Hochauflösende Musterung mit zwei Modi der Electrohydrodynamic Jet: Drop-on-Demand und Nahfeld-Elektrospinnen

Summary

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um hochauflösende leitfähige Muster mit Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck zu produzieren. Das Protokoll enthält zwei Modi der EHD Jet Druck: die kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und die Dot-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) Jet Druck hat in verschiedenen Bereichen hingewiesen, weil es als ein Werkzeug mit hoher Auflösung und Low-Cost direkte Strukturierung verwendet werden kann. EHD Drucken verwendet fluidische Lieferant, um den extrudierten Meniskus durch schieben die Tinte aus der Düsenspitze zu halten. Das elektrische Feld dient dann den Meniskus bis auf das Substrat hochauflösende Muster produzieren zu ziehen. Zwei Modi der EHD Druck werden seit feine Musterung: kontinuierliche Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und Punkt-basiertes Drop-on-Demand (DOD) EHD drucken. Je nach den Druckmodi werden die Anforderungen an die Druckerei Ausrüstung und Tinte Viskosität unterscheiden. Obwohl zwei verschiedene Modi mit einem einzigen EHD-Drucker implementiert werden können, die Realisierung Methoden unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Tinte, fluidische System und fahrspannung. Folglich, ohne ein korrektes Verständnis der sprühvolumen Anforderungen und Einschränkungen ist es schwierig, die gewünschten Ergebnisse erzielen. Dieses Papier soll eine Leitlinie zu präsentieren, damit unerfahrene Forscher die Versuch und Irrtum Bemühungen um die EHD-Jet für ihre spezifischen Forschungs- und Entwicklungszwecke verwenden verringern können. Um die feine Musterung Umsetzung zu demonstrieren, verwenden wir Ag Nanopartikel Tinte für die leitfähigen Musterung in das Protokoll. Darüber hinaus präsentieren wir auch die generalisierten Drucken Richtlinien, die für andere Arten von Tinte für verschiedene feine Musterung Anwendungen verwendet werden können.

Introduction

EHD Jet Druck hat in verschiedenen Bereichen, wie gedruckte Elektronik, Biotechnologie und erweiterte Materialanwendungen verbreitet denn es ist in der Lage, hochauflösende und Low-Cost direkte Musterung¹. Die gedruckten Linienbreite oder gedruckten Punktgröße konnte bis 1 µm ist deutlich kleiner als die der konventionellen Piezo-basierte Inkjet drucken¹reduziert werden.

In EHD-Druck, ein kleiner Teil der Tinte (oder Meniskus) verdrängt die Düsenspitze und gepflegt durch die Kontrolle der Flow Rate^1,2,3,4,5 oder positiver Luftdruck^{1 ,6,7}. Die extrudierte Meniskus ist geladen und kann problemlos gezogen werden aus der Düsenspitze auf das Substrat durch ein elektrisches Feld, wie in Abbildung 1dargestellt. Konische Meniskus bildet sich während der jetten, produzieren einen Tinte Stream viel dünner als die Größe der Düse.

Abbildung 1: EHD Druck. Die Abbildung zeigt das Prinzip der EHD Jet Druck. Tinte wird per Druck geschoben und gezogen durch ein elektrisches Feld um eine extrudierte Meniskus aus der Düse zu bilden. Dann kann die geladene Tinte leicht Substrat über einen DC oder Impulsspannung ausgestoßen werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Obwohl ein EHD Drucker für zwei verschiedene Modi, Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) und Drop-on-Demand (DOD) EHD Jet Druck verwendet werden kann, unterscheiden die Realisierung Methoden stark voneinander Tinte, fluidische System und treibende Spannung^{1 , 2 , 3}. NFES^4,5 verwendet beispielsweise eine relativ hohe zähflüssige Tinte [mehr als 1.000 Centipoise (cP)], kontinuierliche Mikro-Linienmuster mit High-Speed-Druck bis zu 1 m/s zu bilden. Auf der anderen Seite DOD EHD Jet Druck^6,7,8 Verwendungen niederviskosen Tinte mit einer Viskosität von etwa 10 cP Dot-basierte komplexe Muster mit einem niedrigen Druck drucken weniger als 10 mm/s Geschwindigkeit.

Da die Voraussetzung für jeden Modus deutlich unterschiedlich ist, kann es schwierig für unerfahrene Forscher, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen sein. Die empirische "Know-how" könnte in der Praxis wichtig sein. Um Forscher daran gewöhnen zu helfen präsentieren wir das Druckverfahren EHD Protokolle für feine leitfähige Musterung mit Ag Nanopartikel Tinte drucken. Jedoch haben wir Kommentare zu den Protokollen hinzugefügt, so dass sie nicht auf eine leitfähige Musterung mit Ag Nanopartikel Tinte begrenzt sind. Schließlich werden Druck und Verarbeitung Richtlinien im Abschnitt Diskussion dargestellt.

Protocol

Gesundheit und Sicherheit Zwecken, vor der Verwendung Tinte und Reinigungslösung beziehen sich auf die materiellen Sicherheitsdatenblatt (MSDS).

1. Drop-on-Demand-Electrohydrodynamic-Jet-Druck mit Silber-Nanopartikel-Tinte

1. Füllen Sie die gefilterten Silber-Nanopartikel (Psychopharmakologie) Tinte in die Farbwanne des Drucksystems EHD.
   Hinweis: Handelsübliche Psychopharmakologie Tinte für Inkjet Zweck einsetzbar. Die Tinte muss eine Viskosität von rund 10 cP und eine Oberflächenspannung von 20 ~ 40 mN/m, Drop-on-Demand jetten zu erhalten.
2. Nehmen Sie eine Düse für das DOD EHD Drucken mithilfe einer thermischen Puller vor.
   1. Stellen Sie ein Glas Kapillare [Innendurchmesser (ID) von 1 mm] in der thermischen Abzieher.
   2. Legen Sie die Parameter der thermischen Abzieher; beispielsweise die Heizung Temperatur im Bereich von 580-590 ° C und ein Ziehen von rund 18 mm/s Geschwindigkeit.
      Hinweis: Die Parameter für die thermische Puller sollte das Ziel Düse-ID und den Umgebungsbedingungen variieren.
   3. Betreiben des thermischen Abziehers mit den eingestellten Parametern, Hitze in der Mitte der Kapillare und ziehen an beiden Enden zu einer Düse mit der ID 5 µm anzuwenden.
      Hinweis: Bestimmen Sie die Größe der Düse ID anhand der Ziel-Punkt-Größe auf dem Substrat. Als Referenz könnte die Düse ID von 5 µm 5 µm Größe Punkte drucken.
   4. Passen Sie die Länge der Glas-Düse durch Schneiden der Glas Düse über einem Glasschneider an.
3. Montieren Sie die Düse der Düsenhalter und Stecker, die mit Tinte Reservoir über Polytetrafluorethylen (PTFE) Schläuche verbunden sind.
4. Wenden Sie den Luftdruck, Tinte, die Düsenspitze zu liefern.
   1. Schalten Sie den Luftdruck Controller und Luft Druck von 15 ~ 20 kPa bis Farbwanne, Tinte, die Düsenspitze zu liefern. Überwachen der Tintenfluss durch das transparente Glas-Düse und Schlauch um sicherzustellen, dass keine Luft in das Rohr und Düse gefangen ist, bei der Versorgung von der Tinte. Halten Druck Luft auf der Farbwanne bis Tinte an der Düsenspitze angezeigt wird.
      Hinweis: Reduzieren Sie den Druck nicht, bevor die Tinte an der Düsenspitze erscheint, weil die Blase Lufteinschlüsse an der Düsenspitze führen könnten.
   2. Reduzieren Sie den Druck auf ca. 12 kPa und den extrudierten Meniskus ohne jede Tinte tropft aus der Düsenspitze zu warten.
      Hinweis: Der richtige Luftdruck hängt von der Düse Größe und Tinte Viskosität. Erhöhen Sie den Luftdruck auf mehr als 30 kPa, übermäßige Luftverdichtung zu vermeiden, die für die Aufrechterhaltung des Meniskus in einem stabilen Zustand unerwünscht ist nicht.
5. Befestigen Sie den montierten Düsenkopf in das Drucksystem.
6. Ein Glassubstrat auf dem Vakuum Futter des Inhabers Substrat und schalten Sie der Vakuumpumpe, das Substrat zu halten ein.
7. Verschieben Sie die z-Achse-Phase, um die Pattsituation (H) Entfernung – die Lücke zwischen der Düsenspitze und die Substrat-Position – etwa 100 µm. nutzen die Seitenansicht Bild von der Überwachungskamera erworben, um Stand-off Abstand zu schätzen, mit der Entfernung der Düsenspitze für seine Überlegungen, wie in Abbildung 2dargestellt.
   Hinweis: Ein kleiner Abstand führt zu einem höheren elektrischen Feld, das Drucken mit einem niedrigeren DC und Puls Spannungen für jetten erleichtert. Jedoch kann ein geringer Abstand zu größeren Tropfen führen. Daher sollte das Ausmaß der Spannungen entsprechend reduziert werden, um die gewünschte Punktgröße zu erhalten. Im Allgemeinen empfiehlt sich die Verwendung einer niedrigeren Spannung kleiner gedruckten Punkte mit weniger Spritzen zu erhalten. Eine sorgfältige Bedienung ist jedoch erforderlich, wenn der Abstand weniger als 50 µm, wegen der höheren Chance Düse Bruchgefahr durch Kollision mit dem Substrat wird. In Anbetracht der Trade-off-Beziehung zwischen sprühvolumen Fähigkeit und Zuverlässigkeit empfehlen wir die Verwendung von einem Abstand von 100 µm.

Abbildung 2: Stand-off Abstand Anpassung mithilfe von Side View Kamera-Bild. Die Düse Bild von einer Seitenansicht Kamera kann verwendet werden, um den Abstand zu schätzen. Der Stand-off Abstand (H) aus der Düsenspitze auf das Substrat kann leicht als die Hälfte der Abstand zwischen der Düsenspitze seinen Schatten geschätzt werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

8. Gelten DC und Puls Spannungen
   Bemerkung: Die DC und Puls Spannungen kann kontrolliert über die Druckersoftware.
   1. Die DC-Spannung schrittweise bis die Tinte tropft aus der Düsenspitze zu erhöhen.
      Hinweis: Die Ziel-Spannung nicht gleichzeitig anwenden. Die inkrementelle Spannung sollte weniger als 100 V gleichzeitig sein. Alles in allem eine Gleichspannung von mehr als 600 V nicht anwendbar.
   2. Reduzieren Sie die DC-Spannung etwas von Anfang DC-Spannung, bis keine weitere Tinte aus der Düse tropft beobachtet wird.
      Hinweis: Nach der Einstellung der pneumatischen Druck und DC-Spannung sollte der Meniskus in eine geeignete Form für jetten siehe Ergänzende Abbildung S1.
   3. Stellen Sie eine negativer Impulsspannung mit den Parametern der t_steigen = 0 ~ 100 µs, t_wohnen = 300 µs und t_fallen = 0 µs⁷ (Abbildung 3) im Software-Menü.
   4. Gelten Sie die negative Impulsspannung am Substrat Halter. Passen Sie dann das Ausmaß der Impulsspannung, V-_Impuls, um einen Tropfen pro Einzelimpuls Spannung zu erzeugen.
      Hinweis: Das Ausmaß der negativen Impulsspannung, V_Puls, sollte kleiner als 600 V sein.
   5. Passen Sie die Gleichspannungen Hintergrund und Puls um die Zielgröße Tröpfchen auf das Substrat unter Beachtung der jettete Punkte auf das Substrat im Kamerabild Seite Ansicht zu erhalten.
      Hinweis: Um kleine Punkte mit weniger Spritzen auf dem Substrat zu erzeugen, sollte das Ausmaß der Impulsspannung, V_Puls, so gering wie möglich sein.

Abbildung 3: Puls Spannung für DOD EHD jetten. Trapezförmigen Wellenform Spannung wird empfohlen, um DOD EHD jetten⁷zu produzieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

9. Druckmuster
   Hinweis: Zwei verschiedene Arten von Muster eignet sich für DOD EHD drucken: bitmap-Bild und (CAD)-Vektorinformationen basieren. Bitmap-Bild hat in DOD-basierte Inkjet-Druck verbreitet worden. Jedoch im Falle der gedruckten Elektronik-Anwendungen hat CAD-basierte Vektorinformationen Vorteile gegenüber DOD-basierte Inkjet-Druck, weil es effizient in Linie-basiertes Drucken mit einem einzigen EHD-Kopf. Zur gleichen Zeit kann ein Bitmap-Bild für das Bitmap-Bild drucken die Vektorinformationen umgewandelt werden.
   1. Bitmap-Bild drucken
      1. Laden Sie ein Bitmap-Bild in der Registerkarte "Drucken" die Druckersoftware und wandeln Sie es in ein binäres Bild.
      2. Legen Sie die Parameter für das binäres Bild drucken. Zum Beispiel Intervall Drop (d.h. der Abstand zwischen 2 aufeinanderfolgenden Pixel) bei 10 µm.
         Hinweis: Das Bitmap-Bild muss keine Abmessungen. Die Abmessungen des gedruckten Bildes werden auf das Drop-Intervall bezogen werden. Beispielsweise wird das gedruckte Bild größer, wenn eine größere Tropfen Intervall verwendet wird. In herkömmlichen Inkjet-Druck, hat Punkt pro Zoll (DPI) häufig für diesen Zweck verwendet wurden. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass eine kleinere DPI eine größere Tropfen-Intervall bedeutet. Um die Drop-Intervall bestimmen, sollte die gedruckten Punktgröße betrachtet werden. Im Allgemeinen ist das Drop-Intervall für die EHD DOD Druck deutlich kleiner als die der herkömmlichen Inkjet-Druck.
      3. Drucken mit der ausgewählten Bitmap auf die Zielposition im Substrat beginnen.
   2. Vektor-Druck, basierend auf CAD-Informationen
      1. Laden Sie CAD-Daten für den Druck.
         Hinweis: Das Dateiformat DXF, die Text-basierte CAD-Informationen ist, kann für die Druckinformationen verwendet werden.
      2. Legen Sie die Parameter für den Vektor Druck; zum Beispiel Intervall Tropfen auf 3 µm und die sprühvolumen Frequenz 10 Hz.
         Hinweis: Um die Verbindungslinie Muster drucken, sollten die Tropfen Intervall werden so gewählt, dass benachbart hinterlegt, dass Tropfen leicht überlappen. Zuviel Überlappung kann jedoch eine größere Linienbreite führen. Eine Überlappung von ca. 30 % empfiehlt sich für alle praktischen Linie drucken. Im Falle von Vektor-Druck, die Geschwindigkeit (V) die folgende Gleichung.
         V = d × f
         Hier,
         d = die Drop-Intervall und
         f = sprühvolumen Frequenz.
      3. Drucken Sie die geladene Muster auf dem Substrat mit vorher festgelegten Druckparameter wie Drop-Intervall, die Druckgeschwindigkeit, Spannung, usw.
         Hinweis: Nach dem Drucken, möglicherweise ein Sinterprozess verpflichtet, die gewünschte Leitfähigkeit der gedruckten Muster zu erhalten, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.

(2) leitende Gratwanderung Musterung mit Nahfeld-Elektrospinnen

1. Nahfeld-Elektrospinnen (NFES) Tinte für leitfähige Druck zu machen.
   1. Mischen Sie Ethanol und deionisiertes Wasser (DI) mit einem Volumenverhältnis von 3 (Ethanol) bis 1 (VE-Wasser), Lösungsmittel 1 vorzubereiten. Zum Beispiel mix 9 ml Ethanol und 3 ml DI Wasser um 12 ml Lösungsmittel 1 zu machen.
   2. 0,3 g Poly (Ethylenoxid) mischen (PEO, M_wt = 400.000) und 9,7 g der vorbereiteten Lösungsmittel 1 zu einer Polymerlösung mit 3 Gew.-% des Menschen durch Rühren, mit einem Magnetrührer für mehr als 6 h bei Raumtemperatur (25 ° C).
   3. Mix-Ag Nano einfügen Tinte, die eine Viskosität von etwa 11.000 hat cP und die vorbereiteten Polymerlösung mit einem Gewichtsverhältnis von 5 (Ag Nano Paste Tinte) bis 1 (Polymerlösung) mit einem Vortex-Mixer für 10 min die Tinte für NFES. zu erhalten Zum Beispiel 10 g Ag Nano einfügen Tinte und 2 g Polymerlösung können gemischt werden, um die NFES Tinte zu erhalten.
      Hinweis: In diesem Protokoll ist das Verhältnis der Ausgangsmaterialien in der Regel wichtiger als die genaue Höhe der Materialien. Handelsübliche Ag Nano einfügen Tinte zum Bildschirm ausdrucken, die Ag Feststoffgehalt von etwa 85,5 Gew.-% hat, kann für diesen Zweck verwendet werden. Beachten Sie, dass die Auswahl des Lösungsmittels und das Polymer unterscheiden kann aufgrund der Zusammensetzung der Tinte, die verwendet wird.
2. Füllen Sie die vorbereitete NFES Tinte in die Spritze.
3. Schließen Sie die Spritze mit einer Düse über das Verbindungsrohr.
   Hinweis: Für die Düse kann eine handelsübliche Spritzennadel mit der ID 100 µm verwendet werden.
4. Liefern Sie die Tinte an der Düse durch die Spritze manuell drücken.
5. Installieren Sie die Spritze in die Spritze-Motor, der an das System angeschlossen ist.
6. Ein Substrat auf dem Vakuum-Spannfutter und schalten Sie der Vakuumpumpe, das Substrat während des Druckvorgangs zu halten ein.
7. Steuern Sie die Z-Position (Bühne) Stand-off Abstand anpassen.
   Hinweis: Der empfohlene Abstand ca. 2 mm sollte eine deutlich kleinere Stand-off Abstand im Vergleich zu einem mit herkömmlichen Elektrospinnen verwendet wird.
8. Einstellen der Durchflussmenge
   1. Die Spritzenpumpe zu füllen die NFES Tinte in die Düse Montage und generieren eine Tintenfluss mit einer anfänglichen Durchflussmenge von 50 µL/min, das ist höher als der Ziel-Durchfluss zu betreiben.
   2. Legen Sie einen Ziel-Durchfluss von 1 µL/min strömt die Tinte aus der Düsenspitze.
      Hinweis: Ein kleiner Volumenstrom kann in kleinere Muster Breite führen. Allerdings könnte es Linie Bruch führen. Die Trade-off zwischen der Linienbreite und die Fortsetzung der Linie sollte betrachtet werden, wenn die Ziel-Durchflussmenge bestimmt wird.
9. Spannung anlegen
   1. Schließen Sie die DC-Spannungsquelle an der Düse-Stecker an und verbinden Sie die Boden-Spannung mit der Substrat-Inhaber.
   2. Erhöhen Sie die DC-Spannung allmählich auf 1,5 kV.
      Hinweis: Da die Stand-off Abstand im Bereich von wenigen Millimetern ist, die DC-Spannung gesteigert werden bis zu 2 kV, die höher ist, dass der DOD EHD-Druck Jet. Jedoch eine Gleichspannung größer als 2 kV sollte vermieden werden, da es das funktionelle Material beschädigen könnten, vor allem Ag paste Tinte, hinzu kommt die Polymerlösung. Im Allgemeinen empfiehlt sich eine niedrigere Gleichspannung, wenn eine dünner gedruckten Zeile erforderlich ist. Jedoch konnte der gedruckten Linien leicht getrennt werden, wenn eine niedrige Spannung verwendet wird, weil die Zugkraft für kontinuierliche Tinte drucken mit der DC-Spannung verbunden ist. Betrachtet man die vor-und Nachteile, empfehlen wir die Verwendung von eine Gleichspannung von 1 kV bis 2 kV.
10. Starten Sie den Leerlauf Druck mit einer Druckgeschwindigkeit von 300 mm/s für mehr als 10 min, eine stationäre Strömung zu erhalten. Passen Sie die Druckparameter wie die DC Spannung und Strom beim Leerlauf ausdrucken, das gewünschte Druckergebnis zu erhalten.
    Hinweis: Im Leerlauf Druck von mehr als 10 min ist erforderlich, um eine stationäre Strömung zu erhalten, weil die zähflüssige Tinte in den langen Schlauch während der Tinte Lieferung an der Düsenspitze komprimiert werden kann. Ohne Leerlauf drucken, kann die gedruckte Linienbreite mit der Zeit ändern. Die Leerlaufdrehzahl Druck somit sollte dasselbe wie die tatsächliche Druckgeschwindigkeit damit die sprühvolumen Parameter während des Druckvorgangs angepasst werden können. Auf diese Weise wird die DC-Spannung beim Leerlauf ausdrucken, die Breite der Ziel-Linie zu erhalten angepasst. Beachten Sie, dass die Durchflussmenge und Gleichspannung ausgeglichen sein sollte, so dass die Menge der Tinte, die durch die Spritzenpumpe geschoben entspricht der Menge der Tinte, die durch das elektrische Feld nach unten gezogen werden kann.
11. Wählen Sie die Druck-Muster, wie eine kontinuierliche Linie und Grid-Muster.
    Hinweis: Da die hergestellte Faser leicht abgelenkt werden kann und nach dem Zufallsprinzip wegen der Ladung Abstoßung Kraft erzeugt durch die gedruckten Linien hinterlegt werden kann, die Druckgeschwindigkeit sollte größer sein als 300 mm/s, das Muster mit den Druck Richtungen auszurichten und die Abstand zwischen den gedruckten Zeilen wird empfohlen, mehr als 100 µm werden um den gürten oder Linie Muster drucken.
12. Drucken Sie das gewählte Muster auf dem Substrat mit vorher festgelegten Druckparameter.
    Hinweis: Ein Sintern müssen erhalten die Ziel-Funktionalitäten der gedruckten Muster, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.

Representative Results

Dot-basierten Drop-on-Demand-Druck:
DOD Druck basiert auf einen Tropfen pro sprühvolumen Trigger jetten. DOD jetten, niedrigviskose Tinte mit einer Viskosität von ca. 10 produzieren sollte cP verwendet werden. Die Tinte Voraussetzung für EHD DOD Druck ist ähnlich wie die konventionellen DOD-Inkjet, wie die EHD-Druckverfahren mit derjenigen der konventionellen DOD-Inkjet. Bei herkömmlichen Inkjet-Druck, hat die Raster-Drucktechnik weit verbreitet wurde, weil es für Bitmap-Bild drucken mit Multi-Düsenköpfe geeignet ist. Jedoch im Falle einer EHD Jet Druck gibt es ein Limit über die Umsetzung des Multi-Düsenkopfes aufgrund der elektrischen Übersprechen zwischen Düsen. Somit ist Vektor Drucken über eine einzelne Düse für CAD-basierten Druck verbreitet. Dennoch sollte das Raster oder Vektor-Druckmodus aus der Drucksoftware, verschiedene Arten von Musterung Drucken ausgewählt werden. Beachten Sie, dass der Algorithmus und die Umsetzung nach den Druckmodi unterscheiden können. Im Vektormodus, simultane Bewegungen in der X, y -Richtung dienen die Zeilen Drucken in der Erwägung, dass im Raster drucken eine einzelne Achse verwendet wird, um Punkte in der Hauptrichtung drucken und dann auf die nächste Schneise in die Sub-Richtung verschieben. Repräsentative Druckergebnisse mit Raster- und Vektor Druck sind in Abbildung 4dargestellt.

Abbildung 4: typische Druckergebnisse mit DOD EHD jetten. (ein) zeigt dieses Panel Bitmap drucken (Raster Drucken). (b) zeigt dieses Panel Vektor Drucken basierend auf CAD-Informationen. Dot-basiertes EHD Jet drucken kann verwendet werden, um Bitmap-Bilder (Raster Drucken) und CAD-basierte Linien (Vektor Drucken) drucken. Hier wurden Gleichspannungen von 250 V und einer Impulsspannung-250 V verwendet, um beide Muster drucken. Im Panel einwar das Drop-Intervall auf 10 µm festgelegt, um die Punkte zu trennen. Im Diagramm bwar das Muster gedruckt mit einer Frequenz von 10 Hz und eine Drop-Intervall von 3 µm, so dass die Punkte mit Linien verbunden sind.

Nahfeld-Elektrospinnen:
NFES nutzt hochviskosen Tinte von mehr als 1.000 cP Drucken Muster kontinuierlich. Es kann nicht so, Bitmap-Bilder noch CAD-Informationen mit druckenden und nicht druckenden Stellen drucken. Infolgedessen eignet sich nicht in komplizierten Mustern NFES für Druck gerade Linien mit einer hohen Druckgeschwindigkeit. Gitter-Muster werden häufig verwendet, wie in Abbildung 5dargestellt.

Abbildung 5: typische Druckergebnis NFES. (ein) zeigt dieses Fenster eine typische Raster zum Elektrospinnen drucken. (b) dieses Panel zeigt die Auswirkung der Druckgeschwindigkeit auf das Druckergebnis. NFES erfordert eine hohe Druckgeschwindigkeit für zwei Zwecke:, die Muster Breite zu reduzieren und den Druck Muster in Bezug auf die Druckrichtung auszurichten. Da die Strahlen Verhalten im Großraum langsam Druck unberechenbar ist, sollte die schnelle Druck Region durch den Ausschluss der nicht-Straight-Line-Teile verwendet werden.

Um kontinuierliche Muster mit NFES drucken, sollte die Druckgeschwindigkeit schneller als 300 mm/s, die gedruckten Muster mit Druckrichtung auszurichten. Eine schnelle Druckgeschwindigkeit hilft auch um eine dünne Muster Breite¹¹zu erreichen. Die Untersetzung der Muster Breite in Bezug auf die Düse ID könnte mehr als 20 X je nach Druckbedingungen. Zum Beispiel könnte eine Düse ID 100 µm Muster Breite kleiner als 5 µm produzieren. NFES ist eine sehr effektive Methode, um sehr feine Muster mit hochviskosen Tinte zu erreichen. Allerdings unterliegen die Muster Geradheit und Breite leicht drucken Geschwindigkeitsveränderung. Beachten Sie, dass es unvermeidlich Beschleunigung und Abbremsung Regionen wo die Druckgeschwindigkeit sehr werden kann niedrige (oder NULL), die Druckrichtung zu ändern. In diesen Regionen könnte der gedruckten Muster nicht gleichmäßig und blockfreien in Bezug auf die Bewegungsrichtung werden. Wir empfehlen daher, den Einsatz der gedruckten Muster in der Nähe der High-Speed-Region nur. Die gedruckten Muster in der Nähe von Beschleunigungs- und Verzögerungswerte Regionen (die niedrigen Druck Geschwindigkeit) sollte verworfen werden, wie in Abbildung 5adargestellt. Einem langsamen sprühvolumen ist in einigen Fällen lässt sich ein Wellenmuster zu generieren. Durch die Verwendung einer niedrigen Druckgeschwindigkeit von weniger als 100 mm/s, können die Muster wellig, werden, wie in Abbildung 6dargestellt. Das Wellenmuster könnte in dehnbare Elektronikanwendungen nützlich sein. Die Linienbreite kann jedoch durch die niedrige Druckgeschwindigkeit bis zu mehr als 10 µm erhöhen.

Abbildung 6: Beispiel für Wellenmuster mithilfe der niedrige Druckgeschwindigkeit. Eine geringe Druckgeschwindigkeit (ca. 100 mm/s) kann Wellenlinien produzieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In einigen Anwendungen für den Drucken sind extrem feine Muster mit einer Breite kleiner als 1 µm erforderlich. Um ein feines Muster zu erreichen, ein Druck beschleunigen so schnell wie 1 m/s angesehen werden kann. Allerdings kann eine zu hohe Druckgeschwindigkeit getrennt (oder defekt) Linien führen. Also, sollten verschiedene Druckbedingungen wie Durchflussmenge, Linienbreite, Druckgeschwindigkeit und Dehnbarkeit des Polymers um feine Muster ohne Brüche Zeile Drucken optimiert werden. Zum Beispiel Abbildung 7 zeigt den Fluss Effekte auf das Druckergebnis, wenn die Druckgeschwindigkeit und die DC-Spannung 300 sind mm/s und 1.200 V, beziehungsweise.

Abbildung 7: Muster Breite entsprechend der Flussrate. Die Durchflussmenge bezieht sich auf die Muster-Breite. Eine feinere Muster erhalten Sie mit einem geringeren Durchsatz. Zum Beispiel wenn die Durchflussmenge mit 50 µL/min hoch ist, wäre die Linienbreite mit 34 µm groß. Wenn der Volumenstrom reduziert sich auf 1 µL/min und 0,1 µL/min, feinere Muster mit einer Breite von 8 µm und 1 µm bzw. erhalten. Beachten Sie, dass wenn der Durchfluss zu klein ist, das Linienmuster gebrochen und nicht getrennt werden kann. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung S1: Standby Meniskus Form je nach Druckbedingungen. Die richtige Meniskus Form sollte während des Druckprozesses durch richtigen Luftdruck und eine Gleichspannung Hintergrund beibehalten werden, um stabile DOD jetten zu erhalten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.

Abbildung S2: Schematische Elektrospinnen drucken. Die Bauteile für den Elektrospinnen Druck sind dargestellt. Beachten Sie, dass eine hohe Gleichspannung, um den Düsenhalter angewandt wurde zu liefern elektrische Ladungen, die Tinte und das elektrische Feld, das die Tinte auf das Substrat zieht zu produzieren. Im Falle von NFES, sollte der Abstand von der Düsenspitze auf das Substrat 1 ~ 3 mm für den geradlinigen Druck entlang der Druckrichtung. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.

Discussion

In diesem Protokoll, wir konzentrieren uns auf feine Muster mit zwei Modi Psychopharmakologie Tinte drucken: DOD EHD Druck- und NFES. Die EHD-Jet Drucken Anwendung ist jedoch nicht beschränkt auf die Verwendung von Psychopharmakologie leitlack. Hier besprechen wir die allgemeinen Leitlinien für die Auswahl der Tinte, die Systemkonfiguration und andere Druckparameter EHD-Jet Drucken für verschiedene feine Muster Anwendungen verwenden musste.

Die erste und wichtigste Schritt für den Druck der EHD ist Tinte Auswahl und Vorbereitung. Die Druckfarbe bei der herkömmlichen Inkjet-Druck kann in DOD EHD Drucken verwendet werden. Die Viskosität der Druckfarbe für DOD-Inkjet-Druck ist im Bereich von 1 ~ 50 cP (in der Regel 10 cP)¹⁴. Allerdings ist darauf hinzuweisen, dass die pneumatische Steuerungsmethode für DOD EHD Druck unterscheidet sich von einer herkömmlichen Inkjet DOD. Herkömmliche Tintenstrahldrucker verwenden Unterdruck, der Meniskus Position innerhalb der Düse Oberfläche, Tinte tropft zu verhindern und Düse Benetzung beizubehalten. Auf der anderen Seite nutzt EHD DOD Drucken Überdruck, die die Tinte zu einem extrudierten Meniskus bilden schieben kann. Beachten Sie, dass, wenn die Tinte Viskosität mehr als 100 wird cP, der Meniskus ist schwer zu kontrollieren, weil Luft anstatt Push Tinte an der Düsenspitze dann leicht komprimiert werden kann. Viskositätsbereich für jetten ist Verlass auf die Düse-ID. Wenn eine kleinere Düse-ID verwendet wird, sollte die Viskosität entsprechend reduziert werden, um die Tinte an der Düsenspitze ohne zuviel luftkompression zu versorgen.

Die Oberflächenspannung der Tinte ist auch wichtig für die richtige Bedüsung. Die Oberflächenspannung der Tinte sollte im Bereich von 20-40 mN/m. Wenn die Oberflächenspannung weniger als 20 mN/m ist, werden die Spritzen Effekte dominieren. Wenn die Oberflächenspannung mehr als 40 mN/m ist, wird es schwierig sein, eine konische Meniskus bilden die für ordnungsgemäße EHD jetten benötigt wird.

Abbildung 8: Oberflächenspannung Effekte der EHD zu jetten. Die empfohlene Oberflächenspannung für Tinte ist im Bereich von 20-40 mN/m. Wenn die Oberflächenspannung gering wird, werden die Spritzen Auswirkungen auf das Substrat dominieren. Auf der anderen Seite, wenn die Oberflächenspannung zu hoch ist, ist richtige EHD jetten unwahrscheinlich, weil die konische Meniskus schwer zu erreichen ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Wenn die Oberflächenspannung einer Druckfarbe mehr als 40 mN/m ist, kann die Tinte, die Oberflächenspannung zu verringern eine kleine Menge von Surfactant hinzugefügt werden. Jedoch könnte die Verwendung von übermäßigen Tensid Versprühen von Tinte auf das Substrat. Beachten Sie, dass geladene Tinte mit einigen Polarität während der Jet-Flug, wodurch beim Spritzen auf dem Substrat eine abstoßende Kraft erzeugen kann. Um die Spritzen Auswirkungen zu verringern, kann die Reduzierung der treibenden Spannungen oder Stand-off Abstand betrachtet werden.

Ein weiterer wichtiger Parameter für zuverlässige jetten ist der Siedepunkt. Da die Düse ID bei einer EHD-Jet sehr klein ist, wird der extrudierte Meniskus durch Überdruck, können leicht getrocknet werden und verstopfen die Düse. Um Tinte Trocknen an der Düsenspitze zu reduzieren, sollte das wichtigste Lösungsmittel ausgewählt werden, beruht auf der Tatsache, dass seinen Siedepunkt höher als 150 ° C. Um zu verhindern, Verstopfungen durch Partikel Aggregation, prüfen Sie, filtern die Tinte mit Filter mit Poren eine Nummer kleiner als die Düse-ID. Die Partikel in der Tinte sollten auch mindestens 10 X kleiner als die Düse-ID. Im Allgemeinen können die Tinten, die eine herkömmliche Piezo-Inkjet geeignet sind auch für das DOD EHD Drucken verwendet werden.

NFES Tinte hat höheren Viskosität im Vergleich zu der DOD EHD Inkjet-Tinte. Die Viskosität sollte im Bereich von mehreren tausend cP. Für einen kontinuierlichen Druck wird eine Polymerlösung mit funktionalen Tinte vermischt. Anwendungder NFES wurde vor kurzem von Faser Produktion^15,16 auf verschiedene Anwendungen erweitert durch das Mischen von Funktionsmaterialien mit der Polymer-Lösung-¹⁷. Für die Polymerlösungen PEO und PVP (Polyvinylpyrrolidon), etc.^4,5,17,18,19, die ein hohes Molekulargewicht haben, werden häufig verwendet. Das Hauptanliegen mit NFES ist die kontinuierliche Druckfähigkeit mit dem Polymer, während die Tinte das Material Funktionen, z. B. Leitfähigkeit hält zu bewahren. Daher sollte das Mischungsverhältnis der Polymerlösung in Bezug auf die funktionellen Materialien sorgfältig ausgewählt werden. Auch, anders als im Fall von DOD, ein Lösungsmittel mit einem niedrigeren Siedepunkt (weniger als 100 ° C) in der Regel wurde zur Polymerlösung zu machen.

Obwohl eine herkömmliche Inkjet-Tinte in DOD EHD verwendet werden kann drucken, Druck Kontrollmethoden für EHD Drucken sind unterscheidet sich von herkömmlichen Inkjet. EHD Drucken verwendet Überdruck halten die extrudierten Meniskus aus der Düse, während ein herkömmlichen Inkjet Unterdruck verwendet. Für positive Druckregelung, zwei Arten von Druck control-Methoden – hydrostatischen Druck und Druckluft – könnte verwendet werden, abhängig von der Tinte Viskosität und Düse ID wie in Abbildung 9dargestellt. Für eine kleinere Düse sollte Luftdruck anstatt den hydrostatischen Druck verwendet werden, um die Tinte an der Düsenspitze schieben. Eine angemessene Kontrolle des Luftdrucks kann jedoch schwierig sein, wenn Sie hochviskose Tinte oder einer Düse mit einer ID weniger als 2 µm, da die Luft leicht komprimiert werden kann. Auf der anderen Seite, wenn die Größe der Düse mehr als 50 µm ist, kann eine geringfügige Änderung des Luftdrucks der Meniskus Position beeinflussen. Wenn die Tinte Viskosität gering ist und die Düse mehr als 50 µm ist, sollte hydrostatischer Druck mit fluidischen Höhe verwendet werden, um eine konsistente Meniskus Position beizubehalten.

Abbildung 9: Druckregelung für DOD jetten. Positiver Druck ist notwendig, die extrudierten Meniskus mit einem Standby-Status beizubehalten. Der Druck für den Meniskus kann entweder durch den hydrostatischen Druck (mit den Höhenunterschied zwischen der Farbwanne und die Düsenspitze) oder die Druckluft aus einem Kompressor gesteuert werden. Die Auswahl der Kontrollmethoden sollte entsprechend der Düse Größe und Tinte Viskosität unterscheiden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Im Falle von NEFS kann eine Spritzenpumpe verwendet werden, um die Tinte zur Düse zu ernähren, da die hochviskose Tinte durch Luftdruck geschoben werden kann nicht. Beachten Sie, dass die Tinte kann mit Druck beaufschlagt und komprimiert, wenn es bei einer Konstanten geliefert wird über eine Spritzenpumpe Durchflussmenge. Auch, möglicherweise viel Zeit für die komprimierte Tinte, eine stationäre Strömung an der Düsenspitze zu erreichen erforderlich. Um die Tinte Kompressionseffekte Druckkosten zu minimieren, sollte der Verbindungsschlauch zwischen Spritze und die Düsenspitze so kurz wie möglich sein. Das Verbindungsrohr sollten auch schwer, die Erweiterung Auswirkungen verursacht durch die unter Druck stehenden viskosen Tinte zu minimieren. Um die Tinte Kompressionseffekte zu minimieren, sollte die Spritze die Druckmaschinen (Stufen), die Länge des Rohres verbinden die Spritze mit der Düse zu reduzieren beizufügen. Zu diesem Zweck haben wir eine Spritzenpumpe, von der die Schraube Motor aus dem Controller getrennt werden kann, verwendet, wie in Abbildung 10dargestellt.

Abbildung 10: ein fluidische System für Elektrospinnen. Das fluidische System für Elektrospinnen besteht aus zwei Teilen: die Spritze-Pump-System und die Spritze-Düse Montage. Die Spritze-Pump-System beinhaltet ein Flow Rate Controller und eine Schraube Motor. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Einer der wichtigen Parameter zu bestimmen, die Punkt-Größe oder Muster Breite ist die Düse-ID. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Inkjet-Kopf erfordert eine EHD-Kopf keine Aktoren oder komplexe fließende Kanäle. Es erfordert nur eine Düse wie eine Spritzennadel oder ein Glas Kapillare Düse, die mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist. Hier anhand die richtige Größe der Düse ID gewählt werden sollte der Tinte Viskosität sowie die Muster-Breite. Z. B. bei einem DOD-Druck mit einer Viskosität geringer als 100 cP, die Düse ID sollte weniger als 50 µm. Um stabile und konstante Druck zu erhalten, sollte der extrudierte Meniskus im Standby-Status an der gleichen Stelle bleiben. Jedoch wenn eine Düse mit einer ID größer als 50 µm gebraucht, leichte Schwankungen des Luftdrucks ist, treibende Spannung, und Stand-off Abstand leicht kann beeinflussen Sie den Meniskus-Standort von niederviskosen Tinte. Beachten Sie, dass eine Meniskus Lage sprühvolumen abhängig ist: eine niedrigere Position produziert in der Regel mehr Tröpfchen. Infolgedessen wenn eine Düse mit einer großen ID verwenden, ist es sehr schwierig, Dot Gleichförmigkeit während des Druckprozesses DOD zu erhalten. Daher gedruckt die Düse, die ID sollten weniger als 10 µm zu gewährleisten-Punktgröße Einheitlichkeit. Die Verwendung einer Düse mit einer kleineren ID hat den Vorteil der Druck kleinere Punkte. Zum Beispiel eine Düse ID mit 3 µm konnten Punkte so klein wie 3 µm drucken und die Punktgröße kann weiter reduziert werden, indem eine Düse mit kleineren ID Um eine Düse mit einer kleinen ID zu machen, ist eine Glas-Kapillare allgemein verwendet, weil die Düse mit dem Ziel, die, das ID problemlos, über einen handelsüblichen thermischen Puller gemacht. Auf der anderen Seite NFES braucht eine Düse-ID, die größer ist als 50 µm, hohen Viskosität zu drucken (größer als 1.000 cP) Tinte. Normalerweise dient eine Düse mit der ID 100 µm allgemein bildenden Muster drucken mit einer Muster-Breite von weniger als 5 µm. Hier kann eine handelsübliche Spritzennadel für diesen Zweck verwendet werden.

In DOD EHD Jet und NFES jetten Tinte Viskosität zu berücksichtigen die Düse ID auswählen Auch sollte die Menge an Druck (oder Durchfluss) im fluidischen System basierend auf die Düse ID und Tinte Viskosität bestimmt. Abbildung 11 zeigt die Beziehungen zwischen den drei wichtige Faktoren: Tinte Viskosität, Düse Größe, und Luft Druck (oder Durchfluss). Wie in Abbildung 11gezeigt, sollte Hochdruck und einer Düse mit einer großen ID verwendet werden, wenn mit hochviskosem Tinte, während niedrige Luftdruck und eine Düse mit einer kleineren ID für jetten niederviskosen Tinte verwendet werden soll.

Abbildung 11: die Düse Auswahl Richtlinie in Bezug auf Viskosität und Druck. Diese Abbildung erläutert die Beziehung zwischen der Düse ID, Viskosität und pneumatischen Druck. Zum Beispiel, wenn eine hochviskose Tinte verwendet wird, eine größere Düse und/oder höheren Luftdruck sind erforderlich, oder umgekehrt. Ebenso wird für Meniskus Kontrolle höherer Luftdruck benötigt, bei einer Düse mit einer kleineren ID, oder umgekehrt. Dennoch kann nicht hoher Luftdruck drücken die Tinte richtig um die Düsenspitze wenn die Düse ID sehr klein ist oder die Viskosität ist zu hoch, weil die Luft leicht komprimiert werden konnte. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Während des Druckens kann der äußere Teil der Düse durch die Tinte fließt aus der Düsenspitze benetzt werden. In Anwesenheit von bedeutenden Benetzung kann angemessene sprühvolumen Kontrolle schwierig sein. Die mögliche Ursache der Benetzung kann entweder werden aus unsachgemäßer Tinte Eigenschaften wie Oberflächenspannung, oder eine falsche Einstellung von Parametern wie DC-Spannung und Druck/Flow Rate. Wenn die Benetzung an der Düse fortbesteht, kann Düse Oberflächenbehandlung erforderlich sein, so dass die Düse Oberfläche hydrophobe Eigenschaften in Bezug auf Tinte haben kann.

Für das DOD drucken, sind zwei verschiedene Arten von Spannungsquellen erforderlich^7,11: eine Gleichspannung Hintergrund, die Standby-Meniskus-Form beizubehalten und eine Impulsspannung, DOD jetten zu generieren. NFES verwendet jedoch nur Gleichspannung um kontinuierliche Microline Muster mit sehr hochviskosen Tinte drucken (mehr als 1.000 cP). Die hohe Gleichspannung von 1 kV bis 2 kV auf der Metallstecker eingefügt zwischen der Düse und der Schlauch angewendet wurde. Um eine gerade Linie zu drucken, verwendeten wir den kurzen Abstand von 1 ~ 3 mm, und deshalb die Methode "near-Field" Elektrospinnen (NFES) aufgerufen wird, hat verschiedene Funktionen im Vergleich zu den herkömmlichen Fernfeld Elektrospinnen^12,13 .

In diesem Protokoll ein Glassubstrat wurde für die Experimente verwendet, aber verschiedene Arten von Substrat können nach den Anwendungen eingesetzt werden. Allerdings ist anzumerken, dass Substrate, die eine hohe Wärmedämmung Eigenschaft [z. B. Polyethylen Polyethylenterephthalat (PET) Film] benötigen Vorbehandlung, wie z. B. eine chemische Beschichtung, statische elektrischen Ladungen zu entfernen, die auf der Oberfläche gesammelt werden könnten.

Um eine EHD-Jet für verschiedene Anwendungen zu verwenden, werden der Druck und Verarbeitung Richtlinien in Tabelle 1zusammengefasst.

	DOD EHD Jet Druck	In der Nähe von Feld Elektrospinnen (Dauerbetrieb)
Tinte-Anforderung	Viskositätsbereich: 1 ~ 100 cP.	Viskosität: 100 cP ~ 10.000 cP.
	Oberflächenspannung: 20-40 mN/m.	Siedepunkt: weniger als 100 ° C.
	Siedepunkt des Lösungsmittels: mehr als 150 ° C.
Fluidische system	Fluid Höhe (hydrostatische Kraft): Düse mit Innendurchmesser von mehr als 50 µm.	Spritzenpumpe mit konstantem Volumenstrom.
	Luftdruck: Düse mit Innendurchmesser von weniger als 10 µm.
Düse Innendurchmesser Anforderung	Nicht mehr als 10 µm empfiehlt sich für stabile jetten.	Mehr als 100 µm einsetzbar für dünne Musterung mit Breite weniger als 5µm.
	Im allgemeinen: Innendurchmesser mit 5 µm über Punkte mit Größe von 5µm drucken kann.
Spannungsbedarf	Gleichspannung Hintergrund: weniger als 600 V	Gleichspannung: weniger als 2 kV.
	Spannung für jetten Puls: ein paar hundert Volt.
Druckgeschwindigkeit	Niedrig, weniger als 10 mm/s.	Schneller als 300 mm/s.
Software-Anforderung	Raster drucken (Bitmap-Bild).	Einfaches Raster Muster.
	Vektor-Druck (CAD-basierten Informationen).	Musterung mit ein-/ Voraussetzung ist unmöglich aufgrund der kontinuierlichen Natur jetten.

Tabelle 1: Zusammenfassung der Vorbereitung und Druck Richtlinien für DOD und kontinuierliche EHD Jet. Die Tabelle fasst die Anforderungen und Empfehlungen für feine Musterung mit der EHD-Jet.

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