità di rottura di ugello di collisione con il substrato. Considerando il rapporto di trade-off tra capacità jetting e affidabilità, si consiglia l'uso di una distanza di 100 µm.

Figura 2: regolazione Stand-off distanza utilizzando lato vista fotocamera immagine. L'immagine di ugello da una macchina fotografica di vista laterale consente di stimare la distanza. La distanza (H) dalla punta dell'ugello al substrato può essere facilmente stimata come metà della distanza dalla punta dell'ugello alla sua ombra. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

8. Applicare Tensioni DC e pulse
   Nota: Le tensioni DC e impulso possono essere controllata tramite il software di stampa.
   1. Aumentare gradualmente la tensione DC fino a quando le gocce di inchiostro dalla punta dell'ugello.
      Nota: Non applicare la tensione di destinazione in una sola volta. La tensione incrementale deve essere inferiore a 100 V in un momento. Nel complesso, non applicare una tensione continua di più di 600 V.
   2. Ridurre leggermente la tensione DC fin dall'inizio tensione DC fino a quando non viene osservata alcuna ulteriore inchiostro gocciolamento dall'ugello.
      Nota: Dopo la regolazione della pressione pneumatica e tensione di CC, il menisco deve essere in una forma appropriata per getto come mostrato in Complementare figura S1.
   3. Impostare una tensione di impulso negativo con i parametri di t_aumento = 0 ~ 100 µs, t_dimorare = 300 µs e t_cadere = 0 µs⁷ (Figura 3) nel menu del software.
   4. Applicare la tensione di impulso negativo al titolare del substrato. Quindi, regolare l'ampiezza della tensione di impulso, V_impulso, per produrre una gocciolina per tensione di impulso singolo.
      Nota: L'ampiezza della tensione di impulso negativo, V_impulso, dovrebbe essere inferiore a 600 V.
   5. Regolare le tensioni di sfondo e impulso di CC per ottenere la dimensione delle gocce di destinazione sul substrato osservando i punti idromassaggio sul substrato nell'immagine della telecamera di vista laterale.
      Nota: Per produrre piccoli punti con meno spruzzatura sul substrato, l'ampiezza della tensione di impulso, V_impulso, dovrebbe essere più basso possibile.

Figura 3: tensione di impulso per DOD EHD jetting. L'uso di tensione di forma d'onda trapezoidale è consigliato per produrre DOD EHD jetting⁷. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

9. Modelli di stampa
   Nota: Due tipi diversi di modelli possono essere utilizzati per la stampa di DOD EHD: bitmap immagine e (CAD)-basato su informazioni vettoriali. Immagine bitmap è stato ampiamente utilizzato nella stampa a getto d'inchiostro DOD-basato. Tuttavia, nel caso di applicazioni di elettronica stampata, informazioni basate su CAD vettoriale ha vantaggi rispetto basato su DOD inkjet stampa, perché è efficiente in stampa basata su linea utilizzando una singola testa EHD. Allo stesso tempo, le informazioni di vettore possono essere convertite in un'immagine bitmap per la stampa di immagini bitmap.
   1. Stampa di immagini bitmap
      1. Caricare un'immagine bitmap nella scheda stampa del software stampa e convertirlo in un'immagine binaria.
      2. Impostare i parametri per la stampa di immagine binaria. Per esempio, è possibile impostare l'intervallo di goccia (cioè, la distanza tra 2 pixel consecutivi) a 10 µm.
         Nota: L'immagine bitmap non dispone di qualsiasi dimensioni fisiche. Le dimensioni fisiche dell'immagine stampata saranno correlate all'intervallo di goccia. Ad esempio, l'immagine stampata diventa più grande se viene utilizzato un intervallo superiore di goccia. Nella stampa a getto d'inchiostro convenzionale, punti per pollice (DPI) sono stato comunemente utilizzato per questo scopo. Tuttavia, dovrebbe essere notato che un più piccolo DPI significa un intervallo superiore di goccia. Al fine di determinare l'intervallo di goccia, dovrebbe essere considerata la dimensione di punto stampato. In generale, l'intervallo di goccia per la stampa di EHD DOD è sensibilmente inferiore a quella della stampa a getto d'inchiostro convenzionali.
      3. Inizia a stampare utilizzando la bitmap selezionata nella posizione di destinazione nel substrato.
   2. Stampa vettoriale basato su informazioni CAD
      1. Caricare le informazioni di CAD per la stampa.
         Nota: Il formato di file DXF, ovvero informazioni basate su testo di CAD, può essere utilizzato per le informazioni di stampa.
      2. Impostare i parametri per la stampa vettoriale; ad esempio, è possibile impostare l'intervallo di goccia 3 µm e la frequenza di trivellazione a getto a 10 Hz.
         Nota: Per stampare i modelli della linea collegata, l'intervallo di caduta dovrebbe essere scelto affinché adiacenti depositato gocce si sovrappongono leggermente. Tuttavia, troppa sovrapposizione può provocare una maggiore larghezza di linea. Una sovrapposizione di circa il 30% è raccomandata per qualsiasi pratica linea di stampa. Nel caso di vettore stampa, la velocità di movimento (v) la seguente equazione.
         v = f × d
         Qui,
         d = l'intervallo di goccia, e
         f = frequenza jetting.
      3. Stampare i modelli caricati sul substrato utilizzando i parametri di stampa pre-determinati, ad esempio l'intervallo di goccia, la velocità di stampa, la tensione, ecc.
         Nota: Dopo la stampa, un processo di sinterizzazione potrebbe essere necessaria per ottenere la desiderata conducibilità dei modelli stampati, che esula dallo scopo di questa carta.

2. fine linea conduttiva Patterning utilizzando Near-field elettrofilatura

1. Fare campo vicino elettrofilatura (NFES) inchiostro per la stampa di linea conduttiva.
   1. Mescolare etanolo ed acqua deionizzata (DI) con un rapporto di volume 3 (etanolo) a 1 (DI acqua) per preparare solvente 1. Per esempio, mix 9 ml di etanolo e 3 ml di acqua per fare 12 ml di solvente 1.
   2. Mescolare 0,3 g di poli (ossido di etilene) (PEO, M_wt = 400.000) e 9,7 g di solvente preparato 1 per ottenere una soluzione di polimero con 3% in peso di PEO di agitazione, con un agitatore magnetico per più di 6 ore a temperatura ambiente (25 ° C).
   3. Incolla mix Ag nano inchiostro, che ha una viscosità di circa 11.000 cP e la soluzione di polimero preparato, con un rapporto di peso di 5 (inchiostro di Incolla nano Ag) a 1 (soluzione di polimero) utilizzando un miscelatore vortex per 10 min per ottenere l'inchiostro per NFES. Ad esempio, 10 g di Ag nano incollare l'input penna e 2 g di soluzione di polimero possono essere miscelati per ottenere l'inchiostro NFES.
      Nota: In questo protocollo, il rapporto di miscelazione materiali è generalmente più importante che l'importo specifico dei materiali. Commercialmente disponibile Ag nano incollare l'inchiostro per scopi di stampa dello schermo, che ha il contenuto solido Ag del circa 85,5% in peso, può essere utilizzato per questo scopo. Nota che la scelta del solvente e del polimero poteva differire basato sulla composizione dell'inchiostro utilizzato.
2. Riempire l'inchiostro NFES preparato nella siringa.
3. Collegare la siringa con un ugello tramite il tubo di collegamento.
   Nota: Un ago di siringa disponibile in commercio con un ID di 100 µm può essere utilizzato per l'ugello.
4. Fornire l'inchiostro all'ugello spingendo manualmente la siringa.
5. Installare la siringa nel motore siringa, che è collegato al sistema di stampa.
6. Posizionare un substrato il mandrino vuoto e accendere la pompa del vuoto per tenere il substrato durante la stampa.
7. Controllare la posizione Z (fase) per regolare la distanza.
   Nota: La distanza consigliata per il contrappeso deve essere circa 2 mm, che è una distanza di stand-off significativamente inferiore rispetto a quello usato con convenzionale elettrofilatura.
8. Regolare la portata
   1. Azionare la pompa a siringa per riempire l'inchiostro NFES all'Assemblea di ugello e generare un flusso d'inchiostro con un tasso di flusso iniziale di 50 µ l/min, che è superiore al tasso di flusso di destinazione.
   2. Impostare una velocità di flusso di destinazione di 1 µ l/min quando l'inchiostro fuoriesce dalla punta dell'ugello.
      Nota: Un minore tasso di flusso può comportare una larghezza inferiore del reticolo. Tuttavia, potrebbe causare rotture di linea. Il trade-off tra la larghezza di linea e la continuazione della linea dovrebbe essere considerato quando viene determinato il tasso di flusso di destinazione.
9. Applicare tensione
   1. Collegare la fonte di tensione di CC al connettore ugello e la tensione di terra al titolare del substrato.
   2. Aumentare la tensione DC gradualmente a 1,5 kV.
      Nota: Poiché la distanza è nel range di pochi millimetri, la tensione DC potrebbe essere aumentata fino a 2 kV, che è superiore che di DOD EHD jet stampa. Tuttavia, una tensione superiore a 2 kV dovrebbe essere evitato, poiché potrebbe danneggiare il materiale funzionale, soprattutto Ag incollare l'input penna, aggiunto alla soluzione di polimero. In generale, una bassa tensione di CC è consigliata quando è necessaria una più sottile linea stampata. Tuttavia, le righe stampate potrebbero essere facilmente disconnesso quando viene utilizzata una bassa tensione, perché la forza di trazione per la stampa di inchiostro continuo è relativo alla tensione DC. Considerando il trade-off, si consiglia l'uso di una tensione DC da 1 kV a 2 kV.
10. Avviare la stampa inattiva con una velocità di stampa di 300 mm/s per più di 10 minuti ottenere un flusso stazionario. Regolare i parametri di stampa come il tasso di flusso e tensione DC durante la stampa inattiva per ottenere i risultati di stampa desiderati.
    Nota: Per ottenere un flusso stazionario, in quanto l'inchiostro viscoso può essere compresso nel tubo lungo durante la consegna di inchiostro alla punta dell'ugello è necessaria inattività stampa di più di 10 min. Senza stampa inattivo, la larghezza di riga stampata potrebbe cambiare con il tempo. La velocità di stampa inattiva dovrebbe, così, essere lo stesso come la velocità di stampa effettiva affinché i parametri del getto possono essere regolati durante la stampa. In questo modo, la tensione viene regolata durante la stampa inattiva per ottenere la larghezza di riga di destinazione. Notare che la portata e la tensione DC dovrebbe essere equilibrate, in modo che la quantità di inchiostro spinto dalla pompa siringa può essere uguale alla quantità di inchiostro tirato giù dal campo elettrico.
11. Scegliere il modello di stampa, ad esempio un pattern continuo di linea e grid.
    Nota: Poiché la fibra prodotta può facilmente essere deviata e possa essere depositata in modo casuale a causa della forza di repulsione di carica generata da righe stampate, la velocità di stampa deve essere maggiore di 300 mm/s per allineare il reticolo con le indicazioni di stampa e la spaziatura tra le righe stampate consiglia di essere più di 100 µm per stampare i motivi di cingere o linea.
12. Stampare il modello selezionato sul substrato utilizzando i parametri di stampa pre-determinati.
    Nota: Un processo di sinterizzazione potrebbe essere necessaria per ottenere le funzionalità di destinazione dei modelli stampati, che esula dallo scopo di questa carta.

Risultati

Stampa di drop-on-demand basata su dot:
Stampa di DOD è basata su una gocciolina jetting a un trigger di trivellazione a getto. Per produrre DOD jetting, bassa viscosità dell'inchiostro con una viscosità di circa 10 cP deve essere utilizzato. Il requisito di inchiostro per la stampa di EHD DOD è simile a quella delle convenzionali DOD a getto d'inchiostro, come è il metodo di stampa EHD a che il getto d'inchiostro DOD convenzionale. Nel caso di stampa inkjet convenzion...

Discussione

In questo protocollo, ci concentriamo sulla multa modelli usando inchiostro di AgNP con due modalità di stampa: stampa di DOD EHD e NFES. Tuttavia, il getto EHD applicazione di stampa non è limitato all'inchiostro conduttivo utilizzando AgNP. Qui, discuteremo le linee guida generali per la selezione di inchiostro, la configurazione del sistema e altri parametri di stampa necessari per utilizzare la stampa per varie applicazioni di multa-modello a getto EHD.

Il primo e più importante passo per ...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Sistema di stampa integrato EHD	Psolution Ltd., Corea del Sud	PS300
Harima Ag Inchiostro nanoparticellare	Harima Inc., Giappone	Harima NPS-JL	Ag contenuto solido: ~ 53 wt%, Viscosità: ~10 cP, Tensione superficiale: ~30 mN/m
Capillare in vetro	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Diametro interno: 1 mm; Utilizzato per realizzare ugelli per la stampa a getto DOD EHD utilizzando l'estrattore termico
Estrattore termico dell'ugello	Strumento Sutter, USA	Vetrini per microscopio Sutter P-1000
(sottuso di vetro)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Germania	10 006 12	Dimensioni (L x P x A): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Agitatore magnetico	Barnstead Thermolyne Corp., USA	Agitatore
	Jeiotech, Corea del Sud	Lab Companion VM-96T
Ag nanopasta	NPK, Corea del Sud	ES-R001	Ag contenuto solido: ~85,5 in peso%, viscosità: ~11000 cP
Ossido di polietilene (PEO)	Sigma-Aldrich, USA	372773-500G	Mw = 400000
Etanolo	Sigma-Aldrich, USA	459836-500ML