Hoge resolutie elementen met behulp van twee modi van Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand en in de buurt van-veld Electrospinning

Summary

Hier presenteren we een protocol voor de productie van hoge-resolutie geleidende patronen, gemaakt van electrohydrodynamic (EHD) jet afdrukken. Het protocol bevat twee modi van EHD jet afdrukken: het continu in de buurt van-veld-electrospinning (NFES) en de dot-gebaseerde drop-on-demand (DOD) EHD afdrukken.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) jet afdrukken heeft gewezen in diverse velden omdat het kan worden gebruikt als een instrument met een hoge resolutie en goedkope directe patronen. EHD afdrukken wordt een fluidic leverancier gebruikt om de geëxtrudeerde meniscus door het indrukken van de inkt uit het uiteinde van het mondstuk. Het elektrisch veld wordt vervolgens gebruikt om te trekken van de meniscus tot het substraat voor de productie van hoge-resolutie patronen. Twee modi van EHD afdrukken zijn gebruikt voor fijne patronen: continu in de buurt van veld electrospinning (NFES) en stip gebaseerde drop-on-demand (DOD) EHD afdrukken. Volgens de modus, zal de voorschriften voor de afdrukken apparatuur en inkt viscositeit verschillen. Hoewel de twee verschillende modi kunnen worden uitgevoerd met één EHD printer, verschillen de realisatie methoden aanzienlijk in termen van ink, fluidic systeem en drijvende spanning. Bijgevolg zonder een goed begrip van de jetting vereisten en beperkingen is het moeilijk om de gewenste resultaten te verkrijgen. Het doel van deze paper is te presenteren van een richtsnoer, zodat onervaren onderzoekers kunnen het verminderen van de inspanningen van de vallen en opstaan om de EHD jet gebruiken voor hun specifieke onderzoeks- en ontwikkelingsdoeleinden. Om aan te tonen de fine-patronen-uitvoering, gebruiken we Ag nanoparticle inkt voor de geleidende patronen in het protocol. Daarnaast presenteren we ook de veralgemeende afdrukken richtsnoeren die kunnen worden gebruikt voor andere soorten inkt voor diverse toepassingen, boete-patronen.

Introduction

EHD jet afdrukken wijd gebruikt in verschillende gebieden, zoals de gedrukte elektronica, biotechnologie en geavanceerde materiële toepassingen, omdat het in staat hoge resolutie en lage kosten direct patronen¹is. De afgedrukte lijndikte of gedrukte puntgrootte kan worden teruggebracht tot 1 µm, die is aanzienlijk kleiner dan die van conventionele piezo gebaseerde inkjet afdrukken¹.

EHD afdrukken in is een klein deel van de inkt (of meniscus) verdrongen van het uiteinde van het mondstuk en onderhouden door het beheersen van de stroom tarief^1,2,3,4,5 of de positieve luchtdruk^{1 ,6,7}. De geëxtrudeerde meniscus is opgeladen en kan gemakkelijk worden gesloopt vanaf het uiteinde van het mondstuk aan de ondergrond door een elektrisch veld, zoals aangegeven in Figuur 1. De conische meniscus wordt gevormd tijdens de jetting, produceren een veel dunner beeldscherm mogelijk dan de grootte van het mondstuk inkt-stream.

Figuur 1: EHD afdrukken. De figuur toont het subsidiariteitsbeginsel EHD jet afdrukken. Inkt via druk wordt geduwd en getrokken via een elektrisch veld om te vormen van een geëxtrudeerde meniscus van de verstuiver. Vervolgens kan de geladen inkt eenvoudig worden jetted aan het substraat via een DC of puls spanning. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Hoewel een enkele EHD printer kan worden gebruikt voor de twee verschillende modi, in de buurt van veld electrospinning (NFES) en drop-on-demand (DOD) EHD jet afdrukken, verschillen de realisatie methoden aanzienlijk in termen van ink, fluidic systeem en drijvende spanning^{1 , 2 , 3}. NFES^4,5 gebruikt bijvoorbeeld een relatief hoge-visceuze inkt [meer dan 1.000 centipoises (cP)] om te vormen van continue micro-lijnpatronen met hoge snelheid afdrukken tot 1 m/s. Aan de andere kant, DOD EHD jet afdrukken van^6,7,8 gebruik laag-visceuse inkt met een viscositeit van rond 10 cP dot gebaseerde complexe patronen met een laag afdrukken afdrukken snelheid minder dan 10 mm/s.

Aangezien de vereiste voor elke toestand aanzienlijk verschilt, kan het zijn uitdagend voor onervaren onderzoekers om de gewenste resultaten te bereiken. De empirische "knowhow" misschien wel belangrijk in de praktijk. Om te wennen aan onderzoekers helpen de afdrukmethoden, presenteren we EHD protocollen voor fijne geleidende patronen met Ag nanoparticle inkt afdrukken. Echter we opmerkingen toegevoegd aan de protocollen zodat ze zijn niet beperkt tot een geleidende patronen Ag nanoparticle inkt gebruiken. Ten slotte, afdrukken en voorbereiding richtsnoeren worden gepresenteerd in de sectie discussie.

Protocol

Behoeve van gezondheid en veiligheid, voorafgaand aan elke inkt gebruiken en schoonmaak oplossing, verwijzen naar het materiële veiligheid gegevensblad (MSDS).

1. drop-on-demand Electrohydrodynamic Jet afdrukken met zilveren Nanoparticle inkt

1. Vul de gefilterde zilveren nanoparticle (AgNP) inkt in het reservoir van de inkt van het afdruksysteem EHD.
   Opmerking: Verkrijgbare AgNP inkt kan worden gebruikt voor het doel van inkjet. De inkt moet een viscositeit van rond 10 cP en een oppervlaktespanning heeft van 20 ~ 40 mN/m te krijgen drop-on-demand jetting.
2. Maak een mondstuk voor het DOD EHD drukken met behulp van een thermische trekker.
   1. Plaats een glazen capillaire [binnendiameter (ID) van 1 mm] in de thermische trekker.
   2. Instellen van de parameters van de thermische trekker; bijvoorbeeld, de temperatuur van de verwarming in de range van 580-590 ° C en het trekken van een snelheid van ongeveer 18 mm/s.
      Opmerking: De parameters voor de thermische trekker moeten verschillen naar gelang het doel mondstuk-ID en omgevingsomstandigheden.
   3. Werken de thermische trekker met het instellen van parameters toe te passen bij het midden van het capillair warmte en trek aan beide uiteinde te maken van een mondstuk met een ID van 5 µm.
      Opmerking: Bepaal de grootte van de ID van de straalpijp op basis van het doelformaat van de stip op de drager vervagen. Ter referentie, kan de ID van de nozzle van 5 µm 5 µm en middelgrote stippen afdrukken.
   4. De glazen mondstuk lengte aanpassen door snijden het glazen mondstuk via een glassnijder.
3. Monteer het mondstuk aan de houder van het mondstuk en de connector, die zijn verbonden met de inkt reservoir via de buis van de polytetrafluorethyleen (PTFE).
4. Toepassing van de luchtdruk te leveren inkt naar het uiteinde van het mondstuk.
   1. Zet de luchtdruk controller en toepassen van de luchtdruk van 15 ~ 20 kPa naar het reservoir van de inkt te leveren inkt naar het uiteinde van het mondstuk. Toezicht op de stroom van de inkt door de transparante glazen mondstuk en buizen om ervoor te zorgen dat geen lucht is gevangen in de buis en de verstuiver bij de levering van de inkt. Houden toepassen van luchtdruk op het reservoir inkt totdat inkt aan het uiteinde van het mondstuk verschijnt.
      Opmerking: Niet de druk verminderen voordat de inkt aan het uiteinde van het mondstuk verschijnt omdat dat leiden lucht zeepbel entrapment aan het uiteinde van het mondstuk tot kan.
   2. De druk verminderen aan rond de 12 kPa naar de geëxtrudeerde meniscus te handhaven zonder alle inkt druipend van het uiteinde van het mondstuk.
      Opmerking: De juiste luchtdruk is afhankelijk van het mondstuk grootte en inkt viscositeit. De luchtdruk naar meer dan 30 kPa om te voorkomen dat buitensporige lucht compressie, wat ongewenst is voor de handhaving van de meniscus in een stabiele toestand niet verhogen.
5. Corrigeer de geassembleerde mondstuk hoofd in het afdruksysteem.
6. Plaatsen van een glazen substraat op de vacuüm chuck van de houder van het substraat en zet de vacuümpomp te houden van het substraat.
7. Verplaatsen van het werkgebied van de z-as aan te passen van de stand-off afstand (H) — de kloof tussen het uiteinde van het mondstuk en de positie van het substraat — ongeveer 100 µm. het zijaanzicht beeld verkregen door de monitoring camera te gebruiken voor de raming van de stand-off afstand met behulp van de afstand van de mondstuk tip om haar reflectie, zoals weergegeven in Figuur 2.
   Opmerking: Een kleinere stand-off afstand leidt tot een hoger elektrisch veld, die zou kunnen afdrukken met een lagere DC en puls spanning voor de jetting vergemakkelijken. Echter kan een lagere stand-off afstand leiden tot grotere druppels. Dus, de omvang van de spanningen moet dienovereenkomstig verlaagd om te verkrijgen van de gewenste puntgrootte. In het algemeen, wordt het gebruik van een lagere spanning aanbevolen voor kleinere gedrukte stippen met minder sproeien. Echter, een zorgvuldige bewerking is vereist als de stand-off afstand minder dan 50 µm, als gevolg van de hogere kans op mondstuk breuk door botsing met het substraat wordt. Gezien de trade-off relatie tussen jetting capaciteit en betrouwbaarheid raden we het gebruik van een stand-off afstand van 100 µm.

Figuur 2: Stand-off afstand aanpassing met behulp van kant weergave camera beeld. Het beeld van de spuitmond van een zijaanzicht camera kan worden gebruikt om te schatten van de stand-off afstand. De stand-off afstand (H) van het uiteinde van het mondstuk tot het substraat kan gemakkelijk worden geschat als halve de afstand van het uiteinde van het mondstuk tot zijn schaduw. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

8. Toepassing DC en pulsstand spanningen
   Opmerking: De DC en pulsstand spanningen kunnen worden gecontroleerd via de afdrukken software.
   1. De DC spanning geleidelijk verhogen tot de druppels inkt uit het uiteinde van het mondstuk.
      Opmerking: Niet van toepassing de spanning doel tegelijk. De incrementele spanning moet minder dan 100 V op een moment. Over het algemeen niet een DC-spanning van meer dan 600 V van toepassing.
   2. Verklein de DC spanning iets vanaf het begin DC spanning tot geen verdere inkt druipend van het mondstuk wordt waargenomen.
      Opmerking: Na de aanpassing van de pneumatische druk en gelijkspanning, de meniscus moet in een passende vorm jetting zoals in Aanvullende figuur S1.
   3. Instellen van een negatieve puls spanning met de parameters van t_opkomst = 0 ~ 100 µs, t_wonen = 300 µs en t_vallen = 0 µs⁷ (Figuur 3) in het softwaremenu.
   4. Toepassing van de negatieve puls spanning aan de houder van het substraat. Vervolgens aangepast, de omvang van de puls spanning, V_puls, voor de productie van één druppel per één puls spanning.
      Opmerking: De omvang van de negatieve puls spanning, V_puls, moet lager zijn dan 600 V.
   5. De DC achtergrond en pulsstand spanningen om te verkrijgen van het doelformaat van de druppel op het substraat met inachtneming van de jetted stippen op de drager vervagen in de side view camera-beeld aanpassen.
      Opmerking: Voor de productie van kleine puntjes met minder sproeien op de drager vervagen, de omvang van de puls spanning, V_puls, moet zo laag mogelijk.

Figuur 3: Pulse spanning voor DOD EHD jetting. Het gebruik van trapezium golfvorm spanning wordt aanbevolen om het produceren van DOD EHD jetting⁷. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

9. Afdrukken van patronen
   Opmerking: Twee verschillende soorten patronen kunnen worden gebruikt voor het DOD EHD afdrukken: bitmap afbeelding en (CAD)-op basis van informatie van de vector. Bitmapafbeelding wijd gebruikt in DOD gebaseerde inkjet afdrukken. Echter, in het geval van gedrukte elektronica toepassingen, CAD gebaseerde vector informatie heeft voordelen ten opzichte van DOD gebaseerde inkjet printing, omdat deze efficiënte in regel gebaseerde afdrukken met behulp van een enkele EHD hoofd. Op hetzelfde moment, kan de vector informatie worden omgezet in een bitmapafbeelding voor bitmap afbeelding afdrukken.
   1. Bitmap afbeelding afdrukken
      1. Een bitmapafbeelding in het afdrukken tabblad van de afdrukken software laden en omzetten in een binaire afbeelding.
      2. De parameters voor de binaire image afdrukken instellen. Bijvoorbeeld, stel het interval van de daling (dat wil zeggen, de afstand tussen 2 opeenvolgende pixels) op 10 µm.
         Opmerking: De bitmapafbeelding beschikt niet over een fysieke afmetingen. De fysieke afmetingen van de afgedrukte afbeelding zal worden gerelateerd aan de drop-interval. Bijvoorbeeld, wordt de afgedrukte afbeelding groter als een grotere daling interval wordt gebruikt. In conventionele inkjet printing, is dot per inch (DPI) vaak gebruikt voor dit doel. Echter, opgemerkt moet worden dat een kleinere DPI een grotere daling-interval betekent. Om te bepalen van de daling-interval, moet de afgedrukte puntgrootte worden beschouwd. In het algemeen, is de drop-interval voor EHD DOD afdrukken aanzienlijk kleiner dan die van conventionele inkjet afdrukken.
      3. Af te drukken met behulp van de geselecteerde bitmap op de doellocatie in het substraat.
   2. Vectorafdrukken op basis van CAD-gegevens
      1. Laden van de CAD-gegevens voor afdrukken.
         Opmerking: De bestandsindeling DXF, oftewel tekst gebaseerde CAD informatie, kan worden gebruikt voor de afdrukgegevens.
      2. De parameters voor vectorafdrukken; bijvoorbeeld, stel het interval van de druppel op 3 µm en de jetting frequentie 10 Hz.
         Opmerking: Als u wilt afdrukken van de aangesloten lijnpatronen, de drop-interval moet zodanig worden gekozen dat adjacently gestort druppels enigszins overlappen. Teveel overlappende kan echter resulteren in een grotere lijndikte. Een samenloop van ongeveer 30% wordt aanbevolen voor alle praktische lijn afdrukken. In het geval van vector afdrukken, de beweging snelheid (v) de volgende vergelijking.
         v = d × f
         Hier,
         d = de daling interval, en
         f = de jetting frequentie.
      3. Afdrukken van de geladen patronen op het substraat met behulp van vooraf bepaalde afdrukparameters, zoals de druppel-interval, de afdruksnelheid, spanning, enz.
         Opmerking: Na het afdrukken een sinterproces kan verplicht zijn te verkrijgen van de gewenste geleidbaarheid van de gedrukte patronen, die buiten het bestek van dit document valt.

2. fijne geleidende lijn patronen met behulp van in de buurt van-veld Electrospinning

1. In de buurt van veld electrospinning (NFES) inkt voor geleidende lijn afdrukken maken.
   1. Meng ethanol en gedeïoniseerd water (DI) met een volumeverhouding van 3 (ethanol) tot 1 (DI-water) voor te bereiden oplosmiddel 1. Bijvoorbeeld, meng 9 ml ethanol en 3 ml DI water zodat 12 ml oplosmiddel 1.
   2. Meng 0,3 g van poly (ethyleenoxide) (PEO, M_wt = 400.000) en 9.7 g van het voorbereide oplosmiddel 1 om een polymeeroplossing met 3 wt % van PEO door roeren, met een magneetroerder gedurende meer dan 6 uur bij kamertemperatuur (25 ° C).
   3. Mix Ag nano plakken inkt, die heeft een viscositeit van ongeveer 11.000 cP en de bereid polymeeroplossing, met een gewichtsverhouding van 5 (Ag nano plakken inkt) tot 1 (polymeeroplossing) met behulp van een vortex-mixer voor 10 min voor het verkrijgen van de inkt voor NFES. Bijvoorbeeld 10 g Ag nano plakken inkt en 2 g polymeeroplossing kan gemengd worden om te verkrijgen van de NFES-inkt.
      Opmerking: In dit protocol is de verhouding van de mengen materialen over het algemeen belangrijker dan het specifieke bedrag van de materialen. Verkrijgbare Ag nano plakken inkt voor het scherm drukken, die heeft Ag solide inhoud van ongeveer 85,5 wt %, kan worden gebruikt voor dit doel. Merk op dat de keuze van het oplosmiddel en het polymeer kan verschillen, afhankelijk van de samenstelling van de inkt die wordt gebruikt.
2. Vul de bereid NFES inkt in de spuit.
3. Sluit de spuit met een mondstuk via de aansluitende buis.
   Opmerking: Een commercieel beschikbare spuit-naald met een ID van 100 µm kan worden gebruikt voor de verstuiver.
4. Leveren de inkt naar de verstuiver door het handmatig indrukken van de spuit.
5. Installeer de spuit in de spuit-motor, die is gekoppeld aan het afdruksysteem.
6. Plaats een substraat op de vacuüm chuck en zet de vacuümpomp te houden van het substraat tijdens het afdrukken.
7. De Z-positie (fase) als u wilt aanpassen van de stand-off afstand bepalen.
   Opmerking: De aanbevolen stand-off afstand moet rond 2 mm, dat een aanzienlijk kleinere stand-off afstand t.o.v. gebruikt met conventionele electrospinning is.
8. Aanpassen van het debiet
   1. Werken de spuitpomp om te vullen van de inkt van de NFES in de vergadering van het mondstuk en genereren van een stroom van de inkt met een initiële debiet van 50 µL/min, die hoger is dan het debiet van de doelgroep.
   2. Stel een debiet van de doelstelling van 1 µL/min wanneer de inkt uit het uiteinde van het mondstuk stroomt.
      Opmerking: Een kleiner debiet kan leiden tot een kleinere breedte van de patroon. Echter kan het lijn breuk. De trade-off tussen de lijndikte en de voortzetting van de lijn moet worden beschouwd wanneer het debiet van de doelgroep wordt bepaald.
9. Toepassen van spanning
   1. Sluit de DC spanningsbron aan de nozzle-connector en de spanning van de grond aan de houder van het substraat.
   2. Verhogen van de DC-spanning geleidelijk aan 1,5 kV.
      Opmerking: Aangezien de stand-off afstand in het bereik van een paar millimeter is, de DC-spanning kan verhoogd worden tot 2 kV, die hoger is dan dat van DOD EHD afdrukken Jet. Echter een gelijkspanning hoger dan 2 kV moet vermeden worden omdat het de functioneel materiaal kan beschadigen, met name Ag plakken inkt, toegevoegd aan de polymeeroplossing. In het algemeen is een lagere DC spanning aanbevolen wanneer een dunner gedrukte regel vereist is. Echter, de afgedrukte lijnen kunnen gemakkelijk verbreken wanneer een lage spanning wordt gebruikt, omdat de trekken kracht voor continue inkt afdrukken is gerelateerd aan de gelijkspanning. Gezien de trade-offs, raden we het gebruik van een DC-spanning, variërend van 1 kV tot 2 kV.
10. Beginnen met de stationair afdrukken met een afdruksnelheid van 300 mm/s voor meer dan 10 min te verkrijgen van een steady-state-stroom. Pas de afdrukparameters zoals de DC spanning en stroom tarief tijdens het stationair afdrukken te verkrijgen van de gewenste afdrukresultaten.
    Opmerking: Idle afdrukken van meer dan 10 min is vereist voor het verkrijgen van een steady-state-stroom, omdat de viskeuze inkt kan worden gecomprimeerd in de lange slang tijdens de levering van de inkt aan het uiteinde van het mondstuk. Zonder inactief afdrukken, kan de breedte van de afgedrukte veranderen met de tijd. De inactieve afdruksnelheid, dus moet hetzelfde zijn als de werkelijke afdruksnelheid zodat de jetting parameters worden tijdens het afdrukken aangepast kunnen. Op deze manier wordt de gelijkspanning aangepast tijdens het stationair afdrukken te verkrijgen van de lijndikte van de doelgroep. Noteer dat het debiet en de DC spanning moeten worden afgewogen, zodat de hoeveelheid inkt geduwd door de spuitpomp gelijk is aan de hoeveelheid inkt afgebroken door het elektrische veld kunnen.
11. Kies het afdrukken patroon, zoals een continue lijn en raster patronen.
    Opmerking: Aangezien de geproduceerde vezel kan gemakkelijk worden afgebogen en kan willekeurig worden gedeponeerd vanwege de lading repulsion kracht gegenereerd door de afgedrukte lijnen, de afdruksnelheid moet groter zijn dan 300 mm/s om uit te lijnen op het patroon met de afdrukken richtingen, en de afstand tussen de afgedrukte regels wordt aanbevolen om meer dan 100 µm worden om te kunnen afdrukken van de harnas of lijn patronen.
12. Print het geselecteerde patroon op het substraat met behulp van vooraf bepaalde afdrukparameters.
    Opmerking: Een sinterproces kan verplicht zijn te verkrijgen van de functionaliteiten van de doelstelling van de gedrukte patronen, die buiten het bestek van dit document valt.

Representative Results

Stip-gebaseerde drop-on-demand afdrukken:
DOD afdrukken is gebaseerd op één druppel jetting per één jetting trigger. Voor de productie van DOD jetting, laag-visceuse inkt met een viscositeit van ongeveer 10 moet cP worden gebruikt. De eis van de inkt voor EHD DOD afdrukken is vergelijkbaar met die van de conventionele DOD inkjet, zoals welke afdrukmethode EHD met die van de conventionele DOD inkjet. In het geval van conventionele inkjet printing, de Druktechniek raster wijd gebruikt, omdat het geschikt is voor bitmap afbeelding afdrukken met behulp van meerdere mondstuk hoofden. Echter in het geval van een EHD jet afdrukken is er een limiet op de uitvoering van het hoofd van de multi mondstuk te wijten aan de elektrische cross-talk onder sproeiers. Dus, met behulp van een enkel mondstuk vectorafdrukken wordt meestal gebruikt voor CAD gebaseerde lijn afdrukken. Niettemin, het raster of de vector afdrukken modus moet worden geselecteerd van de afdrukken software voor het afdrukken van verschillende soorten patronen. Merk op dat het algoritme en de implementatie naar gelang de modus variëren kunnen. In de vector-modus, gelijktijdige bewegingen toelaat in de x, worden y richtingen gebruikt voor het afdrukken van de lijnen, overwegende dat, met het raster voor afdrukken in een enkele as wordt gebruikt voor het afdrukken van stippen in de hoofdrichting en ga naar de volgende swath in de sub richting. Representatieve afdrukresultaten met behulp van raster- en vectorgegevens afdrukken worden weergegeven in Figuur 4.

Figuur 4: typische afdrukresultaten met behulp van DOD EHD jetting. (een) dit paneel toont bitmapafdrukken (raster afdrukken). (b) dit paneel toont vectorafdrukken op basis van CAD-gegevens. Stip gebaseerde EHD jet afdrukken kan worden gebruikt om zowel bitmapafbeeldingen (raster afdrukken) en CAD gebaseerde regels (vectorafdrukken) te drukken. Hier, werden DC spanning van 250 V en een puls spanning van-250 V gebruikt voor het afdrukken van de beide patronen. In het deelvenster een, was de druppel interval ingesteld op 10 µm om te scheiden van de puntjes. In deelvenster b, werd het patroon gedrukt met behulp van een frequentie van 10 Hz en een daling van de interval van 3 µm, zodat de stippen zijn verbonden met vormlijnen.

In de buurt van-veld electrospinning:
NFES maakt gebruik van zeer viskeuze inkt van meer dan 1.000 cP te drukken patronen voortdurend. Dus, het kan niet afdrukken bitmapafbeeldingen noch CAD gegevens met afdrukken en niet-afdrukbare locaties. Dientengevolge, in plaats van ingewikkelde patronen is NFES geschikt voor afdrukken rechte lijnen met behulp van een hoge afdruksnelheid. Raster patronen worden vaak gebruikt als afgebeeld in Figuur 5.

Figuur 5: typisch afdrukken resultaat van NFES. (een) dit paneel toont een typische rasterpatroon om electrospinning af te drukken. (b) dit paneel toont het effect van de afdruksnelheid op het afdrukken resultaat. NFES vereist een hoge afdruksnelheid voor twee doeleinden: smaller maken patroon en uitlijnen van de afdrukken patronen met betrekking tot het afdrukken richting. Aangezien het jetting gedrag onvoorspelbaar in de langzame afdrukgebied is, moet de snelle afdrukgebied door met uitzondering van de niet-rechte-lijn delen worden gebruikt.

Als u wilt afdrukken continu patronen met behulp van NFES, moet de afdruksnelheid sneller dan 300 mm/s tot het uitlijnen van de gedrukte patronen met de afdrukken richting. Een snelle afdruksnelheid helpt ook om een dunne patroon breedte¹¹. De overbrengingsverhouding van de breedte van de patroon met betrekking tot de ID van het mondstuk zou meer dan 20 x, afhankelijk van de afdrukvoorwaarden. Bijvoorbeeld, een mondstuk ID van 100 µm kon het produceren van een patroon breedte kleiner is dan 5 µm. NFES is dus een zeer effectieve methode om zeer fijne patronen zeer viskeuze inkt gebruiken. De patroon rechtheid en breedte zijn echter gemakkelijk onderworpen aan de variatie snelheid afdrukken. Merk op dat er onvermijdelijke versnelling en vertraging regio's waar de afdruksnelheid zeer worden kan laag (of nul) om de afdrukken richting te veranderen. In die regio's, kunnen de gedrukte patronen worden niet-uniforme en neutrale ten aanzien van de bewegende richting. Daarom raden we het gebruik van de gedrukte patronen in de buurt van de snelle regio alleen. De gedrukte patronen in de buurt van versnelling en vertraging regio's (de laag afdrukken snelheid) moeten worden afgevoerd, zoals weergegeven in figuur 5a. In sommige gevallen kan een lage jetting snelheid worden gebruikt voor het genereren van een golfpatroon. Met behulp van een lage afdruksnelheid van minder dan 100 mm/s, kunnen de patronen worden golvende, zoals aangegeven in Figuur 6. Het golvende patroon kan zinvol zijn in rekbare elektronica toepassingen. De lijndikte kan vanwege de lage afdruksnelheid echter toenemen tot meer dan 10 µm.

Figuur 6: voorbeeld van golvende patronen met behulp van de lage afdruksnelheid. Een lage afdruksnelheid (ongeveer 100 mm/s) kan produceren golvende lijnen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In sommige druktoepassingen zijn uiterst fijne patronen met een breedte kleiner is dan 1 µm nodig. Om te bereiken dat een fijn patroon, een drukkerij snelheid zo snel als 1 m/s kan worden beschouwd. Een te hoge afdruksnelheid kan echter resulteren in verbroken (of gebroken) lijnen. Dus, verschillende afdrukvoorwaarden zoals de stroomsnelheid, lijndikte, afdruksnelheid en rekbaarheid van het polymeer moeten worden geoptimaliseerd om afdrukken van fijne patronen zonder een breuk van de lijn. Figuur 7 ziet u bijvoorbeeld de stroom tarief effecten op de afdrukresultaten wanneer de afdruksnelheid en de DC spanning 300 zijn mm/s en 1200 V, respectievelijk.

Figuur 7: patroon breedte in overeenstemming met de stroomsnelheid. Het debiet is gerelateerd aan de breedte van het patroon. Met een lager debiet, kan een fijnere patroon worden verkregen. Bijvoorbeeld, als het debiet hoog met 50 µL/min is, zou de linewidth groot met 34 µm. Wanneer het debiet reduceert tot 1 µL/min en 0.1 µL/min, fijnere patronen met een breedte van 8 µm en 1 µm, respectievelijk, kan worden verkregen. Merk op dat als het debiet te klein is, het lijnpatroon kan worden gebroken en de verbinding verbroken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur S1: Standby meniscus vorm volgens afdrukvoorwaarden. De juiste meniscus vorm moet worden gehandhaafd tijdens het drukproces door middel van de juiste luchtdruk en een achtergrond van de gelijkspanning om stabiele DOD jetting. Klik hier om dit bestand te downloaden.

S2 figuur: schematische electrospinning afdrukkosten. De onderdelen voor electrospinning afdrukken worden weergegeven. Opmerking dat een hoge gelijkspanning op de nozzle houder voorzien van elektrische ladingen op de inkt en produceren van het elektrische veld dat de inkt aan de ondergrond trekt werd toegepast. In het geval van NFES, de stand-off afstand het uiteinde van het mondstuk aan de ondergrond moet 1 ~ 3 mm voor lineaire afdrukken langs de afdrukken richting. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

In dit protocol, richten we ons op het afdrukken van fijne patronen met AgNP inkt met twee modi: DOD EHD afdrukken en NFES. De EHD-jet afdrukken van de toepassing is echter niet beperkt tot de geleidende inkt met behulp van AgNP. Hier bespreken we de algemene richtsnoeren voor de selectie van inkt, de configuratie van het systeem en andere afdrukparameters moest EHD jet afdrukken voor diverse toepassingen, boete-patroon gebruiken.

De eerste en belangrijkste stap voor EHD afdrukken is inktselectie en voorbereiding. De inkt die wordt gebruikt in de conventionele inkjetdruk kan worden gebruikt in DOD EHD afdrukken. De viscositeit van inkt voor DOD inkjetdruk is in het bereik van 1 ~ 50 cP (meestal 10 cP)¹⁴. Echter moet worden opgemerkt dat de pneumatische beheermethode voor DOD EHD afdrukken van die van een conventionele DOD inkjet verschilt. Conventionele inkjetprinters gebruiken onderdruk om de locatie van de meniscus binnenkant van het mondstuk oppervlak om te voorkomen dat alle inkt druipen en mondstuk bevochtiging. Aan de andere kant, EHD DOD afdrukken maakt gebruik van positieve druk, die de inkt om te vormen van een geëxtrudeerde meniscus kan duwen. Merk op dat als de inkt viscositeit meer dan 100 wordt cP, de meniscus is moeilijk te controleren, omdat de lucht kan dan gemakkelijk worden gecomprimeerd in plaats van push inkt naar het uiteinde van het mondstuk. Het viscositeitsbereik voor jetting kan afhangen van de nozzle-ID. Als een kleinere mondstuk die id wordt gebruikt, moet de viscositeit dienovereenkomstig worden verlaagd om de inkt naar het uiteinde van het mondstuk zonder teveel lucht-compressie.

De oppervlaktespanning van de inkt is ook belangrijk voor de juiste jetting. De oppervlaktespanning van de inkt moeten in het bereik van 20-40 mN/m zijn. Als de oppervlaktespanning minder dan 20 mN/m is, zal spuiten effecten domineren. Als de oppervlaktespanning meer dan 40 mN/m is, zal het moeilijk zijn om een conische meniscus, die nodig is voor de juiste EHD jetting vormen.

Figuur 8: oppervlaktespanning effecten van EHD jetting. De aanbevolen oppervlaktespanning voor inkt is in het bereik van 20-40 mN/m. Als de oppervlaktespanning laag wordt, zal de spuiten effecten op het substraat domineren. Aan de andere kant, als de oppervlaktespanning te hoog is, is goede EHD jetting onwaarschijnlijk, omdat de conische meniscus moeilijk is te bereiken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Als de oppervlaktespanning van een inkt meer dan 40 mN/m is, kan een kleine hoeveelheid van de oppervlakteactieve stof worden toegevoegd aan de inkt om de oppervlaktespanning. Echter, het gebruik van buitensporig oppervlakteactieve stof kan spuiten van inkt op het substraat. Merk op dat geladen inkt met de sommige polariteit een weerzinwekkend kracht tijdens de vlucht van de jet, resulterend in het sproeien op het substraat kan produceren. Verklein de spuiten effecten en kan de vermindering van de drijvende spanningen of de stand-off afstand worden beschouwd.

Een andere belangrijke parameter voor betrouwbare jetting is het kookpunt. Omdat de ID van het mondstuk is zeer klein in het geval van een EHD jet, de geëxtrudeerde meniscus, als gevolg van overdruk, kan gemakkelijk worden gedroogd en verstoppen de verstuiver. Verklein de inkt drogen op het puntje van het mondstuk en moet de belangrijkste oplosmiddel worden geselecteerd, gebaseerd op het feit dat zijn kookpunt hoger dan 150 ° C. is Om te voorkomen dat eventuele verstopping als gevolg van deeltje aggregatie, overwegen de inkt filteren met filters met een grootte van de poriën kleiner is dan de id van de sproeier. Ook moet de deeltjes in de inkt minstens 10 x kleiner is dan de id van de sproeier. In het algemeen, kunnen de inkten die geschikt voor een conventionele Piëzo-inkjet zijn ook worden gebruikt voor het DOD EHD afdrukken.

NFES inkt heeft hogere viscositeit vergeleken met die van DOD EHD inkjet inkt. De viscositeit moeten in het bereik van verscheidene duizend cP. Om een continue af te drukken, wordt een polymeeroplossing gemengd met functionele inkt. De toepassing van NFES is onlangs uitgebreid van vezel productie^15,16 tot diverse toepassingen door het mengen van functionele materialen met de polymeer oplossing¹⁷. Voor de Polymeeroplossingen, worden PEO en PVP (Polyvinylpyrrolidon), etc.^4,5,17,18,19, die een hoog moleculair gewicht hebben, vaak gebruikt. De belangrijkste zorg met NFES is voor het behoud van het continu afdrukken vermogen met behulp van het polymeer, terwijl de inkt het materiaal van de functionaliteit, zoals geleidbaarheid houdt. De mengverhouding van de polymeeroplossing met betrekking tot de functionele materialen moet daarom zorgvuldig worden geselecteerd. Ook, in tegenstelling tot het geval van DOD, een oplosmiddel met een lager kookpunt (minder dan 100 ° C) is meestal gebruikt om de polymeeroplossing te maken.

Hoewel een conventionele inkjet inkt kan worden gebruikt in DOD EHD printing, de druk controlemethoden voor EHD afdrukken zijn anders dan die van een conventionele inkjet. EHD afdrukken maakt gebruik van positieve druk om de geëxtrudeerde meniscus van het mondstuk, terwijl een conventionele inkjet maakt gebruik van negatieve druk. Voor positieve drukregeling, twee soorten druk controle methoden — hydrostatische druk en druk air — kunnen worden gebruikt, afhankelijk van de inkt viscositeit en mondstuk ID zoals aangegeven in Figuur 9. Voor een kleinere mondstuk, moet luchtdruk in plaats van hydrostatische druk worden gebruikt voor het duwen van de inkt aan het uiteinde van het mondstuk. Een goede controle van de luchtdruk kan echter moeilijk bij het gebruik van dikvloeibaar inkt of een mondstuk met een ID minder dan 2 µm, omdat de lucht kan gemakkelijk worden gecomprimeerd. Aan de andere kant, als de grootte van het mondstuk meer dan 50 µm is, een lichte variatie van de luchtdruk kan invloed hebben op de locatie van de meniscus. Als de viscositeit van de inkt laag is en het mondstuk meer dan 50 µm is, moet hydrostatische druk met fluidic hoogte worden gebruikt om de locatie van een consistente meniscus.

Figuur 9: druk controle voor DOD jetting. Positieve druk is nodig om de geëxtrudeerde meniscus op een stand-by status. De druk voor de meniscus kan worden gecontroleerd door de hydrostatische druk (met behulp van het hoogteverschil tussen het reservoir van de inkt en het uiteinde van het mondstuk) of de samengeperste lucht uit een luchtcompressor. De selectie van de controlemethoden moet verschillen naar gelang het mondstuk grootte en inkt viscositeit. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

In het geval van NEFS, kan een spuitpomp te voeren van de inkt aan het mondstuk, omdat de zeer viskeuze inkt kan niet worden geduwd door de luchtdruk worden gebruikt. Opmerking dat de inkt kan worden onder druk en automatisch wordt gecomprimeerd wanneer het wordt geleverd in een constante stroom stem via een spuitpomp. Ook misschien geruime tijd wel vereist voor de gecomprimeerde inkt te bereiken van een stationaire stroming aan het uiteinde van het mondstuk. Om te minimaliseren van de effecten van de inkt-compressie op afdrukken, moet de aansluitende buis ingevoegd tussen de spuit en de mondstuk tip zo kort mogelijk. Ook zou de aansluitende buis moeten hard aan het minimaliseren van de gevolgen van de uitbreiding veroorzaakt door de druk viskeuze inkt. Om te minimaliseren van de effecten van de compressie inkt, moet de spuit worden gekoppeld aan de afdrukapparatuur (stadia) om de lengte van de buis aansluiten van de spuit op het mondstuk. Voor dit doel gebruikten we een spuitpomp waarvan de motor van de schroef kan worden losgekoppeld van de controller, zoals weergegeven in Figuur 10.

Figuur 10: een Fluidic systeem voor electrospinning. Het fluidic systeem voor electrospinning bestaat uit twee delen: de spuit pompsysteem en de vergadering van de spuit-mondstuk. De spuit pompsysteem omvat een stroomregelaar tarief en een schroef-motor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Een van de belangrijke parameters voor het bepalen van de dot grootte of patroon breedte is de nozzle-ID. In tegenstelling tot de conventionele inkjet hoofd vereist een hoofd EHD geen actuatoren of complexe vloeistof kanalen. Het vereist alleen een mondstuk zoals een naald van de spuit of een glazen capillaire mondstuk, die is aangesloten op een hoge spanningsbron. Hier, de juiste afmetingen van de verstuiver die id moet worden gekozen op basis van de viscositeit van de inkt, evenals de breedte van het patroon. Bijvoorbeeld, in het geval van een DOD afdrukken met behulp van een viscositeit lager dan 100 cP, de nozzle-ID moet minder dan 50 µm. Met het oog op een stabiele en consistente afdrukken, moet de geëxtrudeerde meniscus op stand-by status blijven op dezelfde locatie. Nochtans, wanneer een mondstuk met een ID die groter is dan 50 µm gebruikt, lichte variaties van de luchtdruk is, spanning, rijden en stand-off afstand kan gemakkelijk beïnvloeden de meniscus locatie van laag-visceuse inkt. Merk op dat de locatie van een meniscus is gerelateerd aan de jetting bedrag: een lagere locatie meestal produceert meer druppeltjes. Daarom, als u een mondstuk met een grote ID, is het zeer moeilijk te verkrijgen van dot uniformiteit in het afdrukproces DOD. Daarom, het mondstuk dat id minder dan 10 µm moet om afgedrukt puntgrootte uniformiteit. Het gebruik van een mondstuk met een kleinere-ID heeft het voordeel van afdrukken kleinere puntjes. Bijvoorbeeld de ID van een mondstuk met 3 µm kan afdrukken stippen zo klein als 3 µm en de puntgrootte kan verder worden verminderd met behulp van een mondstuk met kleinere ID. Als u wilt een mondstuk met een kleine ID, wordt een glazen viscometerbuizen vaak gebruikt, omdat de verstuiver schoon met het doel dat id kan gemakkelijk worden gemaakt via een verkrijgbare thermische trekker. Aan de andere kant, moet NFES een mondstuk-ID die groter is dan 50 µm, afdrukken van hoge viscositeit (meer dan 1.000 cP) inkt. Normaal gesproken wordt een mondstuk met een ID van 100 µm vaak gebruikt om boete-patroon af te drukken met de breedte van een patroon van minder dan 5 µm. Hier, kan een commercieel beschikbare spuit-naald worden gebruikt voor dit doel.

In zowel DOD EHD jet en NFES jetting, wordt inkt viscositeit geacht te selecteren de nozzle-ID. Ook moet de hoeveelheid druk (of debiet) in het fluidic systeem worden bepaald op basis van het mondstuk ID en inkt viscositeit. Figuur 11 toont de relatie tussen drie belangrijke factoren: inkt viscositeit, mondstuk grootte, en lucht druk (of debiet). Zoals aangetoond in Figuur 11, moeten zowel hoge druk en een mondstuk met een grote ID worden gebruikt bij het gebruik van hoge-visceuze inkt, terwijl lage luchtdruk en een mondstuk met een kleinere-ID moeten worden gebruikt voor laag-visceuse inkt jetting.

Figuur 11: het mondstuk selectie richtsnoer met betrekking tot de viscositeit en druk. Deze figuur wordt de relatie tussen het mondstuk ID, viscositeit en pneumatische druk uitgelegd. Bijvoorbeeld, als een zeer viskeuze inkt wordt gebruikt, een grotere sproeier en/of hogere luchtdruk nodig zijn, of vice versa. Ook voor de controle van de meniscus, is hogere luchtdruk nodig bij gebruik van een mondstuk met een kleinere ID, of vice versa. Echter hoge luchtdruk kunt niet duwen de inkt goed tot aan de vingertop mondstuk als de ID van het mondstuk erg klein is of de viscositeit te hoog, is want de lucht kan gemakkelijk worden gecomprimeerd. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Tijdens het afdrukken, kan het buitenste deel van de verstuiver door de inkt stroomt van het mondstuk uiteinde worden bevochtigd. In de aanwezigheid van belangrijke bevochtiging, kan goede jetting controle moeilijk zijn. De mogelijke oorzaak van bedplassen kan ofwel uit oneigenlijke inkt eigenschappen, zoals de oppervlaktespanning, of door een onjuiste instelling van parameters zoals DC spanning en druk/stroom tarief. Als het bedplassen op het mondstuk aanhoudt, mondstuk oppervlaktebehandeling worden gevraagd zodat het mondstuk oppervlak hydrofobe kenmerken met betrekking tot de inkt kan hebben.

Voor het DOD afdrukken, twee verschillende soorten spanning bronnen zijn vereiste^7,11: een gelijkspanning van de achtergrond te houden van de stand-by meniscus vorm, en een puls spanning voor het genereren van DOD jetting. NFES wordt echter alleen DC spanning bij continu micro-lijnpatronen met zeer viskeuze inkt afdrukken (meer dan 1.000 cP). De hoogspanning van de DC, variërend van 1 kV tot 2 kV werd toegepast op de metalen connector ingevoegd tussen het mondstuk en de buis. Als u wilt afdrukken een rechte lijn, gebruikten we de korte stand-off afstand van 1 ~ 3 mm, en dat is de reden waarom de methode heet "in de buurt van-veld" electrospinning (NFES), die verschillende eigenschappen in vergelijking tot de conventionele ver-veld electrospinning^{12,13 heeft} .

In dit protocol, een glazen substraat werd gebruikt voor de experimenten, maar verschillende soorten substraat volgens de toepassingen kunnen worden gebruikt. Echter, opgemerkt moet worden dat substraten die een hoge isolatie-eigenschap [bijvoorbeeld polyethyleentereftalaat (PET) film hebben] voorbehandeling, zoals een chemische coating moeten, voor het verwijderen van de elektrische statische lasten die op het oppervlak kunnen worden opgebouwd.

Als u wilt een EHD jet gebruiken voor diverse toepassingen, zijn de richtsnoeren voor het printen en voorbereiding samengevat in tabel 1.

	DOD EHD jet afdrukken	In de buurt van veld electrospinning (continu afdrukken)
Inkt eis	Viscositeitsbereik: 1 ~ 100 cP.	Viscositeit: 100 cP ~ 10.000 cP.
	Oppervlaktespanning: 20-40 mN/m.	Kookpunt: minder dan 100 ° C.
	Kookpunt van oplosmiddel: meer dan 150 ° C.
Fluidic systeem	Vloeibare hoogte (hydrostatische werking):-mondstuk met een inwendige diameter van meer dan 50µm.	-Spuitpomp met constant debiet.
	Luchtdruk: mondstuk met een inwendige diameter kleiner dan 10 µm.
Mondstuk binnendiameter eis	Niet meer dan 10 µm wordt aanbevolen voor stabiele jetting.	Meer dan 100 µm kan worden gebruikt voor dunne patronen met minder dan 5µm breedte.
	In het algemeen: inwendige diameter met 5 µm over stippen met grootte van 5µm kunt afdrukken.
Spanning eis	Gelijkspanning achtergrond: minder dan 600 V	DC-spanning: minder dan 2 kV.
	Spanning voor de jetting Pulse: enkele honderden volt.
Afdruksnelheid	Lage, minder dan 10 mm/s.	Sneller dan 300 mm/s.
Software eis	Raster afdrukken (bitmapafbeelding).	Eenvoudig raster patronen.
	Vectorafdrukken (CAD gebaseerd informatie).	Patronen met aan / uit-eis is onmogelijk vanwege het ononderbroken karakter van het jetting.

Tabel 1: de samenvatting van voorbereiding en afdrukken richtsnoeren voor DOD en continu EHD jet. De tabel geeft een overzicht van de systeemvereisten en aanbevelingen voor fijne patronen met behulp van de jet EHD.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
EHD integrated printing system	Psolution Ltd., South Korea	PS300
Harima Ag Nanoparticle ink	Harima Inc., Japan	Harima NPS-JL	Ag solid content: ~ 53 wt%, Viscosity: ~10 cP, Surface tension: ~30 mN/m
Glass capillary	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Inner diameter: 1 mm; Used to make nozzle for DOD EHD jet printing using thermal puller
Nozzle thermal puller	Sutter Instrument, USA	Sutter P-1000
Microscope Slides (Glass subtrate)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Germany	10 006 12	Dimension (L x W x T): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Magnetic Stirrer	Barnstead Thermolyne Corp., USA	Cimarec SP131635
Vortex Stirrer	Jeiotech, South Korea	Lab Companion VM-96T
Ag nanopaste	NPK, South Korea	ES-R001	Ag solid content: ~85.5 wt%, Viscosity: ~11000 cP
Poly ethylene oxide (PEO)	Sigma-Aldrich, USA	372773-500G	Mw = 400000
Ethanol	Sigma-Aldrich, USA	459836-500ML