Høyoppløselig mønstre ved hjelp av to driftsmoduser Electrohydrodynamic Jet: slipp på etterspørsel og nær-feltet Electrospinning

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å produsere høy oppløsning ledende mønstre ved hjelp av electrohydrodynamic (EHD) jet utskrift. Protokollen inkluderer to driftsmoduser EHD jet utskrift: kontinuerlig nær-feltet electrospinning (NFES) og dot-baserte drop-on-demand (DOD) EHD utskrift.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) jet utskrift har trukket oppmerksomheten i ulike feltene fordi den kan brukes som et verktøy for høy oppløsning og rimelig direkte mønstre. EHD bruker en fluidic leverandør for å opprettholde den ekstruderte meniscus ved å skyve blekk av dysen spissen. Det elektriske feltet brukes deretter til å trekke meniscus til underlaget å produsere høy oppløsning mønstre. To moduser av EHD utskrift er brukt for fine mønstre: kontinuerlig nær-feltet electrospinning (NFES) og dot-baserte drop-on-demand (DOD) EHD utskrift. Ifølge utskriftsmodus varierer kravene for utskrift utstyr og blekk viskositeten. Selv om to forskjellige moduser implementeres med en enkelt EHD skriver, forskjellige metodene realisering betydelig når det gjelder blekk, fluidic system og kjøring spenning. Derfor uten en riktig forståelse av spyling kravene og begrensningene er det vanskelig å få de ønskede resultatene. Formålet med denne utredningen er å presentere en retningslinje slik at uerfarne forskere kan redusere arbeidet med prøving og feiling å bruke EHD jet for deres spesifikke forskning og utvikling. For å demonstrere fine-mønstre gjennomføringen, bruker vi Ag hydrogenion blekk for den ledende mønstre i protokollen. I tillegg presenterer vi også generalisert utskrift retningslinjene som kan brukes for andre typer blekk for ulike fine-mønstre programmer.

Introduction

EHD jet utskrift har vært mye brukt i ulike områder, som trykte elektronikk, bioteknologi og avanserte materiale programmer, fordi det er i stand til høy oppløsning og rimelig direkte mønstre¹. Utskrevne linjebredden eller trykte prikk-størrelse kan bli redusert til 1 µm, slik som er betydelig mindre enn konvensjonelle piezo-baserte blekkskrivere skriver ut¹.

EHD utskrift, er en liten del av blekk (eller menisk) skjøvet ut av munnstykket spissen og vedlikeholdt ved å kontrollere den flow rate^1,2,3,4,5 eller positive lufttrykket^{1 ,6,7}. Den ekstruderte meniscus belastes og kan lett bli trukket fra munnstykket spissen til underlaget av et elektrisk felt, som vist i figur 1. Den koniske meniscus dannes under spyling, produsere en blekk strøm mye tynnere enn munnstykket.

Figur 1: EHD utskrift. Figuren viser prinsippet om EHD jet utskrift. Blekk er skjøvet via presset og trakk via et elektrisk felt for å danne en ekstrudert menisk fra munnstykket. Deretter kan belastes blekket lett jetted substrat via en DC eller puls spenning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Selv om en enkelt EHD skriver kan brukes for to forskjellige moduser, nær-feltet electrospinning (NFES) og drop-on-demand (DOD) EHD jet utskrift metodene realisering avviker seg betydelig i blekk, fluidic systemet og kjøring spenning^{1 , 2 , 3}. NFES^4,5 bruker For eksempel en relativt høy-flytende blekk [mer enn 1000 centipoises (cP)] til kontinuerlig mikro-linjemønstre med høyhastighets utskrift opptil 1 m/s. På den annen side, DOD EHD jet utskrift^6,7,8 bruker lav-flytende blekk med en viskositet på rundt 10 cP skrive dot-baserte komplekse mønstre med en lav utskrift hastighet 10 mm/s.

Siden behovet for hver modus er signifikant forskjellig, kan det være utfordrende for uerfarne forskere å oppnå de ønskede resultatene. Den empiriske "know-how" kan være viktige i praksis. For å hjelpe forskerne å venne seg til utskriftsmetoder, presenterer vi EHD utskrift protokoller for fine ledende mønstre med Ag hydrogenion blekk. Men lagt vi kommentarer til protokoller slik at de ikke er begrenset til en ledende mønstre med Ag hydrogenion blekk. Endelig presenteres utskrift og forberedelse retningslinjer under diskusjon.

Protocol

For helse og sikkerhet, før du bruker håndskrift og rensemiddel, se HMS dataarket (MSDS).

1. slipp-on-demand Electrohydrodynamic Jet utskrift med sølv Nanoparticle blekk

1. Fyll filtrerte sølv hydrogenion (AgNP) blekk blekk reservoaret for EHD utskriftssystemet.
   Merk: Kommersielt tilgjengelig AgNP blekk kan brukes for inkjet formål. Blekket skal ha en viskositet på rundt 10 cP og en overflatespenning 20 ~ 40 mN/m å få drop-on-demand spyling.
2. Gjøre en dyse for DOD EHD utskrift med en termisk avtrekker.
   1. Sett et glass kapillær [indre diameter (ID) av 1 mm] i termisk puller.
   2. Angi parametere av termisk puller; for eksempel varme temperaturen i 580-590 ° C og en trekker fart rundt 18 mm/s.
      Merk: Parametrene for termisk puller bør variere i henhold til mål munnstykke-ID og forholdene.
   3. Bruke termisk puller med angitte parametere bruke varmen i midten av av kapillær og trekk på begge endene til å gjøre en dyse med ID 5 µm.
      Merk: Bestemme størrelsen på munnstykket ID basert på målet dot størrelsen på underlaget. For referanse, kan munnstykket IDen til 5 µm skrive 5 µm størrelse prikker.
   4. Juster glass munnstykke lengden ved å kutte den glass munnstykke via en glass kutter.
3. Samle munnstykket til innehaveren av munnstykket og kontakten, som er koblet til blekk reservoaret via polytetrafluoroethylene (PTFE) slangen.
4. Bruke lufttrykket å levere blekk til munnstykke spissen.
   1. Slå på lufttrykk kontrolleren og bruke lufttrykk 15 ~ 20 kPa til blekk reservoaret levere blekk til munnstykke spissen. Overvåke blekk flyten gjennom gjennomsiktig glass munnstykke og rør slik at ingen luft er fanget inne i røret og munnstykket når du angir håndskriften. Holde bruke lufttrykk på blekk reservoaret til blekk vises på munnstykket spissen.
      Merk: Ikke Reduser trykket før blekket vises på munnstykket spissen fordi som kan forårsake luft boble entrapment munnstykke tuppen.
   2. Redusere presset til rundt 12 kPa å opprettholde den ekstruderte meniscus uten håndskrift drypper fra munnstykket spissen.
      Merk: Riktig lufttrykket avhenger på munnstykket størrelse og blekk viskositet. Ikke Øk lufttrykket å mer enn 30 kPa å unngå høy komprimering, som er ønskelig for å opprettholde meniscus i en stabil tilstand.
5. Løse sammensatte dysen leder i utskriftssystemet.
6. Plasser en barometer substrate på vakuum chuck av underlaget holderen og aktivere vakuumpumpe å holde underlaget.
7. Flytte z scenen for å justere stand-off avstand (H), gapet mellom munnstykke spissen og underlaget posisjon-omtrent 100 µm. Bruk side-visning bildet av overvåking kameraet til å beregne stand-off avstand ved hjelp av avstanden fra den munnstykke tips til sin refleksjon, som vist i figur 2.
   Merk: En mindre stand-off avstand fører til et høyere elektrisk felt, som kan lette utskrift med en lavere DC og puls spenninger for spyling. Men kan en lavere stand-off avstand føre til større dråper. Derfor skal omfanget av spenninger reduseres tilsvarende for å få ønsket prikk-størrelse. Vanligvis anbefales bruk av en lavere spenning å få mindre trykte prikker med mindre sprøyting. Imidlertid kreves en forsiktig operasjon hvis stand-off avstand blir mindre enn 50 µm, på grunn av høyere sjanse for munnstykke brekkasje av kollisjon med underlaget. Vurderer bytteforholdet forholdet mellom spyling evne og pålitelighet anbefaler vi bruk av en stand-off avstand på 100 µm.

Figur 2: Stand-off avstand justering ved hjelp av siden Vis kamerabildet. Munnstykke bildet fra en side-visning kameraet kan brukes til å beregne stand-off avstand. Den stand-off avstanden (H) fra munnstykket spissen til underlaget kan lett anslås som halve avstanden fra munnstykket spissen til skyggen sin. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

8. Bruke DC og puls spenninger
   Merk: DC og puls spenninger kan kontrollert via utskrift programvare.
   1. Den DC spenningen gradvis øke til blekk drypper ut av munnstykket spissen.
      Merk: Ikke bruk mål spenningen samtidig. Trinnvis spenningen bør være mindre enn 100 V samtidig. Generelt gjelde ikke en DC spenning på mer enn 600 V.
   2. Reduser den DC spenningen litt fra starten DC spenning til ingen ytterligere blekk drypper fra munnstykket er observert.
      Merk: Etter justering av pneumatisk trykk og DC spenning, meniscus bør være i en passende form for spyling som vist i Supplerende figur S1.
   3. Angi en negativ puls spenning med parameterne for t_stige = 0 ~ 100 µs, t_bo = 300 µs og t_faller = 0 µs⁷ (Figur 3) i av programvare-menyen.
   4. Bruke negativ puls spenningsnivået innehaveren av underlaget. Deretter justere størrelsen på pulsen spenningen, V_puls, for å produsere en dråpe per enkelt puls spenning.
      Merk: Omfanget av negativ puls spenningen, V_puls, bør være lavere enn 600 V.
   5. Justere DC bakgrunn og puls spenninger for å få målet dråpestørrelse på underlaget mens observere hardhauser prikker på underlaget i side-visning kamerabildet.
      Merk: For å produsere små prikker med mindre sprøyting på underlaget, størrelsen på pulsen spenningen, V_puls, bør være så lavt som mulig.

Figur 3: puls spenning for DOD EHD spyling. Bruk av trapes bølgeform spenning anbefales å produsere DOD EHD spyling⁷. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

9. Print mønstre
   Merk: To forskjellige typer mønstre kan brukes for DOD EHD utskrift: bitmap bilde og (CAD)-basert vektor. Punktgrafikkbilde har vært mye brukt i DOD-baserte inkjet utskrift. Men i trykte elektronikk applikasjoner har CAD-baserte vektor fordeler over DOD-basert blekk trykking, fordi det er effektivt i linje-basert utskrift med en enkelt EHD hodet. Samtidig, kan vektor informasjonen konverteres til punktgrafikk punktgrafikk bilde utskrift.
   1. Punktgrafikk bildeutskrift
      1. Laste inn et punktgrafikkbilde i kategorien utskrift av utskrift programvare og konvertere den til en binære bilder.
      2. Angi parametere for binære bildeutskrift. For eksempel angi slipp intervallet (dvs., avstanden mellom 2 sammenhengende bildepunkter) på 10 µm.
         Merk: Punktgrafikkbildet ikke har noen fysiske dimensjoner. De fysiske dimensjonene av utskriften vil være knyttet til nedgang intervallet. For eksempel blir utskriften større hvis en større nedgang intervallet brukes. I konvensjonell inkjet utskrift, er punkt per tomme (PPT) ofte brukt til dette formålet. Det bør imidlertid bemerkes at en mindre DPI betyr en større nedgang intervallet. For å avgjøre nedgang intervallet, anses den utskrevne prikk-størrelsen. Generelt, er slipp intervallet for EHD DOD utskrift betydelig mindre enn konvensjonelle inkjet utskrift.
      3. Starte utskrift via det merkede punktgrafikkbildet på målplasseringen i underlaget.
   2. Vektorutskrift basert på CAD-informasjon
      1. Laste inn CAD-informasjon for utskrift.
         Merk: Filformatet DXF, som er tekst-basert CAD-informasjon, kan brukes til utskriftsinformasjonen.
      2. Angi parametere for vektorutskrift; for eksempel angi slipp intervallet på 3 µm og spyling frekvensen ved 10 Hz.
         Merk: For å skrive ut sammenkoblede mønstre, slipp intervallet bør velges slik at adjacently avsatt drops litt overlapping. Imidlertid kan mye overlapping resultere i en større linjetykkelse. En overlappende ca 30% er anbefalt for alle praktiske linje utskrift. I tilfelle av vektor utskrift, Bevegelseshastigheten (v) følgende ligning.
         v = d × f
         her
         d = slipp intervallet, og
         f = spyling frekvensen.
      3. Skrive ut lastet mønstre på underlaget ved hjelp av forhåndsbestemte utskrift parametere, for eksempel slipp intervallet, utskriftshastigheten, spenning, osv
         Merk: Etter trykk en sintring prosess kan bli pålagt å få ønsket ledningsevne mønstrene, som er utenfor omfanget av dette dokumentet.

2. fin ledende linje mønstre ved hjelp av nær-feltet Electrospinning

1. Gjøre nær-feltet electrospinning (NFES) blekk for ledende linje utskrift.
   1. Bland etanol og deionisert (DI) vann med Volumforholdet 3 (etanol) til 1 (DI vann) å forberede solvent 1. For eksempel bland 9 ml av etanol og 3 ml DI vann for å lage 12 ml solvent 1.
   2. Bland 0,3 g av poly (etylenoksid) (PEO, M_wt = 400.000) og 9,7 g forberedt løsemiddel 1 for å få en polymer løsning med 3 wt % av PEO ved røring, bruker en magnetisk rørestang for mer enn 6 h ved romtemperatur (25 ° C).
   3. Mix Ag nano lime blekkfarge, som har en viskositet på ca 11000 cP og forberedt polymer løsningen, med en vekt på 5 (Ag nano lim blekk) til 1 (polymer løsning) med en vortex mikser for 10 min å få blekket for NFES. For eksempel 10 g av Ag nano lim blekk og 2 g polymer løsning kan blandes for å få den NFES blekket.
      Merk: I denne protokollen, forholdet mellom blande materialer er vanligvis viktigere enn det spesifikke beløpet av materialer. Kommersielt tilgjengelige Ag nano lim blekk for skjermen utskrift, som har Ag solide innholdet om 85.5 wt %, kan brukes til dette formålet. Merk at løsemiddelet og polymer kan variere basert på sammensetningen av håndskriften som brukes.
2. Fyll sprøyten forberedt NFES blekk.
3. Koble sprøyten med en munnstykket via koble røret.
   Merk: En kommersielt tilgjengelig sprøyte nål ID 100 µm kan brukes for munnstykket.
4. Angi blekket til dysen ved å skyve sprøyten manuelt.
5. Installere sprøyten i sprøyten motoren, som er festet til utskriftssystemet.
6. Plasser et substrat på vakuum chuck og aktivere vakuumpumpe å holde underlaget under utskrift.
7. Kontrollere Z-posisjonen (scenen) for å justere stand-off avstand.
   Merk: Den anbefalte stand-off avstanden bør være rundt 2 mm, som er en betydelig mindre stand-off avstand i forhold til den som brukes med konvensjonelle electrospinning.
8. Justere infusjonshastigheten
   1. Operere sprøytepumpen å fylle NFES blekk samlingen munnstykke og generere en blekket flyt med en innledende flow rate på 50 µL/min, som er høyere enn målet flow rate.
   2. Angi en mål flow rate 1 µL/min når håndskriften renner ut av munnstykket spissen.
      Merk: En mindre strømningsrate kan resultere i en mindre mønster bredde. Imidlertid kan det føre linje brekkasje. Bytteforholdet mellom linjebredden og videreføring av linjen bør vurderes når målet infusjonshastigheten bestemmes.
9. Bruke spenning
   1. Koble DC spenning kilden til munnstykke og koble til bakken ham innehaveren av underlaget.
   2. Øke den DC spenningen gradvis å 1.5 kV.
      Merk: Siden stand-off avstand mellom noen millimeter, den DC spenningen kan økes til 2 kV, som er høyere enn at av DOD EHD jet utskrift. Men en DC spenning høyere enn 2 kV bør unngås siden det kan skade det funksjonelle materialet, spesielt Ag lim håndskrift til polymer løsning. Vanligvis anbefales en lavere DC spenning når en tynnere linjen er nødvendig. Imidlertid kan trykte linjene lett kobles når en lav spenning, fordi trekke styrken for kontinuerlig blekk trykking er knyttet til den DC spenningen. Vurderer avveiningene, anbefaler vi bruk av en DC spenning fra 1 kV 2 kV.
10. Start inaktiv utskrift med en utskriftshastighet på 300 mm/s for mer enn 10 min å få en stabil flyt. Justere utskriftsparametrene som DC spenning og flow rate i inaktiv utskrift å få de ønskede utskriftsresultatene.
    Merk: Inaktiv utskrift av mer enn 10 min er nødvendig å få en stabil flyt fordi tyktflytende blekket kan komprimeres lange slangen under blekk levering til munnstykke spissen. Uten inaktiv utskrift endres trykte linjebredden med tiden. Inaktiv utskriftshastigheten bør derfor være det samme som faktisk utskriftshastighet slik at parameterne spyling kan justeres under utskrift. På denne måten justeres den DC spenningen ved inaktiv utskrift hente linjebredden mål. Merk at infusjonshastigheten og DC spenning skal være balansert, slik at mengden blekk presset av sprøytepumpen kan være lik mengden blekk trukket ned av det elektriske feltet.
11. Velg utskrift mønsteret, som en sammenhengende linje og rutenett.
    Merk: Siden produsert fiber kan lett være avledet og tilfeldig kan settes på grunn av kostnad frastøting kraft generert av trykte linjene, utskriftshastigheten må være større enn 300 mm/s justere mønsteret med retninger for utskrift, og de trykte linjeavstand bør være mer enn 100 µm for å skrive ut binde eller linje mønstre.
12. Skriv ut det valgte mønsteret på underlaget ved hjelp av forhåndsbestemte utskriftsparametrene.
    Merk: En sintring prosessen kan måtte få mål funksjonaliteten til mønstrene, som er utenfor omfanget av dette dokumentet.

Representative Results

Dot-baserte drop-on-demand utskrift:
DOD utskrift er basert på en dråpe spyling per en spyling utløser. CP bør brukes for å produsere DOD spyling, lav-flytende blekk med en viskositet på ca 10. Blekk kravet for EHD DOD utskrift er lik som den konvensjonelle DOD inkjet, som er metoden EHD utskrift som den konvensjonelle DOD blekkskrivere. Når det gjelder konvensjonelle inkjet utskrift, har raster utskrift teknikken vært mye brukt, fordi det er egnet for punktgrafikk bildeutskrift med flere munnstykket hodene. Men i tilfelle av en EHD jet utskrift er det en grense på gjennomføringen av flere dysen leder på grunn av den elektriske kryss-snakk mellom dysene. Derfor brukes vanligvis vektorutskrift bruker en enkelt dyse for CAD-baserte linje utskrift. Likevel, raster eller vektor utskriftsmodus bør være valgbar fra utskrift programvare for å skrive ut ulike typer mønstre. Vær oppmerksom på at algoritmen og implementering kan variere i henhold til utskriftsmodus. I vektor-modus, samtidige bevegelser i x, brukes y retninger til å skrive ut linjene, mens, i rasterutskrift ett brukes til å skrive ut prikker i Hovedretningen og flytte til neste skjærer i sub retning. Representant utskriftsresultater bruker raster og vektor utskrift er vist i Figur 4.

Figur 4: typisk utskriftsresultater bruker DOD EHD spyling. (en) dette panelet viser punktgrafikkutskrift (rasterutskrift). (b) dette panelet viser vektorutskrift basert på CAD-informasjon. Dot-basert EHD jet utskrift kan brukes til å skrive ut både punktgrafikkbilder (rasterutskrift) og CAD-baserte linjer (vektorutskrift). Her, ble DC spenninger på 250 V og en puls spenning på-250 V brukt til å skrive ut både patterns. I panelet enble dråpe intervallet satt til 10 µm for å skille prikker. I panelet b, ble mønsteret skrevet med en frekvens på 10 Hz og en dråpe intervall på 3 µm slik at punktene er koblet til skjemaet linjer.

Nær-feltet electrospinning:
NFES bruker svært tyktflytende blekk av mer enn 1000 cP skrive mønstre kontinuerlig. Så, ikke det skrive ut punktgrafikkbilder eller CAD informasjon med utskrift og utskrift. Som et resultat, i stedet for kompliserte mønstre er NFES egnet for utskrift rette linjer ved hjelp av en høy utskriftshastighet. Rutenettet mønstrene blir ofte brukt som vist i figur 5.

Figur 5: typisk utskriften av NFES. (en) dette panelet viser et typisk rutenettmønster for electrospinning utskrift. (b) dette panelet viser effekten av utskriftshastighet på utskriften. NFES krever en høy utskriftshastighet for to formål: å redusere mønsteret bredden og justere utskrift mønstre med hensyn til utskriftsretningen. Siden spyling virkemåten er uforutsigbare i den langsomme utskriftsområde, bør fort utskrift regionen brukes ved å ekskludere ikke-lineær deler.

Hvis du vil skrive ut kontinuerlig mønstre ved hjelp av NFES, bør utskriftshastigheten være raskere enn 300 mm/s justere mønstrene med utskriftsretningen. En rask utskriftshastighet bidrar også til å oppnå en tynn mønster bredde¹¹. Reduksjonsforholdet mellom mønster bredden forhold til munnstykke ID kan være mer enn 20 x, avhengig av utskrift. For eksempel kunne en dyse ID på 100 µm produsere en mønster bredde mindre enn 5 µm. Så, NFES er en svært effektiv metode for å oppnå veldig fine mønstre med svært tyktflytende blekk. Men er mønsteret rett linje og bredde lett kan utskrift hastighet variasjon. Merk at det er uunngåelig akselerasjon og deselerasjon regioner der Utskriftshastigheten kan bli svært lave (eller null) endre utskriftsretningen. I disse regionene, kan trykte mønstre bli ikke-uniform og ikke-samkjøres med hensyn til bevegelige retning. Derfor anbefaler vi bruk av mønstrene i nærheten av høyhastighets regionen bare. Mønstrene nær akselerasjon og deselerasjon regioner (lav utskrift hastighet regionene) bør forkastes, som vist i figur 5a. I noen tilfeller kan en lav spyling hastighet brukes til å generere et bølgemønster. Ved hjelp av en lav utskriftshastighet på mindre enn 100 mm/s, kan mønstre bli bølgete, som vist i figur 6. Bølgemønsteret kan være nyttig i elastisk elektronikk programmer. Imidlertid kan linjebredden øke mer enn 10 µm på grunn av lav utskriftshastigheten.

Figur 6: eksempel på bølget mønstre ved hjelp av lav utskriftshastigheten. En lav utskriftshastighet (ca 100 mm/s) kan produsere bølgede linjer. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

I noen utskrift programmer kreves fine mønstre med en bredde mindre enn 1 µm. For å oppnå slike en fin mønster, en utskrift fart så fort 1 m/s kan betraktes. Men kan en overdrevet høy utskriftshastighet føre i frakoblet (eller ødelagt). Så skal ulike utskriftsforhold som flyt, linjebredde, utskriftshastighet og stretchability av polymer være optimalisert for å skrive ut fine mønstre uten alle linje skrøpelig. For eksempel figur 7 viser flyten hastighet effekter på utskriftsresultatene når utskriftshastighet og DC spenning er 300 mm/s og 1200 V henholdsvis.

Figur 7: mønster bredde ifølge infusjonshastigheten. Infusjonshastigheten er knyttet til mønster bredden. Med en lavere strømningsrate, kan du få en finere mønster. For eksempel hvis infusjonshastigheten er høy med 50 µL/min, ville linewidth bli stor med 34 µm. Når infusjonshastigheten reduseres til 1 µL/min og 0,1 µL/min, finere mønstre med en bredde på 8 µm og 1 µm, henholdsvis kan oppnås. Merk at hvis infusjonshastigheten er for liten, linjemønster kan brutt og frakoblet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur S1: Standby menisk figur etter utskriftsforhold. Riktig menisk figuren bør opprettholdes hele utskriftsprosessen med riktig lufttrykk og en DC bakgrunn spenning for å oppnå stabil DOD spyling. Klikk her for å laste ned denne filen.

Figur S2: skjematisk av electrospinning utskrift. Komponenter for electrospinning utskrift vises. Merk at en høy DC spenning ble brukt til munnstykke innehaveren å levere elektrisk kostnader til blekk og produsere det elektrisk feltet som trekker håndskriften til underlaget. Ved NFES, stand-off avstand fra munnstykket spissen til substratet skal være 1 ~ 3 mm for lineær utskrift langs utskriftsretningen. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

I denne protokollen, fokuserer vi på utskrift fine mønstre med AgNP blekk med to moduser: DOD EHD utskrift og NFES. EHD jet utskrift programmet er imidlertid ikke begrenset til ledende blekket bruker AgNP. Her vil vi diskutere de generelle retningslinjene for valg av blekk, systemkonfigurasjonen og andre utskriftsparametrene for å bruke EHD jet utskrift for ulike fine-mønster programmer.

Det første og viktigste trinnet EHD utskrift er håndskriftutvalget og forberedelser. På blekket som brukes i konvensjonelle inkjet utskriften kan brukes i DOD EHD utskrift. Viskositeten av blekk for DOD inkjet utskrift er i størrelsesorden 1 ~ 50 cP (vanligvis 10 cP)¹⁴. Det bør imidlertid bemerkes at pneumatiske kontroll metoden for DOD EHD utskrift er forskjellig fra en tradisjonell DOD blekkskrivere. Konvensjonelle blekkskrivere bruker negative trykket for å opprettholde menisk plasseringen i munnstykket overflaten å hindre håndskrift dryppende og munnstykke wetting. På den annen side, bruker EHD DOD positivt trykk, noe som kan presse blekket til å danne en ekstrudert menisk. Merk at hvis blekk viskositeten blir mer enn 100 cP, meniscus er vanskelig å kontrollere, fordi air kan deretter enkelt komprimeres presse blekk til munnstykke spissen. Viskositet området for spyling kan avhenge av dysen-ID. Hvis en mindre dyse IDen brukes, skal viskositeten reduseres tilsvarende for å forsyne blekket til munnstykke spissen uten for mye luft-komprimering.

Overflatespenning av blekk er også viktig for riktig spyling. Overflatespenning av blekk bør være i størrelsesorden 20-40 mN/m. Hvis overflatespenningen er mindre enn 20 mN/m, vil sprøyting effekter dominere. Hvis overflatespenningen er mer enn 40 mN/m, vil det være vanskelig å danne en konisk menisk, som er nødvendig for riktig EHD spyling.

Figur 8: overflatespenning effekter av EHD jetting. Den anbefalte overflatespenningen for blekk er i størrelsesorden 20-40 mN/m. Hvis overflatespenningen blir lav, vil sprøyting virkningene på underlaget dominere. På den annen side, hvis overflatespenningen er for høy, er riktig EHD spyling usannsynlig, fordi den koniske meniscus er vanskelig å oppnå. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Hvis overflatespenning en blekk er mer enn 40 mN/m, kan en liten mengde surfactant legges til blekket til å redusere overflatespenningen. Men føre bruk av overdreven surfactant sprøyting av blekk på underlaget. Merk at ladet blekk med noen polariteten kan produsere en frastøtende kraft i jet fly, som resulterer i sprøyting på underlaget. For å redusere sprøyting effektene, betraktes reduksjon av kjøreforhold spenninger eller stand-off avstand.

En annen viktig parameter for pålitelig spyling er kokepunktet. Siden munnstykke ID er svært liten i en EHD jet, den ekstruderte meniscus, på grunn av positivt trykk, kan lett tørkes og tette munnstykket. For å redusere eventuelle blekket tørker på munnstykket spissen, skal viktigste løsemiddelet velges basert på det faktum at sitt kokepunkt er høyere enn 150 ° C. For å hindre eventuelle tilstopping på grunn av partikkel aggregering, vurdere filtrering blekk med filtre med porene én størrelse mindre enn munnstykke-ID. I tillegg bør partikler i blekk være minst 10 x mindre enn den munnstykke-IDen. Generelt kan blekkfargene som er egnet for en konvensjonell piezo inkjet også brukes for DOD EHD utskrift.

NFES blekk har høyere viskositet sammenlignet med DOD EHD inkjet blekk. Viskositeten bør være i området fra flere tusen cP. En kontinuerlig utskrift er en polymer løsning blandet med funksjonell blekk. Anvendelse av NFES har nylig blitt utvidet fra fiber produksjon^15,16 til ulike programmer ved å blande funksjonelle materialer med polymer løsning¹⁷. Polymer-løsninger brukes PEO og PVP (polyvinylpyrrolidone), etc.^4,5,17,18,19, som har en høy molekylvekt, ofte. Hovedproblemet med NFES er å bevare kontinuerlig utskrift evnen med polymer mens blekket holder materialets funksjonalitet, for eksempel ledningsevne. Derfor skal blande forholdet mellom polymer løsningen med hensyn til funksjonelle materialer velges nøye. Også i motsetning til tilfellet av DOD, er et løsemiddel med en lavere kokepunktet (mindre enn 100 ° C) vanligvis brukt til å lage polymer løsning.

Selv om et vanlig blekkskriver blekk kan brukes i DOD EHD utskrift, trykk kontrollmetoder for EHD utskrift er forskjellig fra et vanlig blekkskriver. EHD bruker positivt trykk for å opprettholde den ekstruderte meniscus fra munnstykket, mens en vanlig blekkskrivere bruker negative trykket. Positivt trykk kontroll, to typer press kontroll metoder-hydrostatisk trykk og presset luft-kan brukes, avhengig av blekk viskositet og munnstykke ID som vist i figur 9. For en mindre dyse, bør lufttrykk i stedet for hydrostatisk trykk brukes å presse håndskriften til munnstykke spissen. Men kan en skikkelig kontroll av lufttrykket være vanskelig når du bruker høy viskositet blekk eller en dyse med ID mindre enn 2 µm, siden luften lett kan komprimeres. På den annen side, hvis munnstykket er mer enn 50 µm, kan en svak variant av lufttrykket påvirke menisk plasseringen. Hvis blekk viskositet er lav og munnstykket er mer enn 50 µm, bør hydrostatisk trykk bruker fluidic høyde brukes til å vedlikeholde en konsekvent menisk plassering.

Figur 9: Trykk kontroll for DOD spyling. Positivt trykk er nødvendig for å opprettholde den ekstruderte meniscus på standby status. Trykket for meniscus styres av det hydrostatisk trykket (med høyde forskjellen blekk reservoaret og munnstykke spissen) eller komprimert luft fra en luftkompressor. Valg av metodene kontroll bør variere i henhold til munnstykke størrelse og blekk viskositeten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Når det gjelder NEFS, kan en Sprøytepumpe brukes å mate håndskriften til munnstykke siden svært tyktflytende blekket ikke kan skyves av lufttrykket. Merk at håndskriften kan være trykk og komprimert når det angis i en konstant flyt rate via en sprøytepumpe. Også kan mye tid være nødvendig for komprimerte blekket til en stabil flyt på munnstykket spissen. For å minimere blekk-komprimering virkningene på utskrift, bør koble slangen settes inn mellom sprøyten og munnstykke spissen være så kort som mulig. Også skal koble røret være vanskelig å redusere utvidelsen effekten forårsaket av presset tyktflytende blekk. For å minimere blekk komprimering effektene, skal sprøyten være knyttet til utskrift utstyr (scener) å redusere lengden av røret koble sprøyten til munnstykket. For dette formålet brukte vi en sprøytepumpe som skruen motoren kan skilles fra kontrolleren, som vist i Figur 10.

Figur 10: et Fluidic system for electrospinning. Fluidic systemet for electrospinning består av to deler: pumpesystem sprøyten og samlingen sprøyte-dyse. Sprøyte pumpesystem inkluderer en flow rate kontroller og en skrue-motor. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

En av den viktige parametere fastsette dot størrelse eller mønster bredden er munnstykke-ID. I motsetning til konvensjonelle blekkskriver hodet krever ikke en EHD hodet noen aktuatorer eller komplekse væske kanaler. Det krever bare en dyse som en sprøyte nål eller et glass kapillær munnstykke, som er koblet til en høy spenningskilde. Her, basert riktig størrelsen på munnstykket ID bør velges på blekk viskositeten samt mønster bredden. For eksempel ved en DOD utskrift med en viskositet lavere enn 100 cP, munnstykket ID bør være mindre enn 50 µm. For å oppnå stabil og konsekvent utskrift, bør den ekstruderte meniscus på standby status forbli på samme sted. Men når en munnstykket med en ID som er større enn 50 µm er brukt, liten varianter av lufttrykk, kjører spenning, og stand-off avstand kan lett påvirke menisk plasseringen av lav-flytende blekk. Merk at en menisk plassering er knyttet til spyling: en lavere plassering produserer vanligvis mer dråper. Derfor når du bruker en dyse med en stor ID, er det svært vanskelig å oppnå dot ensartethet i DOD utskriftsprosessen. Derfor trykket munnstykket ID bør være mindre enn 10 µm å sikre prikk-størrelse ensartethet. Bruk av et munnstykke med en mindre ID har fordelen av utskrift mindre punkt. For eksempel en dyse ID med 3 µm kan skrive prikker så lite som 3 µm og prikk-størrelse kan reduseres ytterligere ved å bruke et munnstykke med mindre ID. For å gjøre en dyse med en liten ID, er et glass kapillær vanlig, fordi munnstykket med målet ID kan lett gjort via en kommersielt tilgjengelig termisk avtrekker. På en annen hand, NFES trenger en dyse-ID som er større enn 50 µm, skrive ut høy viskositet (større enn 1000 cP) blekk. Vanligvis brukes en dyse med ID 100 µm vanligvis for utskrift, fine-mønster med en mønster bredde på mindre enn 5 µm. Her kan en kommersielt tilgjengelig sprøyte nål brukes til dette formålet.

I både DOD EHD jet og NFES spyling, bør blekk viskositet vurderes til velger du munnstykket ID. Også bør hvor mye press (eller flyt) i fluidic systemet fastsettes basert på munnstykket ID og blekk viskositeten. Figur 11 viser forholdet mellom tre viktige faktorer: blekk viskositet, munnstykket størrelse, og luften trykk (eller flyt). Som vist i Figur 11, bør både høytrykk og en dyse med en stor ID brukes ved høy-flytende blekk, mens lave lufttrykket og et munnstykke med en mindre ID skal brukes for spyling lav-flytende blekk.

Figur 11: munnstykke utvalg retningslinjen forhold til viskositet og press. Dette tallet forklarer forholdet mellom munnstykke ID, viskositet og pneumatisk trykk. For eksempel hvis en svært tyktflytende blekk brukes, en større munnstykke og/eller høyere lufttrykk er nødvendig, eller omvendt. Tilsvarende menisk kontroll, er høyere lufttrykk nødvendig når du bruker en dyse med mindre ID eller omvendt. Likevel høy lufttrykket kan ikke overføre håndskriften riktig til munnstykke spissen hvis munnstykke ID er svært liten eller viskositeten er for høy fordi luften kan enkelt komprimeres. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Under utskrifter kan av munnstykket være wetted av blekk strømmer fra munnstykket spissen. I nærvær av betydelig wetting, kan riktig spyling kontroll være vanskelig. Mulig årsak til wetting kan enten være fra feil blekk egenskaper, for eksempel overflatespenning, eller en upassende innfatning av parametre som DC spenning og press/flow rate. Hvis fukting på munnstykket vedvarer, kan det være nødvendig munnstykke overflatebehandling slik at munnstykket overflaten kan ha hydrofobe egenskaper med hensyn til blekk.

DOD utskrift to typer spenning kilder er nødvendig^7,11: en DC bakgrunn spenning å opprettholde standby menisk figuren, og en puls spenning å generere DOD spyling. NFES bruker imidlertid bare DC spenning til å skrive ut kontinuerlig mikro-linjemønstre med svært tyktflytende blekk (mer enn 1000 cP). Høy DC spenning fra 1 kV 2 kV ble brukt metall koblingen settes inn mellom munnstykket og røret. Hvis du vil skrive ut en rett linje, vi brukte den korte stand-off avstanden 1 ~ 3 mm, og det er derfor metoden kalles "nær-feltet" electrospinning (NFES), som har forskjellige funksjoner i forhold til den konvensjonelle langt-felt electrospinning^12,13 .

I denne protokollen, en barometer substrate ble brukt for eksperimenter, men ulike typer underlaget kan brukes i henhold til programmene. Det bør imidlertid bemerkes at underlag som har en høy isolasjon eiendom [for eksempel polyetylen terephthalate (PET) film] trenger forbehandling, som en kjemisk belegg, fjerne de elektriske statisk elektrisitet som kan akkumuleres på overflaten.

For å bruke en EHD jet for ulike applikasjoner, summeres utskrift og forberedelse retningslinjene i tabell 1.

	DOD EHD jet utskrift	I feltet electrospinning (kontinuerlig utskrift)
Blekk krav	Viskositet rekkevidde: 1 ~ 100 cP.	Viskositet: 100 cP ~ 10 000 cP.
	Overflatespenning: 20-40 mN/m.	Kokepunkt: mindre enn 100 ° C.
	Kokepunkt løsemiddel: mer enn 150 ° C.
Fluidic system	Fluid høyde (hydrostatisk kraft): munnstykke med diameter på mer enn 50µm.	Sprøytepumpe med konstant gjennomstrømning.
	Lufttrykk: munnstykke med indre diameter mindre enn 10 µm.
Munnstykke indre diameter krav	Ikke mer enn 10 µm anbefales for stabil spyling.	Mer enn 100 µm kan brukes for tynne mønstre med bredde mindre enn 5µm.
	Generelt: indre diameter med 5 µm kan skrive ut om prikker med størrelsen på 5µm.
Spenningen kravet	DC bakgrunn spenning: mindre enn 600 V	DC spenning: mindre enn 2 kV.
	Puls inngangsspenningen spyling: et par hundre volt.
Utskriftshastigheten	Lav, mindre enn 10 mm/s.	Raskere enn 300 mm/s.
Programvare krav	Raster utskrift (i punktgrafikkformat).	Enkelt rutenett mønstre.
	Vektorutskrift (CAD-basert informasjon).	Mønstre på-av krav er umulig på grunn av kontinuerlig spyling.

Tabell 1: Sammendrag av forberedelse og utskrift retningslinjer for DOD og kontinuerlig EHD jet. Tabellen oppsummerer de krav og anbefalinger for fine mønstre bruke 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