Summary
여기, 선물이 충돌기 (EHD) 제트 인쇄를 사용 하 여 고해상도 전도성 패턴을 생성 하는 프로토콜. EHD 제트 인쇄의 두 가지 모드를 포함 하는 프로토콜: 연속 근처-필드 전기 (NFES) 및 드롭-온-디맨드 (국방부) EHD 도트 기반 인쇄.
Abstract
충돌기 (EHD) 제트 인쇄 고해상도 및 저가 직접 패터 닝 툴으로 서 사용할 수 있으므로 다양 한 분야에서 관심을 모으고 있다. EHD 인쇄 노즐 팁에서 잉크를 추진 하 여 압출된 초승달 모양 유지 하는 유체 공급 업체를 사용 합니다. 전기 분야는 고해상도 패턴을 생산 하는 기판으로 초승달을 사용 됩니다. EHD 인쇄의 두 가지 모드 미세 패터 닝에 대 한 사용 되었습니다: 연속 근처-필드 전기 (NFES) 및 드롭-온-디맨드 (국방부) EHD 인쇄 도트 기반. 인쇄 모드에 따라 인쇄 장비 및 잉크 점도 대 한 요구 사항이 달라 집니다. 두 가지 모드는 단일 EHD 프린터와 함께 구현 될 수 있습니다, 비록 실현 방법을 크게 잉크, 유체 시스템, 및 운전 전압 차이가 있습니다. 따라서, 처리 요구 사항 및 제한의 적절 한 이해 없이 그것은 원하는 결과 얻기 어렵다입니다. 이 문서의 목적은 경험이 연구원 EHD jet를 사용 하 여 그들의 특정 연구 및 개발 목적에 대 한 시행 착오 노력을 줄일 수 있도록 가이드라인을 제시 하는 것입니다. 설명 하기 위해 미세 패터 닝 구현, 우리는 프로토콜에 전도성 패턴에 대 한 Ag 나노 잉크를 사용 합니다. 또한, 우리는 또한 다양 한 미세 패턴 응용 프로그램에 대 한 잉크의 다른 유형을 위해 사용할 수 있는 일반화 된 인쇄 지침을 제시.
Introduction
EHD 제트 인쇄 널리 사용 되었습니다 인쇄 전자, 생명 공학, 첨단된 소재 응용 등 다양 한 분야에서 고해상도 저가 직접1패턴화 할 수 있기 때문에. 인쇄 선 두께 또는 인쇄 도트 크기 수 줄일 수 1 µ m는 기존 piezo 기반 잉크젯 인쇄1의 그것 보다 훨씬 작습니다.
EHD 인쇄 잉크 (또는 초승달 모양)의 작은 부분 밀어 노즐 팁 및 흐름 속도1,2,3,,45 또는 긍정적인 기 압1에 의해 유지 ,,67. 밀어낸된 초승달 모양 충전 하 고 수 있습니다 쉽게 의해 내려 오게 될 노즐 팁에서 기판에 전기 분야, 그림 1에서 보듯이. 원뿔 초승달 노즐 크기 보다 훨씬 얇은 잉크 스트림 생산 제트, 동안 형성 된다.
그림 1: EHD 인쇄. 그림 EHD 제트 인쇄의 원리입니다. 잉크를 통해 압력을 밀어은 노즐에서 압출된 초승달을 형성 하는 전기 분야를 통해 뽑아. 다음, 충전된 잉크 기판 통해 DC 또는 펄스 전압을 쉽게 jetted 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
단일 EHD 프린터는 두 가지 모드, 근처-필드 전기 (NFES), 드롭-온-디맨드 (국방부) EHD jet 인쇄에 사용할 수 있습니다, 비록 실현 방법을 크게 다를 잉크, 유체 시스템, 및 운전 전압1 , 2 , 3. NFES4,5 는 상대적으로 높은 점성 잉크를 사용 하는 예를 들어 [1000 centipoises (cP)] 1 m/s까지 고속 인쇄와 연속 마이크로 라인 패턴을 형성. 다른 한편으로, 낮은 인쇄 도트 기반 복잡 한 패턴을 인쇄 하려면 인쇄6,7,8 사용 하 여 저 점도 잉크의 점도와 약 10 제트 국방부 EHD cP 속도 10 m m/s.
각 모드에 대 한 요구 사항은 크게 다르기 때문에, 경험이 없는 연구자 원하는 결과 얻을에 대 한 도전 수 있습니다. 경험적 "노하우" 실제로 중요 한 수 있습니다. 연구 하는 데 사용 얻을 수 있도록 인쇄 방법 선물이 EHD Ag 나노 잉크를 사용 하 여 정밀한 전도성 패턴에 대 한 프로토콜을 인쇄. 그러나, 우리 추가 의견 프로토콜에 그들은 Ag 나노 잉크를 사용 하 여 전도성 패턴에 국한 되지 않습니다. 마지막으로, 인쇄 및 준비 지침 토론 섹션에 표시 됩니다.
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Protocol
전에 어떤 잉크를 사용 하 여 청소 솔루션, 건강 및 안전 목적을 위해 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 참조 하십시오.
1. 드롭-온-디맨드 충돌기 제트 인쇄 실버 나노 잉크를 사용 하 여
- EHD 인쇄 시스템의 잉크 저수지에서 필터링 된은 나노 입자 (AgNP) 잉크를 입력 합니다.
참고: 상용 AgNP 잉크는 잉크젯 목적을 위해 사용할 수 있습니다. 잉크는 약 10의 점도 있어야 cP와 20의 표면 장력 ~ 드롭-온-디맨드 제트기를 40 mN/m. - 열 끌어당기는 사람을 사용 하 여 국방부 EHD 인쇄 노즐을 확인 합니다.
- 유리 모 세관 [내경 (ID) 1 m m] 열 끌어당기는 사람에 놓습니다.
- 열 끌어당기는;의 매개 변수 설정 예를 들어 580-590 ° C와는 당기의 범위에서가 열 온도 약 18 m m/s의 속도.
참고: 열 끌어당기는 사람에 대 한 매개 변수는 대상 노즐 ID와 주위 조건에 따라 다 한다. - 모 세관의 센터에서 열 및 5 µ m의 ID로 노즐을 그것의 끝의 둘 다에서 당겨 적용할 설정 매개 변수 열 끌어당기는 동작 한다.
참고: 기판에 대상 점 크기에 따라 노즐 ID의 크기를 결정 합니다. 참고로, 5 µ m의 노즐 ID 5 µ m 크기의 도트를 인쇄할 수 있습니다. - 유리 커터는 유리 노즐을 통해 절단 하 여 유리 노즐 길이 조정 합니다.
- 잉크 저수지 소계 (PTFE) 튜브를 통해 연결 되어 있는 노즐 홀더 및 커넥터, 노즐을 조립 한다.
- 노즐 팁에 잉크를 공급 공기 압력을 적용 합니다.
- 공기 압력 컨트롤러 설정 하 고 15의 공기 압력 ~ 노즐 팁에 잉크를 공급 하는 잉크 저수지에 20 kPa. 투명 한 유리 노즐 및 잉크를 공급 하는 때 공기 튜브와 노즐 안에 갇혀 있도록 튜브를 통해 잉크 흐름을 모니터링 합니다. 잉크 노즐 팁에 표시 될 때까지 잉크 저수지에 공기 압력을 적용 계속.
참고: 그 노즐 끝에 공기 거품 함정을 일으킬 수 있기 때문에 잉크 노즐 팁에 표시 하기 전에 압력을 감소 하지 마십시오. - 노즐 팁에서 떨어지는 어떤 잉크 없이 압출된 초승달 모양을 유지 하기 위해 약 12 kPa를 압력을 감소 시키십시오.
참고: 적절 한 공기 압력 노즐 크기와 잉크의 점도에 따라 달라 집니다. 안정 된 상태에 초승달 모양을 유지 하기 위한 바람직하지 않다 과도 한 공기 압축을 피하기 위해 30 kPa 공기 압력을 증가 하지 않습니다.
- 공기 압력 컨트롤러 설정 하 고 15의 공기 압력 ~ 노즐 팁에 잉크를 공급 하는 잉크 저수지에 20 kPa. 투명 한 유리 노즐 및 잉크를 공급 하는 때 공기 튜브와 노즐 안에 갇혀 있도록 튜브를 통해 잉크 흐름을 모니터링 합니다. 잉크 노즐 팁에 표시 될 때까지 잉크 저수지에 공기 압력을 적용 계속.
- 인쇄 시스템에 조립된 노즐 헤드를 수정.
- 유리 기판 기판 소유자의 진공 척에 배치 하 고 기판을 진공 펌프에 설정.
- 스탠드 오프 거리 (H) 조정 z 축 스테이지를 이동-노즐 팁과 기판 위치 사이의 간격-약 100 µ m.를 사용 하 여 모니터링 카메라에 의해 획득 사이드 뷰 이미지 스탠드 오프 거리에서 거리를 사용 하 여 예측 된 그림 2와 같이 그것의 반사를 노즐 팁.
참고: 작은 스탠드 오프 거리 제트기에 대 한 낮은 DC 및 펄스 전압으로 인쇄를 촉진 수 있는 높은 전기 분야를 리드. 그러나, 낮은 스탠드 오프 거리는 더 큰 방울을 발생할 수 있습니다. 따라서, 전압의 크기는 원하는 도트 크기를 적절 하 게 감소 되어야 한다. 일반적으로, 낮은 전압의 사용은 작은 인쇄 점 적은 분사를 권장 됩니다. 그러나, 주의 작업은 경우 스탠드 오프 거리 50 µ m, 노즐 파손 기판 충돌에 의해의 더 높은 기회 때문에 필요 합니다. 처리 능력 및 신뢰성 사이의 트레이드 오프 관계를 고려 하면 100 µ m의 거리 스탠드 오프를 사용을 하는 것이 좋습니다.
그림 2: 사이드 뷰 카메라 이미지를 사용 하 여 거리 조정 받침. 스탠드 오프 거리를 추정 하는 사이드 뷰 카메라에서 노즐 이미지를 사용할 수 있습니다. 스탠드 오프 거리 (H) 노즐 팁에서 기판에 거리로 절반 노즐 팁에서의 그림자를 쉽게 추정 될 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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적용 DC 및 펄스 전압
참고: DC 및 펄스 전압 제어 소프트웨어를 통해 인쇄 될 수 있습니다.- 노즐 팁에서 잉크 drips 때까지 DC 전압을 서서히 증가.
참고: 대상 전압을 한 번에 적용 되지 않습니다. 한 번에 증분 전압 100 V 해야 합니다. 전반적으로, 이상의 600 V의 DC 전압을 적용 되지 않습니다. - 줄일 DC 전압 약간 발병 DC 전압에서에서 아니 더 잉크 노즐에서 떨어지는 관찰 때까지.
참고: 공 압 압력 및 DC 전압의 조정 후에 초승달 모양 보충 그림 s 1와 같이 제트기에 대 한 적절 한 모양에 있어야 한다. - 네거티브 펄스 전압 t상승 의 매개 변수 설정 = 0 ~ 100 µs, t는면만 300 µs, 그리고 t = = 0 µs7 (그림 3) 소프트웨어 메뉴에서.
- 기판 홀더에 네거티브 펄스 전압을 적용 합니다. 다음, 단일 펄스 전압 당 한 방울 생산 V펄스, 펄스 전압의 크기를 조정 합니다.
참고: V펄스, 네거티브 펄스 전압의 크기는 600 V 보다 낮은 되어야 합니다. - 사이드 뷰 카메라 이미지에 기판에 jetted 점 들을 관찰 하면서 기판에 대상 작은 물방울 크기를 DC 배경 및 펄스 전압을 조정 합니다.
참고: 작은 점 적은 기판에 분사를 생성 하려면 V펄스, 펄스 전압의 크기 이어야 한다 가능한 한 낮은.
- 노즐 팁에서 잉크 drips 때까지 DC 전압을 서서히 증가.
그림 3: 국방부 EHD 제트기에 대 한 전압을 펄스. 사다리꼴 파형 전압의 사용 국방부 EHD7제트기를 생산 하는 것이 좋습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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인쇄 패턴
참고: 패턴의 2 개의 다른 종류는 국방부 EHD 인쇄 사용할 수 있습니다: 이미지와 (CAD) 비트맵-벡터 정보를 기반으로. 비트맵 이미지에서 국방부 기반 잉크젯 인쇄에에서 널리 사용 되었습니다. 그러나, 인쇄 전자 응용 프로그램의 경우 CAD 기반 벡터 정보 장점이 이상의 국방부 기반 잉크젯 인쇄, 단일 EHD 머리를 사용 하 여 라인 기반 인쇄에 효율적 이기 때문에. 같은 시간에 벡터 정보 비트맵 이미지 인쇄 위한 비트맵 이미지로 변환할 수 있습니다.-
비트맵 이미지 인쇄
- 인쇄 소프트웨어의 인쇄 탭에 비트맵 이미지를 로드 하 고 이미지를 이진으로 변환.
- 이진 이미지 인쇄에 대 한 매개 변수를 설정 합니다. 예를 들어, 10 µ m에서 (즉, 2 연속 픽셀 사이의 거리) 드롭 간격을 설정 합니다.
참고: 비트맵 이미지 어떤 물리적 크기는 없습니다. 인쇄 된 이미지의 실제 크기는 드롭 간격 관련이 있을 것 이다. 예를 들어 인쇄 된 이미지는 큰 드롭 간격 사용 되는 경우 더 큰 됩니다. 기존의 잉크젯 인쇄, 도트 (인치당 도트 수) 일반적으로이 목적을 위해 사용 되었습니다. 그러나, 더 작은 DPI 큰 드롭 간격 의미 주목 한다. 드롭 간격을 확인, 인쇄 점 크기는 고려 되어야 한다. 일반적으로, EHD 국방부 인쇄에 대 한 드롭 간격 기존의 잉크젯 인쇄의 그것 보다 훨씬 작습니다. - 기판에 대상 위치에 선택 된 비트맵을 사용 하 여 인쇄를 시작 합니다.
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CAD 정보에 따라 벡터 인쇄
- 인쇄에 대 한 CAD 정보를 로드 합니다.
참고: 텍스트 기반 CAD 정보는 DXF 파일 형식 인쇄 정보에 대 한 사용할 수 있습니다. - 벡터 인쇄;에 대 한 매개 변수 설정 예를 들어 3 µ m 그리고 10 Hz에서 처리 주파수에서 드롭 간격을 설정 합니다.
참고: 연결 된 선 패턴을 인쇄 하려면 드롭 간격 선택 되어야 한다 adjacently 입금 있도록 방울 약간 겹치는. 그러나, 너무 많이 겹치는 큰 선 두께에서 발생할 수 있습니다. 약 30%를 중복 하는 것이 좋습니다 어떤 실용적인 라인 인쇄. 경우에 벡터 인쇄, 모션 속도 (v) 다음 방정식.
v = d × f
여기,
d = 드롭 간격 및
f = 처리 주파수. - 로드 패턴 드롭 간격, 인쇄 속도, 전압, 등 미리 정해진된 인쇄 매개 변수를 사용 하 여 기판에 인쇄
참고: 인쇄, 후 소 결 프로세스 수 있습니다 해야이 문서의 범위를 벗어납니다 인쇄 패턴의 원하는 전도도 얻기 위해.
- 인쇄에 대 한 CAD 정보를 로드 합니다.
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비트맵 이미지 인쇄
2. 좋은 전도성 라인 근처-필드 전기를 사용 하 여 패턴
- 근처-필드 전기 (NFES) 전도성 라인 인쇄 잉크를 확인 합니다.
- 에탄올과 이온된 (DI) 수 1 (디 물) 용 1 매를 준비 하로 3 (에탄올)의 볼륨 비율 믹스. 예를 들어 에탄올의 9 ml와 디의 3 ml 1 매의 12 ml를 만들기 위해 물을 섞는다.
- 폴 리 (에틸렌 산화물)의 0.3 g을 혼합 (PEO, Mwt = 400000)와 준비 된 용 매는 자력을 사용 하 여 실 온 (25 ° C)에서 6 시간 이상 교 반에 의해 PEO의 3 wt % 폴리머 솔루션을 만들기 위해 1의 9.7 g.
- 혼합 Ag 나노 잉크, 약 11, 000의 점도 붙여 cP, 그리고 준비 된 폴리머 솔루션 1 (폴리머 솔루션) NFES. 에 대 한 잉크를 10 분 동안 소용돌이 믹서를 사용 하 여 5 (Ag 나노 페이스트 잉크)의 무게 비율 예를 들어 10 g Ag 나노 잉크 붙여넣기 하 고 폴리머 솔루션의 2 세대 NFES 잉크를 혼합 수 있습니다.
참고:이 프로토콜에 혼합 재료의 비율은 일반적으로 자료의 특정 금액 보다 더 중요 합니다. 상업적으로 이용 가능한 Ag 나노 약 85.5 wt %의 Ag 단단한 내용,이 목적을 위해 사용 될 수 있는 스크린 인쇄 목적을 위해 잉크를 붙여 넣습니다. 사용 되는 잉크의 성분에 따라 용 매 및 고분자의 선택 다 수 있습니다.
- 주사기에 준비 된 NFES 잉크를 입력 합니다.
- 노즐을 통해 연결 튜브와 주사기를 연결 합니다.
참고: 상용 주사기 바늘 100 µ m의 ID와 함께 노즐에 대 한 사용할 수 있습니다. - 주사기를 수동으로 눌러 노즐에 잉크를 공급 한다.
- 인쇄 시스템에 첨부 된 주사기 모터에 주사기를 설치 합니다.
- 진공 척에 기질을 놓고 인쇄 하는 동안 기판을 진공 펌프에 설정 합니다.
- 스탠드 오프 거리 조정 Z 위치 (단계)를 제어 합니다.
참고: 권장된 스탠드 오프 거리는 훨씬 작은 스탠드 오프 거리 기존의 전기를 사용 하는 것에 비해 약 2 밀리미터 이어야 한다. -
유량 조정
- NFES 잉크 노즐 어셈블리에서를 대상 유량 보다 높은 50 µ L/min, 초기 유량과 잉크 흐름 생성을 주사기 펌프를 작동 합니다.
- 잉크 노즐 팁에서 흐르는 때를 대상 1 µ L/분의 유량을 설정 합니다.
참고: 작은 흐름 율 작은 패턴 폭 될 수 있습니다. 그러나, 그것은 라인 파손을 일으킬 수 있습니다. 선 두께 및 라인의 연속의 절충 대상 유량 결정 때 고려 되어야 한다.
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전압을 적용
- DC 전압 소스 노즐 커넥터에 고 기판 홀더를 접지 전압을 연결.
- DC 전압 1.5 점차적으로 증가 kV.
참고: 스탠드 오프 거리는 몇 밀리미터의 범위에 때문에, DC 전압 증가 될 수 있었다 2 보다는 국방부 EHD의 인쇄 제트 kV. 그러나, 2 보다 높은 DC 전압 kV 기능 소재를 손상 할 수 있기 때문에 피해 야 한다, 특히 Ag 페이스트 잉크, 폴리머 솔루션에 추가. 일반적으로, 낮은 DC 전압 얇은 인쇄 라인 필요할 때 좋습니다. 그러나, 인쇄 라인 수 쉽게 끊을 수는 낮은 전압을 사용 하는 경우 지속적인 잉크 인쇄에 대 한 당기는 힘은 DC 전압 관련이 있기 때문에. 고려 무역-오프, 1에서 배열 하는 DC 전압의 사용이 좋습니다 2 kV kV.
- 정상 상태 흐름을 10 분 이상에 대 한 300 m m/s의 인쇄 속도와 유휴 인쇄를 시작 합니다. 원하는 인쇄 결과 얻기 위해 유휴 인쇄 중 DC 전압 및 흐름 속도 등 인쇄 매개 변수를 조정 합니다.
참고: 10 분 이상 유휴 인쇄 점성 잉크 노즐 팁에 잉크 전달 중에 긴 튜브에서 압축 될 수 있기 때문에 정상 상태 흐름을 얻기 위해 필요 합니다. 유휴 인쇄 하지 않고 인쇄 선 두께 시간으로 변경할 수 있습니다. 유휴 인쇄 속도, 따라서, 실제 인쇄 속도 동일 있도록 수 인쇄 하는 동안 처리 매개 변수를 조정할 수 있습니다. 이 방법에서는, DC 전압 대상 선 두께를 유휴 인쇄 중 조정 됩니다. 주사기 펌프에 의해 추진 하는 잉크의 양을 전기 분야에 의해 내려 오게 하는 잉크의 양을 같을 수는 유량 및 DC 전압을 균형 해야을 note. - 연속 라인 및 그리드 패턴 같은 인쇄 패턴을 선택 합니다.
참고: 생산된 섬유 쉽게 빗 나가게 될 수 있기 때문에 임의로 인쇄 라인에 의해 생성 된 충전 반발 힘 때문에 예금 될 수 있는, 인쇄 속도 보다 커야 인쇄 방향으로, 패턴에 맞게 300 m m/s와 인쇄 라인 사이의 간격이 조롱 또는 라인 패턴을 인쇄 하기 위해서는 100 µ m 하는 것이 좋습니다. - 미리 정해진된 인쇄 매개 변수를 사용 하 여 기판에 선택한 패턴을 인쇄 합니다.
참고: 소 결 프로세스 수 있습니다 해야 할 인쇄 패턴의 대상 기능을 얻기는이 문서의 범위를 벗어납니다.
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Representative Results
점 기반 드롭-온-디맨드 인쇄:
국방부 인쇄 한 방울 한 처리 트리거 당 제트기를 기반으로 합니다. 국방부 제트기, 약 10의 점도와 저 점도 잉크를 생산 하기 위해 cP은 사용 해야 합니다. EHD 국방부 인쇄 잉크 요구는 기존의 DOD 잉크젯의 EHD 인쇄 방법으로 기존의 DOD 잉크젯의 그것 비슷합니다. 기존의 잉크젯 인쇄의 경우 래스터 인쇄 기술은 널리 사용 되었습니다, 그것은 다중 노즐 헤드를 사용 하 여 비트맵 이미지 인쇄에 적합 하기 때문에. 그러나, EHD 제트 인쇄의 경우는 제한이 있다 노즐 중 전기 잡담으로 인해 멀티 노즐 머리의 구현에. 따라서, 벡터 인쇄 단일 노즐을 사용 하 여 CAD 기반 선 인쇄에 주로 사용 됩니다. 그럼에도 불구 하 고,는 래스터 또는 벡터 인쇄 모드 인쇄 소프트웨어 인쇄 패턴의 다양 한 종류에서에서 선택 되어야 합니다. 참고 알고리즘 및 구현 인쇄 모드에 따라 달라질 수 있습니다. X, 동시 움직임 벡터 모드에서 y 방향 반면, 래스터 인쇄, 단일 축 주요 방향으로 점 들을 인쇄 하 고 다음 하위 방향으로 다음 주위에 이동 하는 라인, 인쇄 하는 데 사용 됩니다. 래스터 및 벡터를 사용 하 여 대표 인쇄 결과 인쇄는 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4: 국방부 EHD 제트기를 사용 하 여 일반적인 인쇄 결과. (한)이이 패널 표시 비트맵 인쇄 (래스터 인쇄) 됩니다. (b)이이 패널 CAD 정보에 따라 벡터 인쇄를 보여줍니다. 점 기반 EHD 제트 인쇄 비트맵 이미지 (래스터 인쇄) 및 CAD 기반 라인 (벡터 인쇄) 인쇄를 사용할 수 있습니다. 여기, 250 V의 DC 전압 및 펄스 전압-250 V의 두 패턴을 인쇄에 사용 되었다. 패널 을에서 드롭 간격 점 들을 분리 하기 위하여 10 µ m 설정 했다. 패널 b, 패턴 점 형태로 라인에 연결 되어 있도록 10 Hz의 주파수와 3 µ m의 드롭 간격을 사용 하 여 인쇄 했다.
근처-필드 전기:
NFES는 이상의 1000의 고 점도 잉크를 사용 하 여 인쇄 하려면 cP 지속적으로 패턴. 그래서, 그것은 비트맵 이미지도 인쇄 및 비-인쇄 위치와 CAD 정보를 인쇄할 수 없습니다. 결과적으로, 복잡 한 패턴, 대신 NFES는 적합 인쇄 직선 고속 인쇄를 사용 하 여 합니다. 그리드 패턴은 그림 5와 같이 일반적으로 사용 됩니다.
그림 5: 전형적인 인쇄 결과 NFES. (한)이이 패널이 보여줍니다 전기 인쇄에 대 한 일반적인 격자 패턴. (b)이이 패널 인쇄 결과에 인쇄 속도의 효과 보여줍니다. NFES는 두 가지 목적에 대 한 높은 인쇄 속도 요구 한다: 인쇄 방향 인쇄 패턴을 정렬 하 고 패턴 폭을 줄이기 위해. 처리 동작이 느린 인쇄 영역에서 예측 되지 않습니다, 이후 빠른 인쇄 지역 비-연속 라인 부분을 제외 하 여 사용 되어야 한다.
NFES를 사용 하 여 연속 패턴을 인쇄 하려면 인쇄 속도 인쇄 방향으로 인쇄 된 패턴에 맞게 300 m m/s 보다 더 빨리 해야 합니다. 빠른 인쇄 속도 또한 얇은 패턴 폭11을 달성 도움이 됩니다. 노즐 ID에 관하여 패턴 폭의 감소 비율 20 x, 인쇄 조건에 따라 수 있습니다. 예를 들어 100 µ m의 노즐 ID 5 µ m 보다 작은 패턴 폭을 생산할 수 있습니다. 그래서, NFES 고 점도 잉크를 사용 하 여 매우 미세한 패턴을 달성 하는 매우 효과적인 방법입니다. 그러나, 패턴 직진도 폭은 쉽게 인쇄 속도 변화에 따라. 합니다 피할 수 없는 가속 및 감속 지역 인쇄 속도 매우 될 수 있는 낮은 (또는 0) 인쇄 방향을 변경 하려면. 그 지역에 인쇄 된 패턴 비 제복 및 이동 방향 비 정렬 될 수 있습니다. 따라서, 우리만 고속 지역 근처 인쇄 패턴의 사용을 권장합니다. 가속 및 감속 영역 (낮은 인쇄 속도 영역) 근처 인쇄 패턴 그림 5a와 같이 폐기 한다. 경우에 따라 낮은 처리 속도 웨이브 패턴을 사용할 수 있습니다. 그림 6에서 같이 100 m m/s의 낮은 인쇄 속도 사용 하 여 패턴은 물결, 될 수 있다. 물결 패턴 stretchable 전자 응용 프로그램에 유용할 수 있습니다. 그러나, 선 두께 때문에 낮은 인쇄 속도 10 µ m까지 높일 수 있습니다.
그림 6: 낮은 인쇄 속도 사용 하 여 물결 패턴의 예. 낮은 인쇄 속도 (약 100 m m/s) 물결 라인을 생성할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
일부 인쇄 응용 프로그램에서는 1 µ m 보다 작은 폭으로 매우 미세 패턴은 필요. 이러한 미세 패턴을 달성 하는 인쇄 속도 빨리 1 m/s를 고려 될 수 있다. 그러나, 지나치게 높은 인쇄 속도 연결 되지 않은 (또는 손상된)에 발생할 수 있습니다. 그래서, 흐름 율, 선 두께, 인쇄 속도, 고분자의 stretchability 등 다양 한 인쇄 조건 어떤 선 파손 없이 좋은 패턴을 인쇄 하기 위해 최적화 되어야 합니다. 예를 들어 그림 7 에 나와 흐름 속도 효과 인쇄 결과에 때 인쇄 속도 DC 전압 300 m m/s 및 1200 V, 각각.
그림 7: 유량에 따라 폭을 패턴. 흐름 속도 패턴 폭을 관련이 있습니다. 낮은 흐름 속도, 미세한 패턴을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 유량 50 µ L/min 높은 경우는 선 폭 34 µ m로 큰 것입니다. 때 유량 각각, 1 µ L/min와 0.1 µ L/min, 미세한 패턴 8 µ m와 1 µ m의 폭을 감소를 얻을 수 있습니다. Note는 흐름 속도 너무 작으면, 라인 패턴 깨진 고 수 분리. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 S1: 인쇄 조건에 따라 대기 초승달 모양. 적절 한 초승달 모양 안정 국방부 제트기를 얻기 위해 적절 한 공기 압력을 통해 인쇄 과정 및 DC 배경 전압 유지 되어야 한다. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 S2: 전기 인쇄의 도식. 전기 인쇄에 대 한 구성 요소 표시 됩니다. Note 높은 DC 전압 노즐 홀더 잉크에 전기 요금을 공급 하 여 기판에 잉크를 당긴 다 전기 분야를 생성에 적용 했다. NFES, 경우는 스탠드 오프 거리 노즐 팁에서 기판 이어야 한다 1 ~ 3mm 인쇄 방향 따라 직선 인쇄. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
이 프로토콜에서 우리는 두 모드와 AgNP 잉크를 사용 하 여 좋은 패턴을 인쇄에 초점: 국방부 EHD 인쇄 및 NFES. 그러나, 응용 프로그램을 인쇄 하는 EHD 제트 AgNP를 사용 하 여 전도성 잉크에 국한 되지 않습니다. 여기, 우리는 잉크, 시스템 구성 및 다양 한 미세 패턴 응용 프로그램에 대 한 인쇄 EHD jet를 사용 하는 데 필요한 다른 인쇄 매개 변수 선택에 대 한 일반적인 지침을 설명 합니다.
EHD 인쇄에 대 한 첫 번째 그리고 가장 중요 한 단계는 잉크 선택과 준비는 이다. 기존의 잉크젯 인쇄에 사용 하는 잉크는 국방부 EHD 인쇄에 사용할 수 있습니다. DOD 잉크젯 인쇄용 잉크의 점도 1 ~ 50 cP (일반적으로 10 cP)14. 그러나, 그것은 국방부 EHD 인쇄 공 압 제어 방법은 기존의 DOD 잉크젯 다릅니다 주목 해야한다. 기존의 잉크젯 안으로 떨어지는 어떤 잉크를 방지 하기 위해 노즐 표면 및 노즐 일로 초승달 모양의 위치를 유지 하기 위해 부정적인 압력을 사용 합니다. 다른 한편으로, EHD 국방부 인쇄 밀어낸된 초승달을 형성 하기 위하여 잉크를 밀 수 있다 긍정적인 압력을 사용 합니다. 경우에 잉크 점도 된다 100 이상의 cP는 초승달 모양 이므로, 제어 하기 어려운 공기 다음 쉽게 압축할 수 있습니다 밀어 잉크 노즐 팁을 보다. 점도 범위는 제트 노즐 ID에 따라 달라질 수 있습니다. 경우 ID를 사용 하는 작은 노즐, 점도 너무 많은 공기 압축 하지 않고 노즐 팁에 잉크를 공급 하기 위하여 따라 감소 한다.
잉크의 표면 장력도 적당 한 제트기에 대 한 중요 하다. 잉크의 표면 장력은 20-40만 / m의 범위에 있어야 한다. 표면 장력 20 mN/m 인 경우에, 살포 효과 지배할 것 이다. 표면 장력 40 mN/m 인 경우에, 그것은 적절 한 EHD 제트기에 필요한 원뿔 초승달 모양 형성 어려울 것 이다.
그림 8: EHD 제트기의 표면장력 효과. 잉크에 대 한 권장된 표면 장력 20-40만 / m의 범위에 있다. 표면 장력 낮은 경우, 기판에 살포 효과 지배할 것 이다. 다른 한편으로, 표면 장력 너무 높은 경우, 적절 한 EHD 제트기, 때문에 아니다 원뿔 초승달은 달성 하기 어렵습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
잉크의 표면 장력 40 mN/m 인 경우에, 적은 양의 계면 활성 제는 표면 긴장을 줄이기 위해 잉크를 추가할 수 있습니다. 그러나, 과도 한 계면 활성 제를 사용 하 여 기판에 잉크의 분사 될 수 있습니다. Note 일부 극성으로 충전된 잉크 제트 비행, 기판에 분사 결과 중는 반발력을 생성할 수 있습니다. 살포 효과 줄이기 위해, 운전 전압 또는 스탠드 오프 거리의 감소는 여겨질 수 있다.
신뢰할 수 있는 제트기에 대 한 또 다른 중요 한 매개 변수는 비등 점. 노즐 ID EHD 제트의 경우 아주 작기 때문에, 긍정적인 압력 압출된 초승달 모양 쉽게 건조 수 하 고 노즐을 췄 다. 모든 잉크 노즐 팁에 건조를 줄이기 위해, 주요 용 매를 선택 해야 합니다 그것의 비등 점 150 ° c. 보다는 더 높다는 사실에 근거한 입자 집계로 인해 어떤 막힘을 방지 하려면 잉크 노즐 ID 보다 작은 숨 구멍 하나의 크기와 필터 필터링 하는 것을 고려합니다 또한, 잉크 입자 10 x 노즐 ID 보다 작은 이어야 한다 일반적으로, 기존의 피에 조 잉크젯에 대 한 적합 한 잉크 또한 국방부 EHD 인쇄 사용할 수 있습니다.
NFES 잉크는 국방부 EHD 잉크젯 잉크에 비해 높은 점도 있다. 점도 몇 천 cP의 범위에 있어야 합니다. 연속 인쇄에 대 한 폴리머 솔루션 기능 잉크 혼합입니다. 응용 프로그램 NFES의 최근 확장 되었습니다 섬유 생산15,16 에서 다양 한 응용 프로그램에 폴리머 솔루션17와 기능 재료를 혼합 하 여. 폴리머 솔루션에 대 한 높은 분자량을가지고, PEO와 PVP (polyvinylpyrrolidone) 등4,5,,1718,19, 일반적으로 사용 됩니다. NFES와 주요 관심사 잉크 재료의 기능, 전도성 등을 유지 하는 동안 폴리머를 사용 하 여 연속 인쇄 기능을 보존 하는 것입니다. 따라서, 기능 재료에 관하여 폴리머 솔루션의 혼합 비는 신중 하 게 선택 되어야 합니다. 또한, 국방부의 경우와 달리 낮은 비등 점 (100 ° C 미만)와 용 매 일반적으로 사용 되었습니다 폴리머 솔루션.
도 불구 하 고 국방부 EHD에 기존의 잉크젯 잉크를 사용할 수 있습니다 인쇄, EHD에 대 한 압력 제어 방법 인쇄는 기존의 잉크젯의 다른. EHD 인쇄 긍정적인 압력을 사용 하 여 기존의 잉크젯 사용 부정적인 압력, 노즐에서 압출된 초승달을 유지. 긍정적인 압력 제어에 대 한 두 가지 유형의 압력 제어 방법-수압 및 압력된 공기- 그림 9와 같이 잉크 점도 노즐 ID에 따라 사용할 수 있습니다. 작은 노즐, 공기 압력 보다는 오히려 액체 정역학 압력 노즐 팁에 잉크를 사용 해야 합니다. 그러나, 공기 압력의 적절 한 제어 어려울 수 있습니다 또는 사용할 때 높은 점도 잉크 노즐 ID와 2 µ m, 공기 쉽게 압축 될 수 있기 때문. 다른 한편으로, 노즐 크기는 50 µ m, 공기 압력의 약간의 변형 초승달 모양의 위치를 달라질 수 있습니다. 잉크 점도 낮은 경우는 노즐은 50 µ m, 액체 정역학 압력 유체 높이 사용 하 여 일관 된 초승달 모양의 위치를 유지 하기 위해 사용 되어야 한다.
그림 9: 국방부 제트기에 대 한 제어 압력. 긍정적인 압력은 대기 상태에서 압출된 초승달을 유지 해야 합니다. 액체 정역학 압력 (잉크 저수지와 노즐 팁의 높이 차이 사용 하 여) 또는 공기 압축기에서 압축 공기는 초승달 모양에 대 한 압력을 제어할 수 있습니다. 제어 방법의 선택 노즐 크기와 잉크의 점도 따라 다릅니다 해야 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
NEF, 경우 주사기 펌프 고 점도 잉크 공기 압력에 의해 밀릴 수 없습니다 이후 노즐에 잉크를 피드를 사용할 수 있습니다. 참고 잉크 가압 하 고 상수에 제공할 때 압축 수 있습니다 통해 주사기 펌프 흐름 율. 또한, 상당한 시간 필요 압축된 잉크 노즐 끝에 정상 상태 흐름에 도달 수 있습니다. 인쇄 잉크 압축 효과 최소화 하기 위해 주사기와 노즐 팁 사이 삽입 연결 튜브 가능한 한 짧게 해야 합니다. 또한, 연결 튜브 압력된 점성 잉크에 의해 발생 하는 확장 효과 최소화 하기 위해 열심히 해야 합니다. 잉크 압축 효과 최소화 하기 위해 주사기 노즐에 주사기를 연결 하는 튜브의 길이를 줄일 수 인쇄 장비 (단계)에 첨부 되어야 한다. 그림 10에 표시 된이 목적을 위해 우리 사용 주사기 펌프는 스크류 모터 컨트롤러에서 분리 될 수 있다.
그림 10: 전기에 대 한 유체 시스템. 전기에 대 한 유체 시스템은 두 부분으로 구성: 주사기 펌프 시스템 및 주사기 노즐 어셈블리. 주사기 펌프 시스템 흐름 속도 컨트롤러와 스크류 모터 포함 되어있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
도트 크기 또는 패턴 폭을 결정 하는 중요 한 매개 변수 중 하나는 노즐 id입니다. 기존의 잉크젯 헤드와 달리 EHD 머리는 어떤 액추에이터 또는 복잡 한 유체 채널을 필요 하지 않습니다. 그것은 주사기 바늘 등만 노즐 또는 유리 모 세관 노즐, 높은 전압 소스에 연결 된 필요 합니다. 여기, ID를 선택 해야 하는 노즐의 적절 한 크기는 패턴 폭으로 잉크 점도에 따라. 예를 들어 100 보다 낮은 점도 사용 하 여 국방부 인쇄의 경우 cP, 노즐 ID 50 µ m 이어야 한다. 안정적이 고 일관 된 인쇄를 얻으려면 대기 상태에서 압출된 초승달 같은 위치에 있어야 합니다. 그러나 때 id 50 µ m 보다 큰 노즐의 공기 압력, 전압, 운전, 약간의 변형 이며 스탠드 오프 거리 쉽게 저 점도 잉크의 초승달 모양 위치에 영향을 미칠 수 있습니다. 초승달 모양의 위치 처리 금액 관련은: 일반적으로 더 작은 방울을 생산 하는 낮은 위치. 따라서, 노즐 큰 ID를 사용 하는 경우 그것은 매우 국방부 인쇄 과정 전반에 걸쳐 점 균일성을 얻기 어렵다. 따라서, ID 되도록 10 µ m 이어야 한다 노즐 인쇄 도트 크기 균일성. 작은 id의 사용 인쇄 작은 점 들의 이점이 있다. 예를 들어 3 µ m와 노즐 ID 3 µ m, 작은 점 들을 인쇄할 수 및 도트 크기를 더 작은 id는 노즐을 사용 하 여 줄일 수 있습니다. 작은 ID 가진 노즐을 하려면 유리 모 세관 일반적으로 사용 됩니다, 때문에 ID 쉽게 될 수 있는 대상으로 노즐을 통해 상업적으로 이용 가능한 열 끌어당기는 사람. 다른 한편으로, NFES 높은 점도 인쇄 하려면 50 µ m 보다 크면 노즐 ID 필요 (1, 000 보다 큰 cP) 잉크. 일반적으로, 100 µ m의 ID로 노즐 패턴 폭이 하 5 µ m의 미세 패턴 인쇄를 위해 주로 사용 됩니다. 여기, 상용 주사기 바늘이이 목적을 위해 사용할 수 있습니다.
모두 국방부 EHD 제트와 NFES 제트기, 잉크 점도 고려해 야 합니다 노즐 ID를 선택 하 또한, 압력 또는 유량에 유체 시스템의 양의 노즐 ID 및 잉크 점도에 따라 결정 되어야 합니다. 그림 11 세 가지 중요 한 요소 간의 관계를 보여 줍니다: 잉크 점도, 노즐 크기, 및 공기 압력 (또는 흐름 율). 그림 11에서 같이, 고압과 큰 ID와 노즐 사용 되어야 한다 높은 점성 잉크를 사용 하는 경우 반면 낮은 공기 압력에 더 작은 id 노즐 저 점도 잉크 제트에 대 한 사용 해야 합니다.
그림 11: 점도 및 압력 노즐 선택 지침. 이 그림에서는 노즐 ID, 점도, 공 압 압력 사이의 관계를 설명합니다. 예를 들어 고 점도 잉크를 사용 하는 경우 더 큰 노즐 및 높은 공기 압력 필요 하다, 또는 반대로. 마찬가지로, 초승달 모양 제어를 위한 더 높은 공기 압력 작은 ID, 또는 반대로노즐을 사용할 때 필요 하다. 그럼에도 불구 하 고, 높은 공기 압력 밀어 수 없습니다 잉크 제대로 노즐 팁에 노즐 ID는 아주 작은 공기가 쉽게 압축할 수 있기 때문에 점도 너무 높은 경우. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
인쇄, 중 노즐의 외부 부분 노즐 팁에서 잉크 흐름에 의해 접촉 될 수 있습니다. 중요 한 일로의 적절 한 처리 컨트롤은 어려울 수 있습니다. 일로의 가능한 원인 중 표면 장력 등의 부적절 한 잉크 속성에서 또는 DC 전압 등의 부적절 한 설정에서 되 고 압력/흐름 속도. 노즐에 일로 계속 되 면 노즐 표면 잉크에 관하여 소수 성 특성을 가질 수 있도록 노즐 표면 처리 필요할 수 있습니다.
국방부 인쇄에 대 한 두 가지 유형의 전압 소스는 필요한7,11: 대기 초승달 모양을 유지 하는 DC 배경 전압 및 국방부 제트기를 생성 하는 펄스 전압. 그러나, NFES을 사용 하 여 DC 전압만 매우 높은 점성 잉크를 사용 하 여 연속 마이크로 라인 패턴 (1000 cP). 1에서까지 높은 DC 전압 kV 2 kV 노즐 튜브 사이 삽입 금속 커넥터에 적용 했다. 직선을 인쇄 하려면 사용 하는 짧은 스탠드 오프 거리는 1 ~ 3mm, 그리고 그 때문에 메서드가 호출 된 "근처-필드" 전기 (NFES)는 기존의 멀리 필드 전기12,13에 비해 다른 기능을가지고 .
이 프로토콜에서 유리 기판은 실험을 위해 사용 되었다 하지만 기판의 종류는 응용 프로그램에 따라 사용할 수 있습니다. 그러나, 높은 절연 속성 [예를 들어 폴 리 에틸렌 테 레프 탈 산 (애완 동물) 영화] 기판 화학 코팅, 표면에 축적 될 수 있는 전기 정전기 제거 등 전처리 필요 주목 한다.
다양 한 응용 프로그램에 대 한 EHD jet를 사용 하 여 인쇄 및 준비 지침 표 1에 요약 되어 있습니다.
| 국방부 EHD 제트 인쇄 | 근처 필드 전기 (연속 인쇄) | |
| 잉크 요구 사항 | 점도 범위: 1 ~ 100 cP. | 점도: 100 cP ~ 10000 cP. |
| 표면 장력: 20-40만 / m. | 비등 점: 미만 100 ° c. | |
| 용 매의 비등 점: 이상 150 ° c. | ||
| 유체 시스템 | 유체 높이 (액체 정역학 힘): 노즐 50µm 보다는 더 많은 것의 내부 직경을. | 일정 유량 주사기 펌프입니다. |
| 공기 압력: 10 µ m 보다 작은 내부 직경을 노즐. | ||
| 노즐 내경 요구 사항 | 더 이상 10 µ m 안정적인 제트에 대 한 것이 좋습니다. | 100 µ m 폭 5µm 보다는 더 적은 얇은 패턴에 대 한 사용할 수 있습니다. |
| 일반: 5 µ m 내부 직경 5µm의 크기와 점 들에 대 한 인쇄할 수 있습니다. | ||
| 전압 요구 사항 | DC 배경 전압: 600 V 미만 | DC 전압: 2 kV. |
| 펄스 제트에 대 한 전압: 볼트의 약간 수백. | ||
| 인쇄 속도 | 저, 10 m m/s입니다. | 300 m m/s 보다 더 빨리. |
| 소프트웨어 요구 사항 | 래스터 인쇄 (비트맵 이미지)입니다. | 간단한 그리드 패턴입니다. |
| 벡터 인쇄 (CAD 기반 정보)입니다. | 온-오프 요구 패턴은 제트기의 지속적인 특성 수 없습니다. |
표 1: 국방부와 지속적인 EHD 제트에 대 한 준비 및 인쇄 지침 요약. 표에 요구 사항 및 EHD jet를 사용 하 여 미세 패터 닝에 대 한 권장 사항을 요약 합니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 연구는 기본 과학 연구 프로그램 통해 국립 연구 재단의 한국 (NRF) 한국, 교육부 (2016R1D1A1B01006801)에 의해 자금 지원 및 순천 향 대학 연구 기금에 의해 부분적으로 지원 .
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 |
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