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

流体力学的ジェットプリンティングは、プリンテッドエレクトロニクス、先端材料、バイオテクノロジーなど、さまざまな分野で使用できる非接触の直接パターニング方法です。電気流体力学的ジェット印刷法は、高電界を使用して帯電したインクを基材に引き下げます。この目的のために、流体システムを使用してインクをノズルに押し込み、高電圧電源を使用して電界を生成します。

この技術の主な利点は、従来のインクジェット印刷方法と比較して、非常に小さなドットやパターンを印刷するために使用できることです。電気的および流体的な構成に基づいて、ドロップオンデマンド印刷、エレクトロスピニング、エレクトロスプレーの3つの異なるモードを実装できます。ファインパターニングについては、DODと近接場エレクトロプシンに着目します。

DODは噴射にDC電圧とパルス電圧の両方を使用しますが、近接場エレクトロスピニングは噴射にDC電圧のみを使用します。この方法では、電圧、ノズル、印刷速度、スタンドアップ距離など、特定のものやさまざまな印刷ペン方法が必要になるため、適切なジェッティングを実現するのが難しいことを個人は知っていました。勇敢な学生Mr.Ohは、銀ナノ粒子インクを使用したドロップオンデマンドと近接場エレクトロスピニングの両方を実演し、個人が印刷プロセッサを理解するのを助けます。

ドロップオンデマンド印刷の場合は、まず、電気流体力学ジェットプリンターのインクリザーバーに、ろ過された銀ナノ粒子インクを充填します。次に、付属のテキストプロトコルで説明されているように、ガラスピペットからノズルを準備します。ノズルホルダーをテフロンチューブを介してノズルをインクリザーバーに接続して組み立てます。

次に、空気圧コントローラーをオンにし、インクリザーバーに15〜20キロパスカルの空気圧を加えます。ガラスノズルとチューブを通るインクの流れを監視して、インクを供給するときに空気が閉じ込められていないことを確認します。ノズルの先端にインクが出るまで、リザーバーに空気圧をかけ続けます。

ノズル先端にインクが現れる前に圧力を下げないでください。ノズル先端に気泡が溜まる原因となる可能性があります。ノズルの先端にインクが出てきたら、圧力を約12キロパスカルに下げます。これにより、ノズルの先端からインクが滴り落ちることなく、押し出されたメニスカスが維持されます。

次に、組み立てたノズルヘッドを印刷システムに固定します。サイドビューカメラでノズル先端と基板の隙間を可視化し、ステージのZ軸を動かして約100マイクロメートルに調整します。ギャップが小さいほど電界が高くなり、より低いパルス電圧でのジェッティング用の印刷が容易になります。

ただし、ギャップが小さいほど、電圧が適切に調整されていない場合、ドロップが大きくなる可能性もあります。この時点で、ノズルのインクを監視しながら、DC電圧とパルス電圧の印加を開始します。DC電圧を一度に100ボルト未満ずつ徐々に増やします。

インクがノズルから滴り始めたら、DC電圧を少し下げて、インクがノズルから滴り落ちるのをやめます。次に、立ち上がり時間を0〜100マイクロ秒、滞留時間を300マイクロ秒、立ち下がり時間をゼロマイクロ秒にした負のパルス電圧を設定します。次に、基板ホルダーに負のパルス電圧を印加します。

次に、パルス電圧の大きさを調整して、1パルスあたり1つの液滴を生成します。次に、DCバックグラウンドとパルス電圧を調整して、基板上の目標液滴サイズを取得するとともに、サイドビューカメラ画像で基板上に噴射されたドットを観察します。まず、印刷ソフトの印刷タブでビットマップ画像を読み込み、バイナリ画像に変換します。

次に、バイナリ画像印刷のパラメータを設定します。たとえば、2 つの液滴間の距離、または液滴間隔を 10 マイクロメートルに設定します。セットアップが完了したら、選択したビットマップを使用して、基材のターゲット位置に印刷を開始します。

ベクター印刷の準備をするには、パターンのCAD情報を印刷ソフトウェアにロードします。次に、印刷速度やドット間隔など、印刷のパラメーターを設定します。パラメータを設定したら、印刷を開始します。

近接場エレクトロスピニングを行うには、まず特別に配合された銀ナノペーストインクを調製します。これを達成するには、エタノール3部と脱イオン水1部を混合して、12ミリリットルの溶媒を作ります。次に、0.3グラムのポリエチレンオキシドと9.7グラムの調製した溶媒を混合して、3重量%のポリマー溶液を作ります。

マグネチックスターラーを使用して、室温で攪拌することにより、溶液を6時間以上十分に混合します。溶媒を調製した状態で、調製したポリマー溶液の1部に5部の銀ナノペーストインクを混合します。ボルテックスミキサーを使用して2つを組み合わせ、10分間混合してインクを適切に懸濁します。

次に、準備したインクをシリンジに充填し、テフロン接続チューブを介してシリンジをノズルに接続します。シリンジを手動で押して、ノズルにインクを供給します。インクがノズルに到達したら、印刷システムに取り付けられたシリンジポンプにシリンジを取り付けます。

シリンジポンプを作動させて、初期流量50マイクロリットル/分のインク流量を発生させます。ノズル先端からインクが流れ出したら、流量を1分あたり1マイクロリットルに下げます。次に、アース電圧が基板ホルダーに接続されている間に、DC電圧源をノズルコネクタに印加します。

DC電圧を徐々に1.5キロボルトまで上げます。DC電圧は最大2キロボルトまで増加させることができます。ただし、DC電圧が2キロボルトを超えると、インクが損傷する可能性があるため、避ける必要があります。

セットアップが完了したら、毎秒300ミリメートルの印刷速度でアイドル印刷を少なくとも10分間開始して、定常状態の流れを取得します。これは、粘性のあるインクが長いチューブ内で圧縮される可能性があるためです。アイドル印刷中のDC電圧や流量などの印刷パラメータを調整して、目的の印刷結果を取得します。

最後に、現在定義されている印刷パラメータを使用して、選択したパターンを基材に印刷します。ドットベースのドロップオンデマンド印刷とラスター印刷では、1 つの軸を使用してメイン方向にドットを印刷し、サブ方向の次の帯に移動します。このラスター イメージのドロップ サイズは約 4 ミクロンです。

これに対し、ベクトル モードでのドットベースのドロップオンデマンド印刷は、X 方向と Y 方向に同時に移動し、線の印刷に使用されます。結果の画像の線幅は 4 ミクロンです。ニアフィールドエレクトロスピニングは、高粘度のインクを使用してパターンを連続的に印刷します。

そのため、高速な印刷速度で直線を印刷するのに適しており、印刷速度の変化に敏感です。破棄可能な低速領域をデザインに含めると、目的の領域で一貫したライン サイズを確保できます。場合によっては、毎秒100ミリメートル未満の低い印刷速度を使用して、低い噴射速度を使用して波パターンを生成できます。

次に示すように、パターンが波打つことがあります。このタイプの波状パターンは、伸縮性のある電子機器の用途に役立つ可能性があります。開発後、この技術は、研究者が特定のアプリケーションのための微細なパターンを作成する道を開きました。

なお、この印刷方法は銀ナノ粒子インクに限らず、様々なインクを用いた他の用途にもご使用いただけますので、ご注意ください。この手順を試行するときは、印刷に適切なインクを使用することを忘れないでください。この記事のテキストに記載されているインク選択の一般的なガイドラインを参照してください。

インクの選択と用途に応じて印刷パラメータを調整してください。化学薬品、高電圧、高圧での作業は危険な場合があり、この手順を実行するときは常に予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。