Name: チップベースのスーパーキャパシタ製造のためのインクジェットプリンタの精巧な制御 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-30T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 57 s
Description: 学ぶインクジェットプリンタの精巧な制御によるフリーフォーム型スーパーキャパシタ製造法。CADプログラムを用いたパターン設計とソフトウェアパラメータ調整により、資源効率と製造精度を向上させる革新的な電気化学デバイス製造技術です。

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この作業は、韓国電力公社(助成番号:R21XO01-24)、KIAT(No.P0012453)、および忠安大学大学院研究奨学金2021。

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<li>Karim, N., Afroj, S., Tan, S., Novoselov, K. S., Yeates, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All+inkjet-printed+graphene-silver+composite+ink+on+textiles+for+highly+conductive+wearable+electronics+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">All inkjet-printed graphene-silver composite ink on textiles for highly conductive wearable electronics applications.</a> Scientific Reports. 9 (1), 8035(2019).</li>
<li>Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printing-Process+and+its+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Inkjet printing-Process and its applications.</a> Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).</li>
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<li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+inkjet+printing+of+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Efficient inkjet printing of graphene.</a> Advanced Materials. 25 (29), 3985-3992 (2013).</li>
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<li>Qorbani, M., Khajehdehi, O., Sabbah, A., Naseri, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ti-rich+TiO2+tubular+nanolettuces+by+electrochemical+anodization+for+all-solid-state+high-rate+supercapacitor+devices%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Ti-rich TiO2 tubular nanolettuces by electrochemical anodization for all-solid-state high-rate supercapacitor devices.</a> ChemSusChem. 12 (17), 4064-4073 (2019).</li>
<li>Areir, M., Xu, Y., Harrison, D., Fyson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+printing+of+highly+flexible+supercapacitor+designed+for+wearable+energy+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Science+and+Engineering%3A+B%22%5BJournal%5D)">3D printing of highly flexible supercapacitor designed for wearable energy storage.</a> Materials Science and Engineering: B. 226, 29-38 (2017).</li>
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<li>Seol, M. -L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((All-printed+in-plane+supercapacitors+by+sequential+additive+manufacturing+process%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Applied+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process.</a> ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).</li>
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<li>Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inkjet+printed+%28bio%29chemical+sensing+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Analytical+and+Bioanalytical+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Inkjet printed (bio)chemical sensing devices.</a> Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).</li>
<li>Kim, J., Kumar, R., Bandodkar, A. J., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advanced+materials+for+printed+wearable+electrochemical+devices%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Electronic+Materials%22%5BJournal%5D)">Advanced materials for printed wearable electrochemical devices: A review.</a> Advanced Electronic Materials. 3 (1), 1600260(2017).</li>
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<li>Zhou, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-throughput+characterization+of+fluid+properties+to+predict+droplet+ejection+for+three-dimensional+inkjet+printing+formulations%5BTitle%5D)+AND+%22Additive+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations.</a> Additive Manufacturing. 29, 100792(2019).</li>
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</ol>

著者らは開示していない。

このプロトコルの重要なステップは、パラメータ値を微調整して設計パターンを印刷するためのソフトウェアパラメータ設定に関係しています。カスタマイズされた印刷は、構造の最適化と新しい機械的特性の取得につながる可能性があります19。ソフトウェアパラメータ制御によるインクジェット印刷方式は、印刷プロセスに最適な材料を選択することで、さまざまな業界で高度な印刷に使用できます。
インクジェット印刷によるスーパーキャパシタの作製において、均一で高解像度のパターンを開発するには、まだ限界があるとの報告がありました。高温後処理が依然として必要であることが報告されており、材料の最適化プロセスが不可欠です20。別の紙は、インクジェット印刷を適切に使用するには、粘度や表面張力をプリンタに依存する比較的狭い範囲に調整する必要があると報告しています。この目的のために、インクの活物質の濃度は制限される。いくつかの場合において、十分な量の材料21を堆積させるために複数の印刷...

過去数十年間、ウェアラブルデバイス1、医薬品2、航空宇宙部品3など、さまざまなアプリケーション向けに複数の印刷方法が開発されてきました。印刷は、使用する材料を変更するだけで、さまざまなデバイスに簡単に適合できます。また、原材料の無駄を防ぎます。電子機器を製造するために、スクリーン印刷4、プッシュコーティング5、リソグラフィー6 などのいくつかの印刷方法が開発されている。インクジェット印刷方式は、これらの印刷技術と比較して、材料廃棄物の削減、複数の基材との互換性7、低コスト8、柔軟性9、低温処理10、大量生産の容易さなど、複数の利点があります11。しかしながら、インクジェット印刷法の適用は、特定の高度なデバイスに対してはほとんど示唆されていない。ここでは、スーパーキャパシタ装置の印刷にインクジェット印刷法を使用するための詳細なガイドラインを確立するプロトコルを提示する。
擬似コンデンサや電気化学二重層キャパシタ(EDLC)などのスーパーキャパシタは、従来のリチウムイオン電池を補完するエネルギー貯蔵デバイスとして浮上しています12,13。特に、EDLCは、低コスト、高出力密度、および長いサイクル寿命のために有望なエネルギー貯蔵デバイスです14。高い比表面積と導電性を有する活性炭(AC)は、市販のEDLCs15において電極材料として使用されている。ACのこれらの特性により、EDLCは高い電気化学的容量を持つことができます16。EDLCは、従来の固定サイズ製造法が使用される場合、デバイス内でパッシブボリュームを有する。インクジェット印刷では、EDLCを製品設計に完全に統合することができます。したがって、インクジェット印刷法を用いて作製されたデバイスは、既存の固定サイズ法によって作製されたものよりも機能的に優れている17。効率的なインクジェット印刷法を用いたEDLCの製造は、EDLCの安定性と寿命を最大化し、フリーフォームファクターを提供します18。印刷パターンは、PCB CADプログラムを使用して設計され、ガーバーファイルに変換されました。デザインされたパターンは、正確なソフトウェア対応制御、高い材料スループット、および印刷安定性を備えているため、インクジェットプリンタを使用して印刷されました。

<table><tbody><tr><td>2インチ x 3インチFR&shy;4ボード</td><td>Voltera</td><td>SKU: 1000066</td><td>PCB基板</td></tr><tr><td>活性炭</td><td>MTI</td><td>Np-Ag-0530HT</td><td></td></tr><tr><td>Eagle CAD</td><td>Autodesk</td><td></td><td>PCB CADプログラム</td></tr><tr><td>エチルセルロース</td><td>Sigma Aldrich</td><td>46070</td><td>48.0-49.5% (w / w) エトキシルベース</td></tr><tr><td>Flex 2導電性インク</td><td>Voltera</td><td>SKU: 1000333</td><td>フレキシブルAgインク</td></tr><tr><td>過塩素酸リチウム</td><td>Sigma Aldrich</td><td>634565</td><td></td></tr><tr><td>炭酸プロピレン</td><td>Sigma Aldrich</td><td>310328</td><td></td></tr><tr><td>PVDF</td><td>Sigma Aldrich</td><td>182702</td><td>平均 Mw ~534,000 by GPC</td></tr><tr><td>Smart Manager</td><td>ZIVE LAB</td><td>ver : 6. 6.8. 9</td>電気<td>化学分析プログラム</td></tr><tr><td>Super-P</td><td>ヒュンダイ</td><td></td><td></td></tr><tr><td>テルピネオール</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>432628</td><td></td></tr><tr><td>シンキーミキサー</td><td>シン</td><td>キーARE-310</td><td>プラネタリー</td></tr><tr><td>ミキサーTriton-X</td><td>シグマアルドリッチ</td><td>X100</td><td></td></tr><tr><td>V-One</td><td>プリンターVoltera</td><td>SKU:1000329</td><td>PCB</td></tr><tr><td>プリンターZIVES1</td><td>Wonatech</td><td></td><td>ポテンショスタットデバイス</td></tr></tbody></table>

チップベースのスーパーキャパシタ製造のためのインクジェットプリンタの精巧な制御

Elaborate Control of Inkjet Printer for Fabrication of Chip-based Supercapacitors

インクジェット印刷法をウェアラブル機器、ディスプレイ、蓄電デバイスの製造に応用するために、様々な分野で多大な努力が払われています。しかし、高品質な製品を得るためには、インク材料の物性に応じて高度な操作能力が必要です。この点で、インクジェット印刷パラメータを最適化することは、インク材料の物理的特性を開発することと同じくらい重要である。この研究では、スーパーキャパシタを製造するためのインクジェット印刷ソフトウェアパラメータの最適化が提示される。スーパーキャパシタは、その高い電力密度、長寿命、および電源としての様々な用途のために、魅力的なエネルギー貯蔵システムである。スーパーキャパシタは、モノのインターネット(IoT)、スマートフォン、ウェアラブルデバイス、電気自動車(EV)、大型エネルギー貯蔵システムなどで使用できます。幅広い用途には、さまざまなスケールでデバイスを製造できる新しい方法が必要です。インクジェット印刷法は、従来の固定サイズ作製法を突破することができる。

工程2に従ってインクを合成し、文献18に従ってインクの特性を確認することができた。図8は、導電性インクおよびEDLCインクの構造特性、ならびに先行研究で報告されたEDLCインクのレオロジー特性18を示す。導電性インクはよく焼結されて連続的な導電パスを形成し、ナノスケールの粗さはEDLCインクとの接触面積を増加させることが期待される(図8A、B)。EDLCインクは巨視的スケールで均一に分布するが、マイクロおよびナノスケールでは非常に粗い表面形状を有し、これはおそらく高い表面積を提供し、エネルギー貯蔵容量を改善する。すべてのコンポーネントは十分に分散しており、印刷中に目詰まりを引き起こす可能性のある目に見える要素はありません(図8C-F)。<strong class="...

本稿では、インクジェットプリンタを用いてチップベースのスーパーキャパシタを製造する技術を提供する。インクの合成、ソフトウェアパラメータの調整、製造されたスーパーキャパシタの電気化学的結果の分析を行うための方法論が詳細に説明されています。

There are tremendous efforts in various fields to apply the inkjet printing method for the fabrication of wearable devices, displays, and energy storage ...

このプロトコルは、既存の固定サイズのスーパーキャパシタを克服し、正確なインクジェット印刷によって自由曲面スーパーキャパシタを製造する方法を提供します。このプロトコルを通じて、人的および物的資源の効率を確保することができます。また、インクジェットプリンタのソフトウェア制御方法をユーザに提供することで、より精密なスーパーキャパシタの製造にも役立つ可能性がある。この技術はインクジェットプリンタを扱う方法を提供するため、このプロトコルはスーパーキャパシタの製造だけでなく、他のデバイスの製造にも使用できます。電気化学二重層コンデンサ(EDLC)のパターンを設計する前に、CADプログラムを実行することから始めます。プログラムウィンドウの上にある[ファイル]ボタンに移動し、[新規]ボタンと[プロジェクト]ボタンをクリックして新しいプロジェクトファイルを作成します。ボードファイルを生成するには、ファイル、新規、およびボードボタンを順番にクリックします。作成したボードファイルウィンドウの左上にあるメッシュ状のグリッドボタンをクリックして、グリッドサイズ、複数、および Alt の値を設定します。グリッドサイズと Alt 値をミリメートルからインチに変更して、インクジェットプリンタが PCB CAD パターンを読み取ることができるようにします 最高プレス 微調整を行います。パラメータを設定したら、集電体とEDLCラインのパターンを桁違いに設計します。ゲルポリマー電解質、またはGPEを、長方形の形態でパターンおよび集電パッドを設計する。導電線、EDLC、GPEなどの3種類の最終パターンでは、[表示]と[レイヤー設定]を順番にクリックして3つのレイヤーを設定します。新しいレイヤーを作成するには、表示レイヤーウィンドウの左下にある「新規レイヤー」ボタンを押します。新しいレイヤーの新しいウィンドウで、新しいレイヤーの名前と色を設定します。レイヤーを視覚的に区別するには、3つのレイヤーの名前を集電体、EDLC、GPEに設定し、カラーの右側にあるボックスをクリックして対応する色を変更します。画面左下の[線]を押します。線の太さを変更するには、上部中央に位置する幅の値をインチスケールで入力します。次に、メインフィールドをクリックし、ドラッグして線を描画します。線の長さを編集するには、線を右クリックし、下部にあるプロパティをクリックします。[開始] フィールドと [終了] フィールドに、開始点と終了点の X 値と Y 値を入力します。パターンの基準点として、左上隅を 0, 0 に設定します。前に共有した情報に基づいて残りのパターンを描画します。描画されたパターンを目的のレイヤーに設定するには、パターンを右クリックし、[プロパティ]をクリックします。次に、[レイヤー]をクリックして、目的のレイヤーを選択します。メインウィンドウの左下にあるRECTを押して、GPEで集電パッドの長方形のパターンを描画します。以前に描画したパターンが存在する画面をクリックしてドラッグします。次に、長方形のサーフェスを右クリックし、下部にある[プロパティ]をクリックします。長方形の左上と右下の X、Y 値をそれぞれ [開始] フィールドと [終了] フィールドに入力します。前述のように、四角形を目的のレイヤーに設定します。デザインしたパターンのCADファイルをガーバーファイル形式に変換する前に、ファイルをクリックしてボードファイルをbrd形式で保存し、保存してください。ファイルを保存した後、ウィンドウの上部にある[ファイル]タブをクリックし、[CAMプロセッサ]をクリックします。目的のレイヤーのガーバーファイルを作成するには、マイナス記号を押して上部の銅や下部の銅などのサブリストを削除して、出力ファイルの[ガーバー]タブの下にある項目を変更します。プラスを押して新しいガーバー出力をクリックしてガーバー出力を作成します。画面の右側で、右側の歯車を押して、名前と機能のレイヤー名を銅に設定します。次に、レイヤータイプをトップに設定し、集電体、EDLC、およびGPEのガーバーレイヤー番号をL1、L2、およびL3の順に設定します。ガーバーファイルの下部にあるレイヤーウィンドウで、左下のレイヤーの編集をクリックして、目的の各レイヤーを選択します。作成する出力ファイルの名前を設定するには、ウィンドウの下部にある Output の Gerber ファイル名を prefix/name.gbr に設定します。最後に、ウィンドウの左上にある[ジョブの保存]をクリックして設定を保存します。右下のプロセスジョブをクリックして、ガーバーファイルを作成します。インクジェットプリンタソフトウェアパラメータを設定するには、プリンタプログラムを実行してから、[印刷]ボタンをクリックし、[シンプル]を選択して、[柔軟な導電性インク]を選択します。デザインしたパターンのガーバーファイルをアップロードするには、「ファイルを選択」ボタンをクリックします。導電線のガーバーファイルを選択して開きます。黄色のボックスで示されるように[次へ]ボタンをクリックします。次にPCBボードを固定し、プローブをマウントします。完了したら、[アウトライン]ボタンをクリックして、プローブを介してPCBプリンタのゼロポイントを調整します。画面上のパターン画像を移動するには、アウトラインボタンをドラッグしてクリックします。プローブが目的のパスを通過するかどうかを確認します。次に、[次へ]タブをクリックします。プローブをクリックして基板の高さを測定し、基板が平らであるかどうかを確認します。高さ測定が完了したら、プローブを取り外し、インクカートリッジをインクディスペンサーに挿入し、内径230マイクロメートルのノズルを接続してディスペンサーを準備します。導電ライン用インクディスペンサー、EDLC、GPEを装着した後、各インクのパラメータを調整しながらキャリブレーションボタンを押してサンプルパターンを印刷します。印刷結果を目視で確認し、各インクのパラメータ値を記録します。エタノールで湿らせたクリーニングワイプでサンプル印刷パターンを消去してから、[スタート]ボタンを押して導電線のデザインパターンを印刷します。印刷後、基板を裏返し、導電線を摂氏180度で30分間硬化させ、基板と導電線を合わせた重量を測定した。プリンター・プログラムの「開始」画面で、「位置合わせ」オプションを選択し、EDLC 回線パターン・ファイルをロードして、「次へ」をクリックします。導電性ラインの位置がEDLCラインと導電性ラインのパターン位置を整列させるために、2つのアライメントポイントを介して検出されていることを確認します。次に、ランダムなポイントに移動し、位置が正しいかどうかを確認します。導電線の全高を測定し、[プローブ]ボタンをクリックして、導電線の上にあるディスペンサーノズルの高さを確認します。EDLCインクのソフトウェアパラメータ値を変更します。完了したら、サンプルパターンを印刷して、ソフトウェアパラメータ値が適切かどうかを確認します。その後、エタノールを含ませたクリーニングワイプでサンプル印刷パターンを消去し、スタートボタンを押してEDLCラインを印刷します。インクジェット印刷されたスーパーキャパシタ装置について電気化学測定を行う。「Ch に適用」をクリックし、サイクリックボルタンメトリー検定のシーケンスファイルを実行して結果を取得します。Chに適用をクリックし、ガルバノスタティック充放電試験のシーケンスファイルを実行して結果を取得します。[Chに適用]をクリックし、電気化学インピーダンス分光法テストのシーケンスファイルを実行して結果を取得します。導電性インク及びEDLCインクの構造特性を走査型電子顕微鏡で分析した。導電性インクは、連続的な導電経路を形成するように十分に中心化された。インクのすべての成分はよく分散しており、印刷中に目詰まりを引き起こす可能性のある目に見える要素はありませんでした。EDLCインクのレオロジー特性が報告され、インクの粘度が剪断時間とともに増加し、応力誘発構造延長、延伸、または再配列なしに剪断増粘挙動を示すことが観察された。この研究では、印刷されたスーパーキャパシタが正常に得られました。印刷品質は良好であると考えられる。印刷パターンの欠陥が少ないかまったくなく、表面粗さが最小限で均一な厚さである場合。毎分100ミリメートル以上の送り速度での印刷結果は、目に見える断線のない均一な線を示しました。送り速度が最大で毎分600ミリメートルになると、全体的な印刷時間が短縮されました。毎分500ミリメートルの送り速度で印刷された結果と比較して、ディスペンサーが急速に動いたため、毎分600ミリメートルで形成されたラインが切断または亀裂が入っていました。毎分300ミリリットルの供給速度は、適切な印刷時間およびひび割れ形成を防止するために最適であった。印刷結果は、キックの対応する変更についてチェックされました。キックが低すぎるとすべてのラインが切断されました。しかし、ハイキック時の高圧がボトルネックとなり、ノズル詰まりの原因となった。適切なキック値では、ラインは壊れず、ノズルは詰まらなかった。ソフトウェアパラメータ制御により、より精密な印刷が可能となり、多くの研究者が様々な分野で最適な条件でインクジェット印刷を活用できます。

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JoVE Journal

Engineering

工学

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酸化グラフェン窓を備えたマイクロパターンチップを新たに開発し、マイクロエレクトロメカニカルシステム技術を適用して製造し、さまざまな生体分子やナノ材料の効率的で高スループットな極低温電子顕微鏡イメージングを可能にします。...

ハイスループット極低温電子顕微鏡のための厚さ制御されたマイクロパターンチップの作製

フレキシブル電極は、ソフトロボティクスやウェアラブルエレクトロニクスに幅広い用途があります。本プロトコルは、リソグラフィ的に定義されたマイクロ流体チャネル を介して...

マイクロ流体チャネルベースのソフト電極とその静電容量式圧力センシングへの応用

学ぶインクジェットプリンタの精巧な制御によるフリーフォーム型スーパーキャパシタ製造法。CADプログラムを用いたパターン設計とソフトウェアパラメータ調整により、資源効率と製造精度を向上させる革新的な電気化学デバイス製造技術です。

チップベースのスーパーキャパシタ製造のためのインクジェットプリンタの精巧な制御

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