パターン化する電気流体力学的ジェットの 2 つのモードを使用して高解像度: 需要と近傍電界紡糸ドロップ

サマリー

ここでは、電気流体力学的 (EHD) ジェット印刷を使用して高解像度の導電性パターンを生成するためのプロトコルを提案する.プロトコルには、EHD ジェット印刷の 2 つのモードが含まれています: 連続近傍電界紡糸 (NFES) およびドロップ ・ オン ・ デマンド (DOD) EHD のドットを利用した印刷です。

要約

高解像度で低コストの直接パターニング ツールとして使用できるため、電気流体力学的 (EHD) ジェット印刷は様々 な分野で注目を集めています。EHD 印刷は、ノズルの先端からインクを押して押し出しのメニスカスを維持するために流体のサプライヤーを使用します。高解像度のパターンを生成する基板にメニスカスをプルする電界が生成されます。ファインパターン用 EHD 印刷の 2 つのモードが使用されている: 連続近傍電界紡糸 (NFES) とドット ドロップ オンデマンド (DOD) EHD 印刷。印刷モードに従って印刷装置とインクの粘度のための要件が異なります。にもかかわらず、2 つのモードは、単一の EHD プリンターで実装できる、実現方法のインク、流体システムおよび駆動電圧の点で異なります。その結果、噴射の要件と制限事項の適切な理解、なし、目的の結果を得ることが困難です。本稿の目的は、経験の浅い研究者は彼らの特定の研究と開発を目的に EHD ジェットを使用する試行錯誤の努力を減らすことができますので、ガイドラインを提示することです。微細加工の実装を示すために、プロトコルの導電性パターン形成の Ag ナノ粒子インクを使用します。さらに、他の種類の様々 な微細加工アプリケーションでのインクの使用ことができます一般的な印刷ガイドラインを提案する.

概要

EHD ジェット印刷は、高解像度・低コストの直接パターニング¹対応しているので、プリンテッド ・ エレクトロニクス、バイオ テクノロジー、高度な材料用途など、様々 な分野で広く使用されています。印刷される線の太さや印刷ドット サイズ縮小できる 1 μ m、従来圧電ベース インク ジェット印刷の¹より大幅に小さいであります。

EHD 印刷インク (またはメニスカス) の小さい部分はノズル先端のプッシュやフロー率^1,2,3,4,5または肯定的な空気圧^{1 を制御することによって維持されます。 ,6,7}。押出成形のメニスカス充電して、おろすことが簡単にできるノズル先端から基板に電界、図 1に示すように。ノズルのサイズよりも薄く、インク ストリームを生成、ジェッティングの間に円錐形のメニスカスを形成する場合は。

図 1: EHD 印刷します。EHD ジェット印刷の原理を図に示します。インクが経由で圧力に押されて、ノズルから押し出された半月板を形成する電界を介して引っ張った。その後、基板を介してDC またはパルス電圧に荷電のインクを簡単にジェットバスできます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

にもかかわらず、単一の EHD プリンターは、2 つの異なるモード、近傍電界紡糸 (NFES) ドロップ オンデマンド (DOD) EHD ジェット印刷に使用できますが、実現方法のインク、流体システムおよび駆動電圧¹点で異なる^,2,3. NFES^4、5が比較的高粘度のインクを使用するたとえば、[以上 1,000 centipoises (cP)] 最大 1 m/秒の高速印刷と連続マイクロ ライン パターンを形成します。その一方で、低印刷と複雑なドット パターンを印刷する国防総省 EHD ジェット印刷^6,7,8使用低粘度インキの粘度約 10 cP 速度未満 10 mm/s です。

各モードの要件は大幅に異なるため、目的の結果を達成するために経験の浅い研究者にとって困難な場合があります。実証的な「ノウハウ」が重要な実践であります。研究者に慣れるため印刷の方法を提案する EHD Ag ナノ粒子インクを用いた導電性ファインパターン用プロトコルを印刷します。ただし、彼らは Ag のナノ粒子インクを用いた導電性パターン形成に限定されないので、プロトコルにコメントとして追加。最後に、印刷と準備のガイドラインの説明に掲載されています。

プロトコル

任意のインクを使用して、ソリューションをクリーニングする前に、健康と安全の目的は、化学物質等安全データシート (MSDS) を参照してください。

1. ドロップ ・ オン ・ デマンド電気流体力学的ジェット銀ナノ粒子インクを使用して

1. EHD 印刷システムのインクタンクでフィルター処理された銀ナノ粒子 (AgNP) インクを充填します。
   注: 市販 AgNP インクは、インク ジェットの目的のため使用できます。インク 10 程度の粘度が必要 cP と表面張力は 20 〜 40 mN/m ドロップ ・ オン ・ デマンドのジェッティングを取得します。
2. 熱の引き手を使用して DOD EHD 印刷用ノズルを作る。
   1. 熱の引き手にガラス管 [内径 (ID) 1 mm] を配置します。
   2. 熱の引き手のパラメーターを設定します。たとえば、580-590 ° C および引きの範囲で加熱温度は約 18 mm/s の高速化します。
      メモ: 熱の引き手のパラメーターは、ターゲット ノズル ID と周囲の状況によると異なる必要があります。
   3. 毛細血管のセンターで熱と id が 5 μ m のノズルに、両端にプルを適用する設定されているパラメーターと熱の引き手を動作します。
      注: は、基板上のターゲット ドット サイズに基づいてノズル ID のサイズを決定します。参考までに、5 μ m ノズル ID は 5 μ m サイズのドットを印刷できませんでした。
   4. ガラス カッター、ガラス ノズルを介して切断することによってガラスのノズルの長さを調整します。
3. ノズル ホルダーとコネクタ、ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) チューブを介してインク貯蔵所に接続されているノズルを組み立てます。
4. ノズル先端にインクを供給する空気の圧力を適用されます。
   1. 空気圧コント ローラーをオンにし、15 の空気圧を適用 〜 20 kPa インクタンク ノズル先端にインクを供給します。透明なガラスのノズルと空気がトラップされたことがないチューブとノズル内部インクを供給する場合確保するためチューブを通してインク流れを監視します。ノズル先端部にインクが表示されるまで、インクタンクに空気圧を適用するようです。
      注: は、ノズル先端の空気泡の巻き込みを起こすことがありますので、ノズル先端部にインクが表示される前に圧力を減少させない。
   2. すべてのインクをノズル先端から滴り落ちることがなく押出のメニスカスを維持するために約 12 kpa の圧力を減らします。
      注: 適切な空気圧は、ノズルのサイズ、インクの粘度に依存します。これは安定した状態で半月板を維持するために望ましくない余分な空気圧縮を回避するよりも 30 kpa の空気圧を増やさないでください。
5. 印刷システムの組み立てられたノズルのヘッドを修正します。
6. 基板ホルダーの真空チャックにガラス基板を置き、基板を保持するために真空ポンプをオンにします。
7. スタンドオフ距離 (H) を調整する z 軸ステージを移動-ノズル先端部と基板位置間のギャップ-約 100 μ m にからの距離によるスタンドオフ距離を推定する監視カメラにより獲得されるサイドビュー画像を使用、その反射は、図 2に示すようにノズルの先端。
   注: 小さいスタンドオフ距離噴射用の低直流、パルス電圧で印刷を容易にする可能性が高い電場につながります。ただし、低いスタンドオフ距離より大きい低下可能性があります。したがって、電圧の大きさは必要なドットのサイズを取得する小さく必要があります。一般に、少ない噴霧で小さい印刷ドットを取得するは、低電圧の使用の使用をお勧めします。しかし、慎重な作戦はスタンドオフ距離未満 50 μ m、基板との衝突によりノズル破損の高いチャンスのためになる場合に必要です。噴射能力と信頼性のトレードオフ関係を考慮して、100 μ m のスタンドオフ距離の使用をお勧めします。

図 2: サイド ビュー カメラ画像による距離調整スタンドオフ。サイドビュー カメラからノズルの画像は、スタンドオフ距離を推定する使用ことができます。スタンドオフ距離 (H) ノズル先端から基板には、その影にノズル先端から半分の距離として簡単に推定できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

8. 適用直流、パルス電圧
   注: 直流、パルス電圧制御を介してソフトウェアを印刷することができます。
   1. ノズルの先端からインクのしずくまで直流電圧を徐々 に上げます。
      注: ターゲットの電圧はすぐに適用されません。増分の電圧は、一度に 100 V 未満をする必要があります。全体的にみて、600 V 以上の DC 電圧は適用されません。
   2. さらにインクのノズルからボタ落ちが観測されないまで発症 DC 電圧から直流電圧を少し減らします。
      注: 空気圧と直流電圧の調整後半月板はジェッティング補助図の S1のように適切な形でする必要があります。
   3. T_上昇のパラメーターに負のパルス電圧を設定 = 0 〜 100 μ s、 tに_こだわる= 300 μ s とtの_秋= ソフトウェア ・ メニューで 0 μ 秒⁷ (図 3)。
   4. 基板ホルダーに負のパルス電圧を適用します。次に、単一のパルス電圧あたり 1 つの液滴を生成するV_パルス、パルス電圧の大きさを調整します。
      注: 負のパルス電圧、V_パルスの大きさは 600 V よりも低いはずです。
   5. サイド ビュー カメラ画像の基板にジェットバスのドットを観察しながら基板上ターゲット液滴サイズを取得する DC の背景とパルス電圧を調整します。
      注: 基板上少ない噴霧で小さなドットを生成するには、 V_パルス、パルス電圧の大きさが可能な限り低くでする必要があります。

図 3: 国防総省 EHD ジェッティングの電圧をパルスします。台形波形の電圧の使用国防総省 EHD 噴射⁷を生成する勧めします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

9. パターンを印刷します。
   注: 2 つの異なる種類のパターンは国防総省 EHD 印刷用使用できます: ビットマップ イメージと (CAD)-ベクトル情報を用いた。ビットマップ イメージは、国防総省ベースのインク ジェット印刷で広く使用されています。ただし、単一 EHD 頭を使って行ベースの印刷に効率が悪いため印刷エレクトロニクス アプリケーションの場合は CAD ベースのベクター情報、国防総省ベースのインク ジェットの印刷上の利点です。同時に、ベクトル情報をビットマップ イメージ印刷のビットマップ イメージに変換できます。
   1. ビットマップ画像の印刷
      1. 印刷ソフトウェアの印刷タブ内のビットマップ イメージを読み込み、バイナリ イメージに変換します。
      2. バイナリ イメージ印刷用パラメーターを設定します。例えば、10 μ m でドロップ間隔 (すなわち、連続した 2 ピクセルの間の距離) を設定します。
         注: ビットマップ イメージの場合、任意の物理的な寸法はありません。印刷するイメージの寸法はドロップの間隔に関連します。たとえば、印刷されたイメージが大きいドロップ間隔が使用される場合は大きくなります。従来のインク ジェット印刷のドット/インチ (DPI) はこの目的のためよく使用されています。ただし、小さい DPI が大きいドロップ間隔を意味します。ドロップ間隔を決定するために印刷されたドットのサイズを見なす必要があります。一般的には、EHD 国防総省印刷用ドロップ間隔は従来のインク ジェット印刷のそれよりも大幅に小さいです。
      3. 基板のターゲットの場所に選択したビットマップを使用して印刷を開始します。
   2. CAD 情報に基づくベクトル印刷
      1. 印刷用 CAD 情報を読み込めません。
         注: 印刷についてテキスト ベース CAD 情報は、DXF ファイル形式を使用できます。
      2. ベクトル印刷のパラメーターを設定します。たとえば、3 μ m と 10 Hz で噴射間隔でドロップの間隔を設定します。
         注: 接続の線を印刷するにはドロップ間隔選択してください、隣接して堆積した滴がわずかに重なります。ただし、あまりにも多くのオーバー ラップが大きい線幅であります。任意の実用的な線の印刷用は、約 30% の重複することをお勧めします。場合印刷、モーション速度 (v) に次の式をベクトルします。
         v = d × f
         ここは
         d = ドロップ間隔と
         f = ジェッティングの周波数。
      3. ドロップ間隔、印刷速度、電圧等のあらかじめ決められた印刷パラメーターを使用して基板上のロード パターンを印刷します。
         注: 印刷した後焼結プロセスはこの論文の範囲を超えているプリント パターンの目的の伝導率を取得する必要があります。

2. 罰金近傍電界紡糸を用いた導電性ラインのパターニング

1. 導電性ライン印刷用インキを近傍電界紡糸 (NFES) を確認します。
   1. 溶媒 1 を準備する 1 (純水) 3 (エタノール) の容積比とエタノールと純水 (DI) をミックスします。たとえば、ミックス 9 ml エタノールとディの 3 ml 12 溶媒 1 ml を作るために水。
   2. ポリ (エチレンオキ サイド) の 0.3 g のミックス (PEO、 M_wt = 400,000) と準備された溶媒磁性攪拌器を使用して室温 (25 ° C) で 6 h 以上の攪拌による PEO が 3 wt % と高分子溶液に 1 9.7 g。
   3. ミックス Ag ナノ ペースト インクは、粘度が約 11,000 の cP と重量比 5 (Ag ナノ ペースト インク) 1 (高分子溶液) NFES.のインクを取得する 10 分の渦のミキサーを使用して、準備された高分子溶液Ag ナノの 10 g ペースト インクなど、高分子溶液の 2 g を混合して NFES インクを取得することができます。
      注: このプロトコルの混合材料の比率は一般的に、材料の特定の量より重要であります。市販の Ag ナノ Ag 約 85.5 wt % の固体の内容は、この目的に使用することができるスクリーン印刷用のインクを貼り付け。溶媒とポリマーの選択は使用されるインクの組成に基づいて異なる可能性がありますに注意してください。
2. 注射器に準備された NFES インクを充填します。
3. ノズルを介して接続チューブと注射器を接続します。
   注: id が 100 μ m の市販注射針は、ノズルに使用できます。
4. 手動で注射器を押してノズルにインクを供給します。
5. 印刷システムに添付されている注射器のモーターに注射器をインストールします。
6. 真空チャックの基板を置き、印刷中に基板を保持するために真空ポンプをオンにします。
7. スタンドオフ距離を調整する Z 位置 (ステージ) を制御します。
   注: 推奨のスタンドオフ距離は従来エレクトロスピニングで使用したものと比較して大幅に小さいスタンドオフ距離の 2 mm 程度にする必要があります。
8. 流量を調整します。
   1. ノズル アセンブリに NFES インク充填および対象流量以上 50 μ L/分、初期流量とインク流れの生成するシリンジ ポンプを動作します。
   2. ノズルの先端からインクが流れるときは、ターゲット 1 μ L/分の流量を設定します。
      注: より小さい流量は小さいパターン幅になります。ただし、ラインの破損を原因になります。線の幅と線の継続の間のトレードオフは、対象流量を決定するとき考慮されるべき。
9. 適用電圧
   1. ノズル コネクタに DC 電圧源を接続し、接地電圧を基板ホルダーに接続します。
   2. 1.5 徐々 に DC 電圧を高める kV。
      注: スタンドオフ距離は数ミリの範囲なので直流電圧最大増加する可能性 2 kV、国防総省 EHD のジェット印刷よりも高い。ただし、2 より高い DC 電圧機能性材料に損傷を与える可能性がありますので、kV を避けるべき、特に銀ペースト インキ、高分子溶液に追加されます。一般に、低い DC 電圧を薄く印刷の線が必要な場合お勧め。ただし、印刷の線簡単に切断でした低電圧を使用すると、連続的なインク印刷の引っ張る力が直流電圧に関連するので。1 から DC 電圧の使用を勧め、トレードオフを考慮し 2 kV kV。
10. 定常流れを取得する 10 分以上 300 mm/秒の印刷速度でアイドル状態の印刷を開始します。必要な印刷結果を取得するアイドル状態の印刷時に DC 電圧および流れレートなどの印刷パラメーターを調整します。
    注: 以上 10 分間のアイドル状態の印刷は粘性インクは、ノズルの先端にインク配信中に長いチューブで圧縮できるため定常流れを取得する必要です。アイドル印刷せず印刷の線幅は時々刻々 と変化します。アイドル状態の印刷速度される必要があります、したがって、実際の印刷速度と同じので、印刷時に調整できるパラメーターは、噴射。この方法で目的の線幅を取得するアイドル状態の印刷中に DC 電圧を調整します。シリンジ ポンプに押されてインクの量を電場によってプルダウン インクの量に等しいできるように、流量および DC 電圧がバランスする必要があります、注意してください。
11. 連続線やグリッド パターンなどの印刷パターンを選択します。
    注: 作り出された繊維ができますが、簡単に偏向印刷ラインによって生成された電荷反発力のためランダムに堆積することができますので、印刷速度べきであるパターンでは、印刷方向に合わせて 300 mm/s を超えると、印刷行間隔グリッドまたは線のパターンを印刷するために以上 100 μ m に勧めします。
12. あらかじめ決められた印刷パラメーターを使用して基板上の選択したパターンを印刷します。
    注: 焼結プロセス可能性があります必要が印刷されたパターンのターゲット機能を取得するこのペーパーの範囲を超えています。

結果

ドット ベース ドロップ ・ オン ・ デマンド印刷:
国防総省の印刷は、1 つの液滴噴射噴射トリガーは 1 つあたりに基づいています。国防総省噴射、およそ 10 の粘度低粘度インクを生成するには、cP を使用してください。EHD 国防総省印刷用インク要件は、従来の国防総省のインク ジェットの EHD の印刷方法は、従来の国防総省のインク ジェットのような。従来のインク ジェット印刷の場合ラスター印刷技術が広く使用されて、多ノズル ヘッドを使用してビットマップ画像の印刷に適していますので。ただし、EHD ジェット印刷の場合ノズルの間で電気的クロストークにより多ノズル ヘッドの実装に制限があります。したがって、単一ノズルを用いたベクトル印刷、CAD ベースの行の印刷に使用されます。それにもかかわらず、ラスターまたはベクトル印刷モードは、さまざまな種類のパターンを印刷する印刷ソフトウェアから選択可能なはずです。アルゴリズムと実装することができます印刷モードによると異なることに注意してください。Xの同時動きベクトル モー...

ディスカッション

このプロトコルで AgNP インクを使用して 2 つのモードで微細なパターンを印刷に着目: 国防総省 EHD 印刷と NFES。ただし、アプリケーションを印刷 EHD ジェットは AgNP を用いた導電性インクに限定ではありません。ここでは、インク、システム構成、およびさまざまな微細パターン用 EHD ジェットを使用するために必要な他の印刷パラメーターの選択のための一般的なガイドラインを説明します。

EHD 印刷の最初そして最も重要なステップは、インクの選択と準備です。従来のインク ジェット印刷で使われるインクは、国防総省の EHD 印刷で使用できます。国防総省のインク ジェット印刷用インキの粘度が 1 の範囲内 ~ 50 cP (通常 10 cP)¹⁴。ただし、従来の国防総省のインク ジェットの国防総省 EHD 印刷用空気圧方式が違います。従来のインク ジェットは、インクのボタ落ちを防ぐためにノズル プレート面とノズル濡れ中メニスカスの位置を維持するために負圧を使用します。その一方で、EHD 国防総省印刷は押し出しメニスカスの形成に...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
EHD統合印刷システム	Psolution Ltd.、韓国	PS300
播磨Agナノ粒子インク	播磨製薬 播磨製薬	NPS-JL	Ag固形分:~53 wt%、粘度:~10 cP、表面張力:~30 mN/m
ガラス毛細管	成重科学機器研究所	G-1	内径:1 mm;サーマルプーラーを使用してDOD EHDジェット印刷用ノズルを作るために使用されます
ノズルサーマルプーラー	サッター機器、米国	Sutter P-1000
顕微鏡スライド(ガラスサブレート)	ポール・マリエンフェルド&Co.KG、ドイツ	10 006 12	寸法(長さ×幅×厚さ):76 mm x 26 mm x 1 mm
マグネティックスターラー	バーンステッドサーモリン社、アメリカ	Cimarec SP131635
Vortexスターラー	Jeiotech、韓国	ラボコンパニオンVM-96T
Agナノペースト	NPK、韓国	ES-R001	Ag固形分:~85.5 wt%、粘度:~11000 cP
ポリエチレンオキシド(PEO)	Sigma-Aldrich、米国	372773-500G	Mw = 400000
エタノール	Sigma-Aldrich、米国	459836-500ML