Summary
ここでは、電気流体力学的 (EHD) ジェット印刷を使用して高解像度の導電性パターンを生成するためのプロトコルを提案する.プロトコルには、EHD ジェット印刷の 2 つのモードが含まれています: 連続近傍電界紡糸 (NFES) およびドロップ ・ オン ・ デマンド (DOD) EHD のドットを利用した印刷です。
Abstract
高解像度で低コストの直接パターニング ツールとして使用できるため、電気流体力学的 (EHD) ジェット印刷は様々 な分野で注目を集めています。EHD 印刷は、ノズルの先端からインクを押して押し出しのメニスカスを維持するために流体のサプライヤーを使用します。高解像度のパターンを生成する基板にメニスカスをプルする電界が生成されます。ファインパターン用 EHD 印刷の 2 つのモードが使用されている: 連続近傍電界紡糸 (NFES) とドット ドロップ オンデマンド (DOD) EHD 印刷。印刷モードに従って印刷装置とインクの粘度のための要件が異なります。にもかかわらず、2 つのモードは、単一の EHD プリンターで実装できる、実現方法のインク、流体システムおよび駆動電圧の点で異なります。その結果、噴射の要件と制限事項の適切な理解、なし、目的の結果を得ることが困難です。本稿の目的は、経験の浅い研究者は彼らの特定の研究と開発を目的に EHD ジェットを使用する試行錯誤の努力を減らすことができますので、ガイドラインを提示することです。微細加工の実装を示すために、プロトコルの導電性パターン形成の Ag ナノ粒子インクを使用します。さらに、他の種類の様々 な微細加工アプリケーションでのインクの使用ことができます一般的な印刷ガイドラインを提案する.
Introduction
EHD ジェット印刷は、高解像度・低コストの直接パターニング1対応しているので、プリンテッド ・ エレクトロニクス、バイオ テクノロジー、高度な材料用途など、様々 な分野で広く使用されています。印刷される線の太さや印刷ドット サイズ縮小できる 1 μ m、従来圧電ベース インク ジェット印刷の1より大幅に小さいであります。
EHD 印刷インク (またはメニスカス) の小さい部分はノズル先端のプッシュやフロー率1,2,3,4,5または肯定的な空気圧1 を制御することによって維持されます。 ,6,7。押出成形のメニスカス充電して、おろすことが簡単にできるノズル先端から基板に電界、図 1に示すように。ノズルのサイズよりも薄く、インク ストリームを生成、ジェッティングの間に円錐形のメニスカスを形成する場合は。
図 1: EHD 印刷します。EHD ジェット印刷の原理を図に示します。インクが経由で圧力に押されて、ノズルから押し出された半月板を形成する電界を介して引っ張った。その後、基板を介してDC またはパルス電圧に荷電のインクを簡単にジェットバスできます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
にもかかわらず、単一の EHD プリンターは、2 つの異なるモード、近傍電界紡糸 (NFES) ドロップ オンデマンド (DOD) EHD ジェット印刷に使用できますが、実現方法のインク、流体システムおよび駆動電圧1点で異なる,2,3. NFES4、5が比較的高粘度のインクを使用するたとえば、[以上 1,000 centipoises (cP)] 最大 1 m/秒の高速印刷と連続マイクロ ライン パターンを形成します。その一方で、低印刷と複雑なドット パターンを印刷する国防総省 EHD ジェット印刷6,7,8使用低粘度インキの粘度約 10 cP 速度未満 10 mm/s です。
各モードの要件は大幅に異なるため、目的の結果を達成するために経験の浅い研究者にとって困難な場合があります。実証的な「ノウハウ」が重要な実践であります。研究者に慣れるため印刷の方法を提案する EHD Ag ナノ粒子インクを用いた導電性ファインパターン用プロトコルを印刷します。ただし、彼らは Ag のナノ粒子インクを用いた導電性パターン形成に限定されないので、プロトコルにコメントとして追加。最後に、印刷と準備のガイドラインの説明に掲載されています。
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Protocol
任意のインクを使用して、ソリューションをクリーニングする前に、健康と安全の目的は、化学物質等安全データシート (MSDS) を参照してください。
1. ドロップ ・ オン ・ デマンド電気流体力学的ジェット銀ナノ粒子インクを使用して
- EHD 印刷システムのインクタンクでフィルター処理された銀ナノ粒子 (AgNP) インクを充填します。
注: 市販 AgNP インクは、インク ジェットの目的のため使用できます。インク 10 程度の粘度が必要 cP と表面張力は 20 〜 40 mN/m ドロップ ・ オン ・ デマンドのジェッティングを取得します。 - 熱の引き手を使用して DOD EHD 印刷用ノズルを作る。
- 熱の引き手にガラス管 [内径 (ID) 1 mm] を配置します。
- 熱の引き手のパラメーターを設定します。たとえば、580-590 ° C および引きの範囲で加熱温度は約 18 mm/s の高速化します。
メモ: 熱の引き手のパラメーターは、ターゲット ノズル ID と周囲の状況によると異なる必要があります。 - 毛細血管のセンターで熱と id が 5 μ m のノズルに、両端にプルを適用する設定されているパラメーターと熱の引き手を動作します。
注: は、基板上のターゲット ドット サイズに基づいてノズル ID のサイズを決定します。参考までに、5 μ m ノズル ID は 5 μ m サイズのドットを印刷できませんでした。 - ガラス カッター、ガラス ノズルを介して切断することによってガラスのノズルの長さを調整します。
- ノズル ホルダーとコネクタ、ポリテトラフルオロ エチレン (PTFE) チューブを介してインク貯蔵所に接続されているノズルを組み立てます。
- ノズル先端にインクを供給する空気の圧力を適用されます。
- 空気圧コント ローラーをオンにし、15 の空気圧を適用 〜 20 kPa インクタンク ノズル先端にインクを供給します。透明なガラスのノズルと空気がトラップされたことがないチューブとノズル内部インクを供給する場合確保するためチューブを通してインク流れを監視します。ノズル先端部にインクが表示されるまで、インクタンクに空気圧を適用するようです。
注: は、ノズル先端の空気泡の巻き込みを起こすことがありますので、ノズル先端部にインクが表示される前に圧力を減少させない。 - すべてのインクをノズル先端から滴り落ちることがなく押出のメニスカスを維持するために約 12 kpa の圧力を減らします。
注: 適切な空気圧は、ノズルのサイズ、インクの粘度に依存します。これは安定した状態で半月板を維持するために望ましくない余分な空気圧縮を回避するよりも 30 kpa の空気圧を増やさないでください。
- 空気圧コント ローラーをオンにし、15 の空気圧を適用 〜 20 kPa インクタンク ノズル先端にインクを供給します。透明なガラスのノズルと空気がトラップされたことがないチューブとノズル内部インクを供給する場合確保するためチューブを通してインク流れを監視します。ノズル先端部にインクが表示されるまで、インクタンクに空気圧を適用するようです。
- 印刷システムの組み立てられたノズルのヘッドを修正します。
- 基板ホルダーの真空チャックにガラス基板を置き、基板を保持するために真空ポンプをオンにします。
- スタンドオフ距離 (H) を調整する z 軸ステージを移動-ノズル先端部と基板位置間のギャップ-約 100 μ m にからの距離によるスタンドオフ距離を推定する監視カメラにより獲得されるサイドビュー画像を使用、その反射は、図 2に示すようにノズルの先端。
注: 小さいスタンドオフ距離噴射用の低直流、パルス電圧で印刷を容易にする可能性が高い電場につながります。ただし、低いスタンドオフ距離より大きい低下可能性があります。したがって、電圧の大きさは必要なドットのサイズを取得する小さく必要があります。一般に、少ない噴霧で小さい印刷ドットを取得するは、低電圧の使用の使用をお勧めします。しかし、慎重な作戦はスタンドオフ距離未満 50 μ m、基板との衝突によりノズル破損の高いチャンスのためになる場合に必要です。噴射能力と信頼性のトレードオフ関係を考慮して、100 μ m のスタンドオフ距離の使用をお勧めします。
図 2: サイド ビュー カメラ画像による距離調整スタンドオフ。サイドビュー カメラからノズルの画像は、スタンドオフ距離を推定する使用ことができます。スタンドオフ距離 (H) ノズル先端から基板には、その影にノズル先端から半分の距離として簡単に推定できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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適用直流、パルス電圧
注: 直流、パルス電圧制御を介してソフトウェアを印刷することができます。- ノズルの先端からインクのしずくまで直流電圧を徐々 に上げます。
注: ターゲットの電圧はすぐに適用されません。増分の電圧は、一度に 100 V 未満をする必要があります。全体的にみて、600 V 以上の DC 電圧は適用されません。 - さらにインクのノズルからボタ落ちが観測されないまで発症 DC 電圧から直流電圧を少し減らします。
注: 空気圧と直流電圧の調整後半月板はジェッティング補助図の S1のように適切な形でする必要があります。 - T上昇のパラメーターに負のパルス電圧を設定 = 0 〜 100 μ s、 tにこだわる= 300 μ s とtの秋= ソフトウェア ・ メニューで 0 μ 秒7 (図 3)。
- 基板ホルダーに負のパルス電圧を適用します。次に、単一のパルス電圧あたり 1 つの液滴を生成するVパルス、パルス電圧の大きさを調整します。
注: 負のパルス電圧、Vパルスの大きさは 600 V よりも低いはずです。 - サイド ビュー カメラ画像の基板にジェットバスのドットを観察しながら基板上ターゲット液滴サイズを取得する DC の背景とパルス電圧を調整します。
注: 基板上少ない噴霧で小さなドットを生成するには、 Vパルス、パルス電圧の大きさが可能な限り低くでする必要があります。
- ノズルの先端からインクのしずくまで直流電圧を徐々 に上げます。
図 3: 国防総省 EHD ジェッティングの電圧をパルスします。台形波形の電圧の使用国防総省 EHD 噴射7を生成する勧めします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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パターンを印刷します。
注: 2 つの異なる種類のパターンは国防総省 EHD 印刷用使用できます: ビットマップ イメージと (CAD)-ベクトル情報を用いた。ビットマップ イメージは、国防総省ベースのインク ジェット印刷で広く使用されています。ただし、単一 EHD 頭を使って行ベースの印刷に効率が悪いため印刷エレクトロニクス アプリケーションの場合は CAD ベースのベクター情報、国防総省ベースのインク ジェットの印刷上の利点です。同時に、ベクトル情報をビットマップ イメージ印刷のビットマップ イメージに変換できます。-
ビットマップ画像の印刷
- 印刷ソフトウェアの印刷タブ内のビットマップ イメージを読み込み、バイナリ イメージに変換します。
- バイナリ イメージ印刷用パラメーターを設定します。例えば、10 μ m でドロップ間隔 (すなわち、連続した 2 ピクセルの間の距離) を設定します。
注: ビットマップ イメージの場合、任意の物理的な寸法はありません。印刷するイメージの寸法はドロップの間隔に関連します。たとえば、印刷されたイメージが大きいドロップ間隔が使用される場合は大きくなります。従来のインク ジェット印刷のドット/インチ (DPI) はこの目的のためよく使用されています。ただし、小さい DPI が大きいドロップ間隔を意味します。ドロップ間隔を決定するために印刷されたドットのサイズを見なす必要があります。一般的には、EHD 国防総省印刷用ドロップ間隔は従来のインク ジェット印刷のそれよりも大幅に小さいです。 - 基板のターゲットの場所に選択したビットマップを使用して印刷を開始します。
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CAD 情報に基づくベクトル印刷
- 印刷用 CAD 情報を読み込めません。
注: 印刷についてテキスト ベース CAD 情報は、DXF ファイル形式を使用できます。 - ベクトル印刷のパラメーターを設定します。たとえば、3 μ m と 10 Hz で噴射間隔でドロップの間隔を設定します。
注: 接続の線を印刷するにはドロップ間隔選択してください、隣接して堆積した滴がわずかに重なります。ただし、あまりにも多くのオーバー ラップが大きい線幅であります。任意の実用的な線の印刷用は、約 30% の重複することをお勧めします。場合印刷、モーション速度 (v) に次の式をベクトルします。
v = d × f
ここは
d = ドロップ間隔と
f = ジェッティングの周波数。 - ドロップ間隔、印刷速度、電圧等のあらかじめ決められた印刷パラメーターを使用して基板上のロード パターンを印刷します。
注: 印刷した後焼結プロセスはこの論文の範囲を超えているプリント パターンの目的の伝導率を取得する必要があります。
- 印刷用 CAD 情報を読み込めません。
-
ビットマップ画像の印刷
2. 罰金近傍電界紡糸を用いた導電性ラインのパターニング
- 導電性ライン印刷用インキを近傍電界紡糸 (NFES) を確認します。
- 溶媒 1 を準備する 1 (純水) 3 (エタノール) の容積比とエタノールと純水 (DI) をミックスします。たとえば、ミックス 9 ml エタノールとディの 3 ml 12 溶媒 1 ml を作るために水。
- ポリ (エチレンオキ サイド) の 0.3 g のミックス (PEO、 Mwt = 400,000) と準備された溶媒磁性攪拌器を使用して室温 (25 ° C) で 6 h 以上の攪拌による PEO が 3 wt % と高分子溶液に 1 9.7 g。
- ミックス Ag ナノ ペースト インクは、粘度が約 11,000 の cP と重量比 5 (Ag ナノ ペースト インク) 1 (高分子溶液) NFES.のインクを取得する 10 分の渦のミキサーを使用して、準備された高分子溶液Ag ナノの 10 g ペースト インクなど、高分子溶液の 2 g を混合して NFES インクを取得することができます。
注: このプロトコルの混合材料の比率は一般的に、材料の特定の量より重要であります。市販の Ag ナノ Ag 約 85.5 wt % の固体の内容は、この目的に使用することができるスクリーン印刷用のインクを貼り付け。溶媒とポリマーの選択は使用されるインクの組成に基づいて異なる可能性がありますに注意してください。
- 注射器に準備された NFES インクを充填します。
- ノズルを介して接続チューブと注射器を接続します。
注: id が 100 μ m の市販注射針は、ノズルに使用できます。 - 手動で注射器を押してノズルにインクを供給します。
- 印刷システムに添付されている注射器のモーターに注射器をインストールします。
- 真空チャックの基板を置き、印刷中に基板を保持するために真空ポンプをオンにします。
- スタンドオフ距離を調整する Z 位置 (ステージ) を制御します。
注: 推奨のスタンドオフ距離は従来エレクトロスピニングで使用したものと比較して大幅に小さいスタンドオフ距離の 2 mm 程度にする必要があります。 -
流量を調整します。
- ノズル アセンブリに NFES インク充填および対象流量以上 50 μ L/分、初期流量とインク流れの生成するシリンジ ポンプを動作します。
- ノズルの先端からインクが流れるときは、ターゲット 1 μ L/分の流量を設定します。
注: より小さい流量は小さいパターン幅になります。ただし、ラインの破損を原因になります。線の幅と線の継続の間のトレードオフは、対象流量を決定するとき考慮されるべき。
-
適用電圧
- ノズル コネクタに DC 電圧源を接続し、接地電圧を基板ホルダーに接続します。
- 1.5 徐々 に DC 電圧を高める kV。
注: スタンドオフ距離は数ミリの範囲なので直流電圧最大増加する可能性 2 kV、国防総省 EHD のジェット印刷よりも高い。ただし、2 より高い DC 電圧機能性材料に損傷を与える可能性がありますので、kV を避けるべき、特に銀ペースト インキ、高分子溶液に追加されます。一般に、低い DC 電圧を薄く印刷の線が必要な場合お勧め。ただし、印刷の線簡単に切断でした低電圧を使用すると、連続的なインク印刷の引っ張る力が直流電圧に関連するので。1 から DC 電圧の使用を勧め、トレードオフを考慮し 2 kV kV。
- 定常流れを取得する 10 分以上 300 mm/秒の印刷速度でアイドル状態の印刷を開始します。必要な印刷結果を取得するアイドル状態の印刷時に DC 電圧および流れレートなどの印刷パラメーターを調整します。
注: 以上 10 分間のアイドル状態の印刷は粘性インクは、ノズルの先端にインク配信中に長いチューブで圧縮できるため定常流れを取得する必要です。アイドル印刷せず印刷の線幅は時々刻々 と変化します。アイドル状態の印刷速度される必要があります、したがって、実際の印刷速度と同じので、印刷時に調整できるパラメーターは、噴射。この方法で目的の線幅を取得するアイドル状態の印刷中に DC 電圧を調整します。シリンジ ポンプに押されてインクの量を電場によってプルダウン インクの量に等しいできるように、流量および DC 電圧がバランスする必要があります、注意してください。 - 連続線やグリッド パターンなどの印刷パターンを選択します。
注: 作り出された繊維ができますが、簡単に偏向印刷ラインによって生成された電荷反発力のためランダムに堆積することができますので、印刷速度べきであるパターンでは、印刷方向に合わせて 300 mm/s を超えると、印刷行間隔グリッドまたは線のパターンを印刷するために以上 100 μ m に勧めします。 - あらかじめ決められた印刷パラメーターを使用して基板上の選択したパターンを印刷します。
注: 焼結プロセス可能性があります必要が印刷されたパターンのターゲット機能を取得するこのペーパーの範囲を超えています。
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Representative Results
ドット ベース ドロップ ・ オン ・ デマンド印刷:
国防総省の印刷は、1 つの液滴噴射噴射トリガーは 1 つあたりに基づいています。国防総省噴射、およそ 10 の粘度低粘度インクを生成するには、cP を使用してください。EHD 国防総省印刷用インク要件は、従来の国防総省のインク ジェットの EHD の印刷方法は、従来の国防総省のインク ジェットのような。従来のインク ジェット印刷の場合ラスター印刷技術が広く使用されて、多ノズル ヘッドを使用してビットマップ画像の印刷に適していますので。ただし、EHD ジェット印刷の場合ノズルの間で電気的クロストークにより多ノズル ヘッドの実装に制限があります。したがって、単一ノズルを用いたベクトル印刷、CAD ベースの行の印刷に使用されます。それにもかかわらず、ラスターまたはベクトル印刷モードは、さまざまな種類のパターンを印刷する印刷ソフトウェアから選択可能なはずです。アルゴリズムと実装することができます印刷モードによると異なることに注意してください。Xの同時動きベクトル モードでy方向は、線を印刷する使用される一方、ラスター印刷で 1 つの軸を使用して主な方向にドットを印刷し、サブの方向で次の散布に移動します。ラスターとベクトルを使用して代表的な印刷結果の印刷は、図 4に示します。
図 4: 国防総省 EHD 噴射を使用して典型的な印刷結果。(、) このパネルに表示されますビットマップ (ラスター印刷)。(b) このパネルには、CAD 情報に基づくベクトル印刷が表示されます。ビットマップ画像 (ラスター印刷) と CAD ベース ライン (ベクトル印刷) 印刷するドット ベース EHD ジェット印刷を使用できます。ここでは、両方のパターンを印刷するのには 250 V の DC 電圧および-250 V のパルス電圧が使用されました。パネルでドロップ間隔はドットを分離するために 10 μ m に設定されました。パネルbのパターンはドットがラインを形成する接続されているので、10 Hz の周波数と 3 μ m のドロップ間隔を使用して印刷されました。
近傍電界紡糸:
NFES は、1,000 以上の高粘度のインクを使用して印刷する cP パターンを継続的に。だから、それはビットマップ画像も印刷および印刷以外の場所と cad 図形情報を印刷できません。その結果、複雑なパターンではなく NFES に適しています印刷直線高速印刷を使用しています。グリッド パターンは、図 5に示すように、通常使用されます。
図 5: NFES の典型的な印刷結果。(、) このパネルに表示されますエレクトロスピニング印刷の一般的なグリッド パターン。(b) このパネルは印刷結果に印刷速度の効果を示します。NFES は、2 つの目的のための高速印刷を必要とする: パターン幅を縮小し、印刷方向印刷パターンを整理します。以来、ジェッティング現象は、低速の印刷領域の予測、高速印刷領域を使用してストレート ライン以外の部分を除外してください。
NFES を使用して連続的なパターンを印刷すると、印刷速度が印刷方向印刷パターンに合わせて 300 mm/秒よりも高速必要があります。高速印刷は薄いパターン幅11を達成するためにも役立ちます。ノズル ID に関してパターン幅の縮小率は以上 20 倍、印刷条件によって可能性があります。たとえば、100 μ m ノズル ID は、5 μ m より小さいパターン幅を作り出すことができます。だから、NFES は粘性の高いインクを使用して非常に微細なパターンを達成するために非常に効果的な方法です。ただし、パターンの真直度と幅は、簡単に印刷速度変動。やむを得ない加速度があること注意と印刷速度が非常になることができます減速地域低 (またはゼロ) 印刷の方向を変更します。それらの地域で印刷されたパターンは、非均一な移動方向に対して非同盟になるかもしれない。したがって、我々 は高速近傍のみ印刷されたパターンの使用をお勧めします。図 5 aに示すように、加速と減速の領域 (印刷低速度領域) 付近のプリント パターンを破棄しなければなりません。いくつかのケースで低噴射速度は波のパターンを生成する使用できます。未満 100 mm/s の低印刷速度を使用して、図 6に示すように、パターンを波状、なることができます。波形の模様は伸縮性エレクトロニクス アプリケーションで役に立つかもしれない。ただし、線の幅は、低印刷速度のためよりも 10 μ m まで増やすことができます。
図 6: 低印刷速度によるモアレの例。低印刷速度 (約 100 mm/s) は、波線を作成できます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
いくつかの印刷アプリケーションでは、幅 1 μ m よりも小さく、非常に微細なパターンが必要です。このような微細パターンを達成するために、印刷は高速 1 m/s を考えることができる速度します。ただし、過度に高い印刷速度は切断された (または壊れた) 行の結果ことができます。だから、流量、線の幅、印刷速度、および高分子の延伸など様々 な印刷条件を最適化して、ライン破損することがなく微細なパターンを印刷するためにください。たとえば、図 7流れを示しています、印刷結果に及ぼす影響率印刷速度と DC 電圧が 300 mm/s と 1,200 V、それぞれ。
図 7: 流量に応じて幅をパターンします。流量は、パターン幅に関連しています。低流量で、細かいパターンが得られます。たとえば、50 μ L/分の流量、線幅は 34 μ m 大になります。とき流量それぞれ 1 μ L/分、0.1 μ L/分、8 μ m と 1 μ m の幅を持つ微細なパターンへの減少が得られます。流量が小さすぎる場合、ライン パターンが壊れて、切断に注意してください。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 S1: 印刷条件によるとスタンバイ メニスカス形状。適切なメニスカス形状は、安定した国防総省のジェッティングを得るために適切な空気圧で印刷処理とバック グラウンド電圧を通して維持する必要があります。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。
図 S2: エレクトロスピニング印刷のスケマティック。エレクトロスピニング印刷用コンポーネントを示しています。インクに電荷を供給し、基板にインクを引き出し電場を作り出すノズル ホルダーに高い DC 電圧が適用されたことに注意してください。ノズル先端からスタンドオフ距離基板に NFES の場合 1 をする必要があります 〜 印刷方向直線印刷用 3 mm。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。
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Discussion
このプロトコルで AgNP インクを使用して 2 つのモードで微細なパターンを印刷に着目: 国防総省 EHD 印刷と NFES。ただし、アプリケーションを印刷 EHD ジェットは AgNP を用いた導電性インクに限定ではありません。ここでは、インク、システム構成、およびさまざまな微細パターン用 EHD ジェットを使用するために必要な他の印刷パラメーターの選択のための一般的なガイドラインを説明します。
EHD 印刷の最初そして最も重要なステップは、インクの選択と準備です。従来のインク ジェット印刷で使われるインクは、国防総省の EHD 印刷で使用できます。国防総省のインク ジェット印刷用インキの粘度が 1 の範囲内 ~ 50 cP (通常 10 cP)14。ただし、従来の国防総省のインク ジェットの国防総省 EHD 印刷用空気圧方式が違います。従来のインク ジェットは、インクのボタ落ちを防ぐためにノズル プレート面とノズル濡れ中メニスカスの位置を維持するために負圧を使用します。その一方で、EHD 国防総省印刷は押し出しメニスカスの形成にインクを押すことができる肯定的な圧力を使用します。インキ粘度が 100 以上の場合 cP、メニスカスが空気圧縮できるため、簡単にノズル先端部にインクをプッシュではなく、コントロールすることは困難です。ジェッティングの粘度範囲は、ノズルの ID に依存すること場合 ID の使用小さいノズル、粘度はあまり空気圧縮せずノズル先端にインクを供給するためにそれに応じて削減必要があります。
インクの表面張力も適切な噴射のため重要です。インクの表面張力は、20-40 mN/m の範囲内にする必要があります。表面張力はより小さい 20 mN/m、スプレーの効果が支配します。表面張力は以上 40 mN/m、それは適切な EHD ジェッティングに必要な円錐形の半月板を形成することは困難になります。
図 8: EHD ジェッティングの表面張力効果。インクの推奨表面張力は 20-40 mN/m の範囲内です。表面張力が低いになると、基板上のスプレーの効果が支配します。その一方で、表面張力が大きすぎる場合適切な EHD ジェッティングほとんどありません、円錐形のメニスカスは達成するために困難であるので。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
インクの表面張力は以上 40 mN/m、少量の界面活性剤が表面張力を減らすためにインクを追加できます。ただし、過剰な界面活性剤の使用は、噴霧、塗布されたインクの可能性があります。いくつかの極性に充電されたインクが基板にスプレーでジェット飛行中に反発力を生産できることに注意してください。スプレーの効果を減らすためには、駆動電圧またはスタンドオフ距離の減少が考えられます。
信頼性の高い噴射のもう一つの重要なパラメーターは、沸点です。ノズル ID は EHD ジェットの場合非常に小さい、肯定的な圧力のために、押し出しのメニスカスは簡単に乾燥することができるし、ノズルを詰まらせます。その沸点は 150 ° C よりも高いという事実に基づく任意のインクは、ノズル先端の乾燥を減らすためには、主溶剤を選択する必要があります。粒子凝集による目詰まりを防ぐため、インクを毛穴より 1 サイズ小さいノズル ID とフィルターでフィルタ リングを検討してください。また、インクの粒子は、少なくとも 10 倍ノズル ID よりも小さいはず一般に、従来のインクジェットプリンターに適したインキは、国防総省の EHD 印刷用使用もできます。
NFES インクは、国防総省 EHD インク ジェット インクに比べて粘度が高いです。粘度は、数千の cP の範囲でなければなりません。連続印刷機能インクに高分子溶液が します。NFES のアプリケーション最近拡張されています繊維生産15,16からさまざまなアプリケーションに高分子ソリューション17で材料を混合することによって。高分子溶液の PEO と PVP (ポリビニルピロリドン)など4,5,17,18,19, 高分子量がある、よく使用されます。NFES の主な関心事は、インクまま伝導などの素材の機能性ポリマーを用いた連続印刷機能を保つことです。したがって、機能性材料に対する高分子溶液の混合比率を慎重に選択する必要があります。また、国防総省の場合とは異なり、低い沸点 (100 ° C 未満) と溶媒は、ポリマー溶液を作るには使用通常されています。
従来インク ジェット インクは、国防総省の EHD で使用できるにもかかわらず、EHD の圧力制御方式の印刷印刷は従来のインク ジェットの異なっています。EHD 印刷は、従来のインク ジェットは、負圧を使用しながら、ノズルから押し出された半月板を維持するために肯定的な圧力を使用します。肯定的な圧力制御用 2 種類の圧力制御方式-静水圧と空気注入、図 9に示すように、インク粘度とノズル ID に応じて、使用できます。小さいノズル ノズル先端にインクをプッシュする静水圧ではなく、空気圧を使用する必要があります。または使用するとき高粘度インク ノズル id 未満 2 μ m、空気を簡単に圧縮することができますので、適切な空気圧管理は困難できます。その一方で、ノズルのサイズは以上 50 μ m、空気圧のわずかな変化は、メニスカスの位置を影響します。インクの粘度が低いとノズルが以上 50 μ m、静水圧流体の高さを使用してを使用して一貫性のあるメニスカスの位置を維持するためにください。
図 9: 国防総省噴射制御を圧力します。肯定的な圧力は、スタンバイ状態で押し出しのメニスカスを維持するために必要です。半月板のための圧力は静水圧 (インクタンクとノズル先端の高さ違いを使用して) または空気コンプレッサーからの圧縮空気によって制御できます。制御方式の選択は、ノズルのサイズ、インクの粘度によって異なる必要があります。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
なたの場合シリンジ ポンプは高粘度のインクは空気圧によって押されることはのでノズルにインクを供給する使用できます。メモ インクを加圧および定数を指定した場合に圧縮できる経由でシリンジ ポンプ流量します。また、かなりの時間が圧縮インク ノズル先端での定常流れに到達するために必要かもしれない。印刷のインク圧縮効果を最小限に抑えるため、注射器とノズル先端の間に挿入接続チューブはできるだけ短くで必要があります。また、接続管は圧力をかけられた粘性インクによる膨張効果を最小限に抑えることは難しいはずです。インクの圧縮効果を抑える注射器はノズルに注射器を接続する管の長さを短く印刷装置 (ステージ) に付すべき。図 10に示すように、この目的のため我々 は、コント ローラーから分離できるスクリュー モーターをシリンジ ポンプを使用しました。
図 10: 静電紡糸用流体システム。静電紡糸用流体システムは 2 つの部分で構成されています: シリンジ ポンプ システム、シリンジ ノズル アセンブリ。シリンジ ポンプ システムにはフロー速度コント ローラー、スクリュー モーターが含まれています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
ドットのサイズまたはパターン幅を決定する重要なパラメーターの 1 つはノズル ID です。従来のインク ジェット ヘッドとは異なり EHD ヘッド アクチュエータまたは複雑な流体チャンネルが必要はありません。それには、注射針などノズルのみまたはガラス キャピラリー ノズル、高電圧源に接続されているが必要です。ここでは、ID を選択する必要がありますノズルの適切なサイズは、パターン幅と同様に、インキ粘度に基づきます。100 より低い粘度を使用して DOD 印刷場合たとえば、cP、ノズル ID 未満 50 μ m をする必要があります。安定的かつ一貫性のある印刷を得るためには、スタンバイ状態で押し出しのメニスカスは同じ場所に残しておきます。ただし、50 μ m より大きい ID を持つノズル、空気圧、駆動電圧の使用すると、わずかな変化とスタンドオフ距離を簡単にすることができます低粘度インクのメニスカスの位置に影響します。半月板の位置が噴射量に関連しているに注意してください: 低い場所は通常より液滴を生成します。その結果、大規模な ID でノズルを使用するとき国防総省の印刷プロセス全体のドットの均一性を得ることが非常に困難です。そのため、ID 必要があることを確認するよりも少ない 10 μ m ノズル印刷ドット サイズ均一性です。小さい方の ID とノズルの使用印刷の小さなドットの利点があります。たとえば、3 μ m ノズル ID が 3 μ m のような小さなドットを印刷可能性があります、ドットのサイズを小さい ID を持つノズルを使用してさらに減らすことが小さな ID を持つノズルをするためには、ガラス管通常使用されます、ので ID は簡単にすることができますターゲット ノズルを介して市販熱引き手。別の手で NFES ニーズが高粘度を印刷するのには 50 μ m より大きいノズル ID (1,000 を超える cP) インク。通常は、id が 100 μ m のノズル、パターン幅が 5 μ m 以下の微細パターン印刷に使用されます。ここでは、市販の注射針は、この目的のため使用できます。
ノズル ID を選択する国防総省 EHD ジェットと NFES 噴射インキ粘度を考慮すべきまた、流体における圧力 (または流量) の量はノズル ID とインク粘度に基づいて決定する必要があります。図 11は、3 つの重要な要因間の関係を示しています: インキ粘度、ノズルのサイズ、空気圧力や流量)。図 11のように、大きな ID を持つノズル ・高圧する際ください高粘度のインクを使用してに対して低気圧と小さい ID のノズルは低粘度インクを噴射の使用する必要があります。
図 11: 粘度と圧力ノズル選択ガイドライン。この図では、ノズルの ID、粘度、空気圧の関係について説明します。たとえば、高粘度のインクを使用する場合より大きいノズルおよび/またはより高い空気圧が必要、またはその逆。同様に、メニスカス コントロールの小さい方の ID、またはその逆でノズルを使用する場合より高い空気圧が必要です。それにもかかわらず、高圧空気をプッシュできませんインク正しくノズル先端ノズル ID が非常に小さいか、空気は簡単に圧縮することができるため、粘度が高すぎる場合。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
印刷時にノズルの先端からインクのフロー ノズルの外側の部分を接があります。重要なぬれ性の存在下で適切な噴射制御が難しくなります。濡れの原因可能性がありますいずれか、表面張力などの不適切なインク プロパティまたは直流電圧などのパラメーターの不適切な設定からなり、圧力/流量率。ノズルに濡れが解決しない場合、ノズル プレート面はインクに対する疎水性特性を持つことができますノズル表面処理が要求されるかもしれない。
国防総省印刷用電圧ソースの 2 種類が必要な7,11: スタンバイ メニスカス形状を維持するために電圧の背景と国防総省のジェッティングを生成するパルス電圧。ただし、NFES は、非常に高粘度のインクを使用して継続的なマイクロ ライン パターンを印刷する DC 電圧のみを使用 (以上 1,000 cP)。1 に至る高い DC 電圧 2 kV kV はノズルとチューブの間に挿入された金属製のコネクタに適用されました。1 の短いスタンドオフ距離を用いて直線を印刷、~ 3 mm が呼び出されます「近傍」エレクトロスピニング (NFES)、従来の遠方界エレクトロスピニング12,13 と比較して異なる機能を持っている理由.
このプロトコルではガラス基板が実験のために使用されたが、基板の種類を用途に応じて使用できます。ただし、高断熱プロパティ [たとえば、ポリエチレン ポリエチレンテレフタ レート (PET) フィルム] を持つ基板上に化学コーティング、表面に蓄積可能性があります電気静電気を削除するなどの前処理が必要があること。
EHD ジェットを様々 な用途に使用するには、印刷と準備のガイドラインを表 1にまとめます。
| 国防総省 EHD ジェット印刷 | フィールド エレクトロスピニング (連続印刷) 近く | |
| インク要件 | 粘度範囲: 1 ~ 100 cP です。 | 粘度: 100 cP 〜 10,000 cP。 |
| 表面張力: 20 40 mN/m。 | 沸点: 100 ° C 未満 | |
| 溶媒の沸点: 150 ° C 以上 | ||
| 流体システム | 流体の高さ (静水力): 内径 50 μ m 以上のノズル。 | 一定流量をシリンジ ポンプです。 |
| 空気圧: 10 μ m よりも小さな内径のノズル。 | ||
| ノズル内径要件 | 以上 10 μ m を安定した噴射を推奨します。 | 以上 100 μ m は、5 μ m 未満の幅で薄膜のパターニングに使用できます。 |
| 一般: 5 μ m の内径を 5 μ m の大きさのドットについて印刷できます。 | ||
| 電圧要件 | 背景の DC 電圧: 600 V 未満 | 直流電圧: 未満 2 kV。 |
| パルス噴射の電圧: ボルトの数百。 | ||
| 印刷速度 | 低、未満 10 mm/s。 | 300 mm/s よりも速い。 |
| ソフトウェア要件 | ラスター印刷 (ビットマップ イメージ)。 | 単純なグリッド パターン。 |
| ベクトル印刷 (CAD 情報)。 | オン ・ オフの要件でのパターン形成は、噴射の連続性質のため不可能です。 |
表 1: 国防総省と連続の EHD ジェットの準備および印刷ガイドラインの概要。テーブルは、要件と EHD ジェットを用いた微細パターニングのための推奨事項をまとめたものです。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
この研究は基本的な科学研究プログラムを通じて国立研究財団の韓国 (NRF) 文部省 (2016R1D1A1B01006801) によって資金を供給、韓国でサポートされ、順天郷大学研究基金で部分的にサポートされています。.
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 |
References
- Onses, M. S., Sutanto, E., Ferreira, P. M., Alleyne, A. G., Rogers, J. A. Mechanisms, Capabilities, and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing. Small. 11 (34), 4237-4266 (2015).
- Jaworek, A., Krupa, A. Classification of the modes of EHD spraying. Journal of Aerosol Science. 30 (93), 873-893 (1999).
- Lee, A., Jin, H., Dang, H. W., Choi, K. H., Ahn, K. H. Optimization of experimental parameters to determine the jetting regimes in electrohydrodynamic printing. Langmuir. 29 (44), 13630-13639 (2013).
- Sun, D., Chang, C., Li, S., Lin, L. Near-field electrospinning. Nano Letters. 6 (4), 839-842 (2006).
- Pan, C. -T., Tsai, K. -C., Wang, S. -Y., Yen, C. -K., Lin, Y. -L. Large-Area Piezoelectric PVDF Fibers Fabricated by Near-Field Electrospinning with Multi-Spinneret Structures. Micromachines. 8 (4), (2017).
- Mishra, S., Barton, K. L., Alleyne, A. G., Ferreira, P. M., Rogers, J. A. High-speed and drop-on-demand printing with a pulsed electrohydrodynamic jet. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (9), (2010).
- Kwon, K. S., Lee, D. Y. Investigation of pulse voltage shape effects on electrohydrodynamic jets using a vision measurement technique. Journal of Micromechanics and Microengineering. 23 (6), (2013).
- Chen, C. H., Saville, D. A., Aksay, I. A. Scaling laws for pulsed electrohydrodynamic drop formation. Applied Physics Letters. 89, (2006).
- Sung, K., Lee, C. S. Factors influencing liquid breakup in electrohydrodynamic atomization. Journal of Applied Physics. 96 (7), 3956-3961 (2004).
- Kim, J. H., Oh, H. C., Kim, S. S. Electrohydrodynamic drop-on-demand patterning in pulsed cone-jet mode at various frequencies. Journal of Aerosol Science. 39 (9), 819-825 (2007).
- Phung, T. H., Kim, S., Kwon, K. S. A high speed electrohydrodynamic (EHD) jet printing method for line printing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, (2017).
- Teo, W. E., Ramakrishna, S. A review on electrospinning design and nano fiber assemblies. Nanotechnology. 17, R89-R106 (2006).
- Tang, Y., et al. Highly relective nanofiber films based on electrospinning and their application on color uniformity and luminous efficacy. Optics Express. 25, 20598-20611 (2017).
- Huebner, G. Comparing inkjet with other printing processes and mainly screen printing. Handbook of Industrial Inkjet Printing - A Full System Approach. Zapka, W. 1, Wiley-VCH Pubs. 7-22 (2018).
- Li, M., et al. Electrospun protein fibers as matrices for tissue engineering. Biomaterials. 26, 5999-6008 (2005).
- Bhardwaj, N., Kundu, C. S. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances. 28, 325-347 (2010).
- He, X., et al. Near-Field Electrospinning: Progress and Applications. The Journal of Physical Chemistry C. 121, 8663-8678 (2017).
- Yang, T. L., et al. Synthesis and fabrication of silver nanowires embedded in PVP fibers by near-field electrospinning process. Optical Materials. 39, 118-124 (2015).
- Chang, C., Limkrailassiri, K., Lin, L. Continuous near-field electrospinning for large area deposition of orderly nanofiber patterns. Applied Physics Letters. 93 (12), (2008).
