Summary
Здесь мы представляем протокол производить разрешением проводящих шаблоны, с помощью Электрогидродинамическое (ЭГД) Джет печать. Протокол включает в себя два режима печати ЭГД струи: непрерывное electrospinning ближнего поля (НФПП) и точка-печать на основе использования падение по требованию (DOD) ЭГД.
Abstract
Электрогидродинамическое (ЭГД) Джет печать обратил внимание в различных областях потому, что он может использоваться как инструмент с высоким разрешением и лоу кост прямой кучность. ЭГД печати использует аэрогидродинамических поставщиком для поддержания экструдированные мениска, нажав чернила из кончик насадки. Электрическое поле затем используется для тянуть мениска вплоть до подложки для производства с высоким разрешением модели. Два режима печати ЭГД были использованы для тонкой патронирования: непрерывное electrospinning ближнего поля (НФПП) и точка падение по требованию (DOD) ЭГД печать. По словам режимы печати будет отличаться требования к печати оборудования и чернила вязкость. Даже несмотря на то, что два различных режима может быть реализована на одном принтере ЭГД, методы реализации значительно различаются с точки зрения чернил, оптимизированных системы и вождения напряжения. Следовательно без надлежащего понимания кумулятивного требования и ограничения, трудно получить желаемые результаты. Цель данного документа – представить ориентиром так что неопытных исследователи могут уменьшить проб и ошибок попытки использовать ЭГД jet для их конкретных исследований и целей развития. Чтобы продемонстрировать реализацию штраф кучность, мы используем Ag наночастицы чернил для проводящих патронирования в протоколе. Кроме того мы также представляем обобщенных печати руководящие принципы, которые могут использоваться для других видов чернил для различных приложений, штраф кучность.
Introduction
ЭГД Джет печать широко используется в различных областях, таких, как Печатная электроника, биотехнология и передовых материалов приложений, потому что он способен с высоким разрешением и лоу кост прямого кучность1. Ширину печатной линии или размер печатной точка может быть сокращено до 1 мкм, которая значительно меньше, чем у обычных пьезо основе струйной печати1.
В печати ЭГД, небольшая часть чернил (или мениска) вытеснены кончик насадки и поддерживается контроля потока скорость1,2,3,,45 или положительное давление воздуха1 6, ,7. Экструдированные мениска начисляется и может легко быть снесены от носка сопла к подложке путем электрического поля, как показано на рисунке 1. Конические мениска формируется в струйное, производит поток чернил, гораздо тоньше, чем размер сопла.
Рисунок 1: печать ЭГД. На рисунке показан принцип ЭГД струйных печати. Чернил выталкивается через давление и вытащил через электрическое поле в форме прессованных мениска от сопла. Затем заряженных чернила можно легко летают в субстрат через DC или импульсного напряжения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Несмотря на то, что на одном принтере ЭГД может использоваться для двух различных режимах, рядом с полем electrospinning (НФПП) и падение по требованию (DOD) ЭГД Джет печать, методы реализации значительно различаются с точки зрения чернил, оптимизированных системы и вождения напряжения1 , 2 , 3. Например, НФПП4,5 использует относительно высоковязких чернила [более чем 1000 СП (cP)] сформировать непрерывный микро линии моделей с высокоскоростной печати до 1 м/сек. С другой стороны DOD EHD струйных печати6,,78 использует-низковязкое чернил с вязкостью около 10 cP для печати на основе точка сложные шаблоны с низкой печати скорость меньше чем 10 мм/сек.
Поскольку требование для каждого режима значительно отличается, она может быть сложной задачей для неопытных исследователей для достижения желаемых результатов. Эмпирических «ноу-хау» может быть важно на практике. Чтобы помочь исследователям получить используется для методов печати, мы представляем ЭГД печать протоколов для тонкой проводящих патронирования, с использованием Ag наночастицы чернил. Однако мы добавили комментарии к протоколам, так что они не ограничены для проводящих патронирования, с использованием Ag наночастицы чернил. Наконец печати и подготовка руководства представлены в разделе обсуждения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Для целей здравоохранения и безопасности, перед использованием любой чернил и моющий раствор обратитесь к спецификации безопасности материала (MSDS).
1. падение по требованию Электрогидродинамическое струйной печати с использованием серебряные наночастицы чернил
- Заполните отфильтрованных наночастиц серебра (ССПС) чернила в чернилами водохранилище ЭГД системы печати.
Примечание: Коммерчески доступных ССПС чернил может использоваться для струйных цели. Чернила должны иметь вязкость около 10 cP и поверхностное натяжение 20 ~ 40 МН/м для получения струйная капли по запросу. - Сделайте насадку для DOD ЭГД печати с помощью тепловой съемник.
- Место стеклянный капилляр [внутренний диаметр (ID) 1 мм] в тепловой провокатор.
- Установите параметры тепловых съемник; например температура нагрева в диапазоне 580-590 ° C и потянув скорость около 18 мм/сек.
Примечание: Параметры для тепловой провокатор должен отличаться идентификатор целевого сопла и условий окружающей среды. - Эксплуатация тепловых съемник с заданными параметрами для применения тепла в центре капилляра и тянуть на обоих его концы, чтобы сопло с идентификатором 5 мкм.
Примечание: Определите размер сопла ID на основе целевого размера точка на подложке. Для справки сопло ID 5 мкм могут печатать 5 мкм размера точек. - Отрегулируйте длину сопла стекла, резка стекла сопла через стеклорез.
- Сборка сопла форсунки и разъем, которые связаны с чернилами водохранилище через НКТ политетрафторэтилена (ПТФЭ).
- Давление воздуха на поставку чернил к кончику сопла.
- Включите контроллер давления воздуха и давление воздуха 15 ~ 20 кПа в чернила резервуар для снабжения чернил к кончику сопла. Контролировать поток чернил через сопло прозрачного стекла и труб для обеспечения, что воздух не перехватывается внутри трубки и насадки при поставке чернила. Держите применения давление воздуха в чернила резервуар, пока чернил появляется на кончик насадки.
Примечание: Не снижают давление прежде, чем чернила появляется на кончик насадки, потому что это может вызвать воздушный пузырь захвата на кончик насадки. - Снижение давления до примерно 12 кПа для поддержания экструдированные мениска без каких-либо чернила капель от носка сопла.
Примечание: Давление воздуха зависит от Сопло размер и чернила вязкость. Не увеличивайте давление воздуха до более чем 30 кПа, чтобы избежать излишнего воздуха сжатие, которое является нежелательным для поддержания мениска в стабильном состоянии.
- Включите контроллер давления воздуха и давление воздуха 15 ~ 20 кПа в чернила резервуар для снабжения чернил к кончику сопла. Контролировать поток чернил через сопло прозрачного стекла и труб для обеспечения, что воздух не перехватывается внутри трубки и насадки при поставке чернила. Держите применения давление воздуха в чернила резервуар, пока чернил появляется на кончик насадки.
- Исправьте собрал сопла головы в системы печати.
- Место стеклянной подложке на вакуумные патрон держателя субстрата и включите вакуумный насос для хранения субстрата.
- Перемещение по оси z этап отрегулировать расстояние противостояния (H) — разрыв между кончик насадки и позицией субстрат — для примерно 100 мкм. Используйте изображение сбоку, приобретена наблюдения камеры оценить расстояние противостояния с помощью расстояние от наконечник сопла свое отражение, как показано на рисунке 2.
Примечание: Меньшее расстояние противостояние приводит к выше электрическое поле, которое может облегчить печать с нижней постоянного и импульсного напряжения для струйного. Однако меньше расстояние противостояния может привести к более крупных капель. Таким образом величина напряжения следует сократить соответственно для получения желаемой точки размера. В целом для получения небольших печатных точек с менее опрыскивание рекомендуется использовать меньшее напряжение. Однако тщательно операция является обязательным, если расстояние противостояния становится менее 50 мкм, благодаря выше вероятность поломки сопла столкновения с подложкой. Принимая во внимание взаимосвязь компромисс между смывающий способность и надежность мы рекомендуем использовать недосягаемой дистанции 100 мкм.
Рисунок 2: Stand-off регулировка расстояния с помощью боковой вид камеры изображения. Сопло изображение с камеры сбоку может использоваться для оценки расстояния противостояния. Противостояние расстояния (H) от носка сопла к подложке может быть легко оценена как половину расстояния от носка сопла в его тени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Применить DC и импульсных напряжений
Примечание: DC и импульсного напряжения может быть управляемой через печати программное обеспечение.- Постепенно увеличьте напряжение тока DC до капли чернил из кончик насадки.
Примечание: Не применить выходное напряжение одновременно. Добавочное напряжение должно быть меньше 100 V одновременно. В целом действуют не от более чем 600 V напряжения постоянного тока. - Напряжение тока DC несколько сократить с самого начала напряжение тока DC до тех пор, пока не наблюдается никаких дальнейших чернил, капает из сопла.
Примечание: После регулировки пневматического давления и напряжения постоянного тока, мениска должна быть в соответствующей форме для струйного как показано в Дополнительных S1 рисунок. - Установите отрицательных импульсов напряжения с параметрами tподъем = 0 ~ 100 МКС, tостанавливаться = 300 МКС и tпадение = 0 МКС7 (рис. 3) в меню программы.
- Примените отрицательных импульсов напряжения на держателе субстрата. Затем скорректировать масштабы импульсного напряжения, Vпульс, производить одной капли за один импульс напряжения.
Примечание: Масштабы отрицательных импульсов напряжения, Vпульс, должна быть ниже, чем 600 V. - Настройка фона и импульсного тока для получения целевого размера капли на подложке соблюдая летают точек на подложке в стороне изображение камеры.
Примечание: Для производства небольших точек с менее распыления на подложке, масштабы импульсного напряжения, Vпульс, должна быть как можно более низкой.
- Постепенно увеличьте напряжение тока DC до капли чернил из кончик насадки.
Рисунок 3: импульса напряжения для DOD EHD струйная. Производить DOD EHD струйная7рекомендуется использовать трапециевидной формы сигнала напряжения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
-
Печать шаблонов
Примечание: Две различные виды шаблонов может использоваться для печати DOD EHD: растровые изображения и (CAD)-на основе векторной информации. Растровое изображение широко используется в DOD-основе струйной печати. Однако в случае приложения печатной электроники, CAD-векторной информации имеет преимущества над DOD-основе струйной печати, потому что он эффективен в печать на основе использования линии, с помощью одной голове ЭГД. В то же время векторная информация может быть преобразован в растровое изображение для печати растровых изображений.-
Печать растровых изображений
- Загрузить растровое изображение на вкладке Печать печать программного обеспечения и преобразовать его в двоичное изображение.
- Установите параметры для печати бинарных изображений. Например установите интервал падение (т.е., расстояние между 2 последовательных пикселов) на 10 мкм.
Примечание: Растровое изображение не имеет каких-либо физических размеров. Физические размеры печатного изображения будут связаны с падения интервал. Например изображение становится больше, если используется больше падения интервал. В обычных струйной печати, точек на дюйм (DPI) часто используются для этой цели. Следует, однако, отметить, что меньше ДОИ означает большие падения интервал. Для того, чтобы определить интервал падение, следует рассмотреть размер печатной точка. В целом падение интервал для DOD ЭГД печати значительно меньше, чем у обычных струйной печати. - Выполнить печать с помощью выбранного растрового изображения на целевое расположение в субстрате.
-
Печать векторной графики, основанные на информации CAD
- Загрузите сведения о CAD для печати.
Примечание: Формат файла DXF, который является текстовые данные CAD, может использоваться для печати информации. - Установите параметры для печать векторной графики; например установите интервал падение на 3 мкм и смывающий частота 10 Гц.
Примечание: Чтобы распечатать шаблоны соединительной линии, падения интервал следует выбирать, чтобы профильной что капли слегка перекрывать. Однако слишком много дублирования может привести к большей ширину линии. Для любых практических линии печати рекомендуется перекрытие около 30%. В отношении векторная печать, скорость движения (v) следующее уравнение.
v = f d ×
Здесь,
d = падения интервал, и
f = частота смывающий. - Печать загруженной узоры на подложке, с использованием заранее параметров печати, например падения интервал, скорость печати, напряжения и т.д.
Примечание: После печати, процесс спекания может потребоваться для получения желаемого проводимость напечатанные картины, которая выходит за рамки настоящего документа.
- Загрузите сведения о CAD для печати.
-
Печать растровых изображений
2. Тонкая проводящих линия структурирования использованием Electrospinning ближнего поля
- Сделайте electrospinning ближнего поля (НФПП) чернил для печати проводящие линию.
- Смесь этанола и деионизированную воду (ди) с коэффициентом объем 3 (этанол) до 1 (DI воды) подготовить растворитель 1. Например смесь 9 мл этанола и 3 мл ди воды, чтобы сделать 12 мл растворителя 1.
- Смесь 0,3 г, поли (этиленоксид) (ПЭО,wt M= 400 000) и 9,7 г подготовленной растворителя 1, чтобы сделать раствор полимера с 3 wt % ПЭО, помешивая, используя магнитную мешалку для более 6 ч при комнатной температуре (25 ° C).
- Mix Ag nano вставить чернил, которая имеет вязкость около 11000 cP и раствор подготовленный полимера, с соотношением веса 5 (Ag nano пастой чернил) до 1 (раствор полимера), используя вихревой смеситель для 10 мин для получения чернила для НФПП. Например 10 г, Ag нано вставить чернила и 2 g раствора полимера могут быть смешанными получить НФПП чернил.
Примечание: В настоящем Протоколе, соотношение смешивания материалов, как правило, важнее, чем определенное количество материалов. Коммерчески доступные Ag nano вставить чернила для печати экрана, которые имеет твердое содержание Ag около 85,5 wt %, могут быть использованы для этой цели. Обратите внимание, что выбор растворителя и полимера может различаться в зависимости от состав чернил, которая используется.
- Заполните подготовленные НФПП чернил в шприц.
- Соедините шприц с сопла через соединительную трубу.
Примечание: Коммерчески доступных шприц иглой с идентификатором 100 мкм может использоваться для сопла. - Поставляем чернила в сопло вручную нажатием шприц.
- Установите шприц в шприц мотор, который прилагается к системе печати.
- Место субстрата на вакуумные Чак и включите вакуумный насос для хранения субстрата во время печати.
- Управление позиции Z (этап) отрегулировать расстояние противостояния.
Примечание: Рекомендуется противостояние расстояние должно быть около 2 мм, который значительно меньше противостояние расстояние по сравнению с используемой с обычными electrospinning. -
Отрегулировать скорость потока
- Управлять шприцевый насос для заполнения НФПП чернил в Ассамблее сопла и генерировать поток чернил с скоростью первоначального потока 50 мкл/мин, который выше, чем скорость целевого потока.
- Установите целевой скорости потока 1 мкл/мин, когда чернила течет из кончик насадки.
Примечание: Меньше скорость потока может привести к меньшей ширины шаблона. Однако это может вызвать обрыв линии. Когда определяется скорость потока целевой следует рассмотреть компромисс между продолжением линии и ширина линии.
-
Применить напряжения
- Подключите источник напряжения постоянного тока к разъему сопла и подключить напряжение земли к держателю субстрата.
- Увеличение напряжения постоянного тока постепенно до 1,5 кв.
Примечание: Так как расстояние противостояния в диапазоне от нескольких миллиметров, напряжение постоянного тока может быть увеличена до 2 кв, который выше, чем, что из DOD EHD Джет печать. Однако напряжение выше, чем 2 кв следует избегать, поскольку это может повредить функционального материала, особенно Ag вставить чернила, добавляется раствор полимера. В общем меньшее напряжение DC рекомендуется при тонкой печатной линии не требуется. Однако печатных строк может быть легко отключен при использовании низкого напряжения, потому что тяговое усилие для непрерывной подачи чернил печать связана с напряжением постоянного тока. Принимая во внимание компромиссов, мы рекомендуем использовать напряжения постоянного тока в диапазоне от 1 кв до 2 кв.
- Начала простоя печати со скоростью печати 300 мм/с для более чем 10 мин для получения устойчивого состояния потока. Настройка параметров печати, таких как DC напряжения и потока скорость во время простоя печати для получения желаемых результатов печати.
Примечание: Для получения устойчивого состояния потока, потому что вязкой чернила могут быть сжаты в длительных трубы во время доставки чернил к кончику сопла требуется простоя печать более 10 мин. Без простоя печати, ширина печатной линии может измениться со временем. Простоя скорость печати таким образом, следует так же, как фактическая скорость печати так что смывающий параметров может быть скорректирована в ходе печати. Таким образом напряжение тока DC корректируется во время простоя печати для получения ширины линии целевого объекта. Обратите внимание, что скорость потока и напряжения постоянного тока должен быть сбалансированным, так что количество чернил, толкнул шприцевый насос может быть равное количество чернил, потянул вниз от электрического поля. - Выберите шаблон печати, например непрерывной линии и сетки модели.
Примечание: Поскольку производства волокна могут быть легко отклоняются и случайно переводиться из-за силы отталкивания заряда, порожденных печатной линии, скорость печати должно быть больше, чем 300 мм/с для выравнивания узор с печати направлениях и Расстояние между печатных строк рекомендуется быть более чем 100 мкм, чтобы распечатать шаблоны Опояшь или линии. - Напечатать выбранный шаблон на подложке, с использованием предварительно определенных параметров печати.
Примечание: Процесс спекания может потребоваться для получения целевой функции напечатанные картины, которая выходит за рамки настоящего документа.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Печать на основе использования Dot падение по требованию:
DOD печать основана на одной капли, выброс одной смывающий триггера. Производить выброс, DOD-низковязкое чернил с вязкостью приблизительно 10 должны использоваться cP. Требование чернил для печати ЭГД DOD похож на обычных струйных DOD, как метод печати ЭГД, обычных струйных DOD. В случае обычных струйной печати, растровой печати техника широко используется, потому что он подходит для печати изображений растрового изображения с помощью нескольких сопла головы. Однако в случае ЭГД Джет печать, существует ограничение на осуществление нескольких сопла головы из-за электрического кросс разговоры среди сопла. Таким образом печать векторной графики с помощью одной насадки обычно используется для печати на базе CAD линии. Тем не менее растровых или векторных режим печати должно быть выбираемых из печати программное обеспечение для печати различных типов кучность. Обратите внимание, что алгоритм и осуществление могут отличаться по словам режимы печати. В векторных, одновременного движения x, y направления используются для печати линий, в то время как в растровой печати, одной оси используется для печати точки в основное направление и затем перейти к следующей полосы в направлении суб. Представитель результаты печати с помощью растровых и векторных печати показаны на рисунке 4.
Рисунок 4: типичные результаты печати с использованием DOD EHD струйная. () Эта группа показывает растровую печать (печать растровых). (b) Эта группа показывает печать векторной графики, основанные на информации CAD. На основе точка ЭГД Джет печать может использоваться для печати растровых изображений (растровой печати) и на базе CAD линии (векторная печать). Здесь тока 250 V и напряжение импульса -250 V были использованы для печати обеих моделей. В панели падения интервал был установлен до 10 мкм для отдельных точек. В группе bшаблон был напечатан с помощью частоты 10 Гц и падения интервал 3 мкм, так что точки соединены в виде линий.
Рядом с полем electrospinning:
НФПП использует высоковязких краски в более чем 1000 cP печать шаблоны непрерывно. Таким образом он не может печатать растровых изображений, ни CAD информации с печати и пробельных мест. В результате вместо сложных шаблонов, НФПП подходит для печати прямые линии, используя высокую скорость печати. Сетки модели обычно используются как показано на рисунке 5.
Рисунок 5: типичный печати результат НФПП. () Эта группа показывает типичный сетка для печати electrospinning. (b) Эта группа показывает влияние скорости печати на печать результат. НФПП требуется высокая скорость печати для двух целей: чтобы уменьшить ширину шаблона и выровнять печати шаблоны в отношении направление печати. Так как смывающий поведение непредсказуемо в регионе медленной печати, быстрой печати региона должны использоваться, за исключением частей не прямой линия.
Чтобы напечатать непрерывной модели с использованием НФПП, скорость печати должно быть быстрее, чем 300 мм/с для выравнивания печатных шаблонов с направление печати. Быстрая скорость печати также помогает добиться тонкой шаблон шириной11. Сокращение соотношение ширины шаблон связи ID сопла может быть более чем 20 x, в зависимости от условий печати. Например сопла ID 100 мкм могут производить шаблон ширину менее 5 мкм. Таким образом НФПП является весьма эффективным методом для достижения очень тонкой моделей с использованием вязких чернил. Однако шаблон прямолинейности и ширина подлежат легко скорости печати. Обратите внимание, что есть неизбежное ускорение и замедление регионов, где скорость печати может стать очень низкий (или ноль) чтобы изменить направление печати. В этих регионах напечатанные картины может стать неоднородной и отношении направление движения неприсоединения. Поэтому мы рекомендуем использование печатных шаблонов вблизи высокоскоростной региона только. Напечатанные картины вблизи ускорение и замедление регионов (печати низкая скорость регионов) должен быть уничтожен, как показано на рисунке 5А. В некоторых случаях низкая скорость смывающий может использоваться для создания шаблона волны. С помощью низкой скорости печати меньше чем 100 мм/сек, шаблоны может стать волнистой линией, как показано на рисунке 6. Волнистый узор может быть полезно в приложениях, растягивающийся электроники. Однако из-за низкой скорости печати до более чем 10 мкм может увеличить ширину линии.
Рисунок 6: пример волнистые узоры с помощью низкой скорости печати. Низкая скорость печати (около 100 мм/сек) может производить волнистые линии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
В некоторых приложениях печати необходимы чрезвычайно мелкие узоры с шириной менее 1 мкм. Для достижения такой прекрасный шаблон, так же быстро, как можно считать 1 m/s скорость печати. Однако чрезмерно высокая скорость печати может привести к отключенным (или сломанной) линии. Таким образом различных условий печати, таких как скорость потока, ширина линии, скорость печати и растяжимость полимера должны быть оптимизированы для печати тонкой структуры без каких-либо линии обрыва. Например, Рисунок 7 показывает поток скорость воздействия на результаты печати при скорости печати и напряжение тока DC 300 мм/s и 1200 V, соответственно.
Рисунок 7: картина ширина согласно скорость потока. Скорость потока связано с шаблон ширины. С более низким уровнем потока можно получить тонкие шаблон. Например если скорость потока с 50 мкл/мин, linewidth бы большим с 34 мкм. Когда скорость потока уменьшается в 1 мкл/мин и 0.1 мкл/мин, тонкие узоры с шириной 8 мкм и 1 мкм, соответственно, могут быть получены. Обратите внимание, что, если скорость потока слишком мал, шаблон линии может быть сломанной и отключен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок S1: форму мениска ожидания согласно условий печати. Надлежащей мениска формы следует сохранить на протяжении всего процесса печати с помощью давления воздуха и напряжение тока DC фон для получения стабильной DOD выброс. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Рисунок S2: схема печати electrospinning. Показаны компоненты для печати electrospinning. Обратите внимание, что высокое напряжение тока DC был применен к форсунки для питания электрических зарядов для чернил и производят электрическое поле, которое тянет чернила на подложку. В случае НФПП, противостояние расстояние от кончика сопла к подложке должно быть 1 ~ 3 мм для прямой печати печати направлении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом протоколе, мы ориентируемся на печать изысканные узоры с использованием чернил ССПС с двумя режимами: DOD ЭГД печати и НФПП. Однако ЭГД Джет печать приложения не ограничивается проводящие чернила, используя ССПС. Здесь мы будем обсуждать общие руководящие принципы для отбора чернил, конфигурации системы и других параметров печати необходимо использовать jet ЭГД печати для различных приложений, штраф шаблон.
Первым и наиболее важным шагом для печати EHD-чернила отбора и подготовки. Чернила, используемые в обычных струйной печати может использоваться в DOD ЭГД печати. Вязкости краски для DOD струйной печати находится в диапазоне от 1 ~ 50 cP (обычно 10 cP)14. Следует, однако, отметить, что метод пневматического управления для печати DOD ЭГД отличается от обычных струйных DOD. Обычных струйных принтеров используют отрицательное давление для поддержания мениска расположение внутри поверхность сопла, чтобы предотвратить любые чернила капель и форсунки смачивания. С другой стороны печать ЭГД DOD использует положительным давлением, которые могут подтолкнуть чернила в форме прессованных мениска. Обратите внимание, что если чернила вязкость становится более чем 100 cP, мениска трудно контролировать, потому что воздух, затем легко могут быть сжаты вместо чернил толчок к кончику сопла. Диапазон вязкости для струйного могут зависеть от идентификатора сопла Если меньше сопла, которое используется идентификатор, вязкость следует сократить соответственно для того чтобы поставить чернила к кончику сопла без слишком много сжатия воздуха.
Поверхностное натяжение чернила также имеет важное значение для надлежащего выброс. Поверхностное натяжение краски должно быть в диапазоне от 20-40 МН/м. Если поверхностное натяжение менее 20 МН/м, распыления эффекты будут доминировать. Если поверхностное натяжение более чем 40 МН/м, он будет трудно сформировать конические мениска, которая необходима для надлежащего ЭГД струйная.
Рисунок 8: эффекты поверхностное натяжение ЭГД струйная. Рекомендуется поверхностное натяжение для краски находится в диапазоне от 20-40 МН/м. Если поверхностное натяжение становится низким, распыления воздействия на субстрат будет доминировать. С другой стороны если поверхностное натяжение слишком высока, надлежащего ЭГД струйная маловероятно, потому что конические мениска трудно достичь. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Если поверхностное натяжение чернил имеет более чем 40 МН/м, небольшое количество ПАВ могут добавляться в чернила для уменьшения поверхностного натяжения. Однако использование чрезмерной сурфактанта может вызвать распыление краски на подложке. Обратите внимание, что взимается чернил с некоторых полярности может производить отталкивающей силы во время полета струи, что приводит к распыления на подложке. Для уменьшения разбрызгивания последствий, могут рассматриваться сокращение вождения напряжений или расстояние противостояния.
Еще один важный параметр для надежного выброс является точкой кипения. Поскольку идентификатор сопла очень мала в случае самолета ЭГД, экструдированные мениска, благодаря положительным давлением, легко может быть высушено и засорить сопла. Чтобы уменьшить любые краски, сушка на кончик насадки, основной растворитель должен быть выбран с тем, что его точка кипения выше 150 ° C. Чтобы предотвратить любое засорение вследствие агрегации частиц, рассмотрим фильтрации чернила с фильтрами с поры один размер меньше, чем идентификатор сопла Кроме того частицы в чернила должны быть по крайней мере 10 x меньше, чем идентификатор сопла В общем чернила, которые подходят для обычных пьезо струйный также может использоваться для DOD ЭГД печати.
НФПП чернила обладает большей вязкостью по сравнению с DOD EHD струйные чернила. Вязкость должна быть в диапазоне от нескольких тысяч cP. Для непрерывной печати, раствор полимера смешивается с функциональной чернил. Применение НФПП недавно был продлен от волокна производства15,16 к различным приложениям, смешивая функциональных материалов с раствор полимера17. Для растворов полимеров ПЭО и PVP (поливинилпирролидона), и т.д.4,5,,1718,19, которые имеют высокий молекулярный вес, часто используются. Основная проблема с НФПП заключается в сохранении постоянной возможности печати, с использованием полимера, в то время как чернила сохраняет функциональность материала, например проводимости. Таким образом коэффициент перемешивания раствора полимера в отношении функциональных материалов должны быть выбраны тщательно. Кроме того в отличие от DOD, растворителя с нижняя точка кипения (менее 100 ° C) обычно используются для сделать раствор полимера.
Хотя обычные струйные чернила могут быть использованы в DOD EHD печати, методы контроля давления для ЭГД печати отличаются от обычных струйных. ЭГД печати использует положительное давление для поддержания экструдированные мениска от сопла, в то время как обычных струйных использует отрицательное давление. Для управления положительным давлением, методы контроля двух видов давления — гидростатическое давление и давление воздуха — могут использоваться, в зависимости от ID вязкость и сопло чернила, как показано на рисунке 9. Для небольших сопла давление воздуха, вместо того, чтобы гидростатического давления должны использоваться для подтолкнуть чернила к кончику сопла. Однако надлежащего контроля давления воздуха может быть трудно, при использовании высокой вязкости краски или сопла с идентификатором менее 2 мкм, поскольку можно легко сжатого воздуха. С другой стороны если размер сопла более чем 50 мкм, небольшое изменение давления воздуха может повлиять на расположение мениска. Если чернила вязкость низкая и сопла является более чем 50 мкм, гидростатическое давление с использованием оптимизированных высота следует использовать для сохранения положения последовательно мениска.
Рисунок 9: давление управления для DOD струйная. Положительное давление необходимо поддерживать экструдированные мениска в резерве. Давление для мениска можно управлять путем гидростатического давления (с использованием разница высот между чернилами водохранилище и кончик насадки) или сжатый воздух из воздушного компрессора. Выбор методов управления должны отличаться Сопло размер и чернила вязкость. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
В случае НЭФ шприцевый насос может использоваться кормить чернила в сопло, поскольку высоковязких чернила не может быть толкнул давления воздуха. Обратите внимание, что чернила могут быть под давлением и сжаты, когда она предоставляется на постоянной скорости расхода через шприцевой насос. Кроме того может потребоваться значительное время для сжатых чернил для достижения устойчивого состояния потока на кончик насадки. Чтобы свести к минимуму последствия чернила сжатие на печать, соединительную трубу вставляется между шприц и наконечник сопла должны быть как можно более коротким. Кроме того капиллярная трубка должно быть трудно свести к минимуму последствия расширения, вызванных давление вязкой краски. Чтобы свести к минимуму воздействие сжатия чернила, шприц следует придавать полиграфического оборудования (стадий) для уменьшения длины трубки, соединяющей шприц в сопло. Для этой цели мы использовали шприцевый насос, из которых винтовой мотор может быть отделена от контроллера, как показано на рисунке 10.
Рисунок 10: аэрогидродинамических система electrospinning. Аэрогидродинамических система для electrospinning состоит из двух частей: система насоса шприца и шприц сопло Ассамблеи. Шприц насоса система включает в себя контроллер скорость потока и двигатель, винт. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Одним из важных параметров для определения ширины размера или узор точка является идентификатор сопла В отличие от обычных струйных головы ЭГД голова не требует каких-либо приводы или сложные жидкости каналы. Он требует только сопла например иглой шприца или стеклянные капиллярные сопла, который подключен к источнику высокого напряжения. Здесь правильный размер сопла, выбранный идентификатор основанные на чернила вязкость, а также ширину шаблона. Например, в случае DOD печать, используя вязкость меньше, чем 100 cP, сопло ID должно быть меньше 50 мкм. Для получения стабильной и последовательной печати, экструдированные мениска на резервный статус должен оставаться в том же месте. Однако, когда сопло с больше чем 50 мкм ID используется, незначительные вариации давления воздуха, вождение напряжения, и противостояние расстояние легко может повлиять на расположение мениска-низковязкое чернил. Обратите внимание, что расположение мениска связано с смывающий сумма: Нижняя место обычно производит больше капель. Следовательно при использовании сопло с большой ID, это очень трудно получить единообразие точка на протяжении всего процесса печати DOD. Таким образом сопла, которые ID должно быть меньше 10 мкм для обеспечения печати точка размер единообразия. Использование насадки с меньшего ID имеет преимущество печати мелких точек. Например идентификатор сопла с 3 мкм могут печатать точек, как малые, как 3 мкм, и размер точки могут быть дополнительно уменьшены с помощью сопла с идентификатором меньше. Чтобы сделать насадку с небольшой ID, обычно используется стеклянный капилляр, потому что сопло с целевым идентификатором может быть легко через коммерчески доступных тепловой съемник. С другой стороны, НФПП требует сопла ID, это больше, чем 50 мкм, чтобы распечатать высоковязкие (больше чем 1000 cP) чернила. Обычно сопло с идентификатором 100 мкм обычно используется для печати штраф шаблон шаблон шириной менее 5 мкм. Здесь коммерчески доступных шприц игла может использоваться для этой цели.
В обоих DOD EHD струи и выброс НФПП чернила вязкость следует рассматривать для выбора идентификатора сопла Кроме того количество давления (или потока) в системе аэрогидродинамических должна определяться на основании сопла ID и чернила вязкость. На рисунке 11 показаны отношения между тремя важными факторами: чернила вязкость, Сопло размер и воздушного давления (или скорость потока). Как показано на рисунке 11, высокого давления и сопло с большой ID должен использоваться при использовании высоковязких чернил, тогда как низким давлением воздуха и сопло с меньшего ID должны использоваться для струйного-низковязкое чернил.
Рисунок 11: выбор руководящего сопла вязкости и давления. Эта цифра объясняет взаимосвязь между ID сопла, вязкость и пневматического давления. Например, если используется высоковязких чернил, необходимы больше сопла и/или более высокого давления воздуха, или наоборот. Аналогичным образом для управления мениска, высокое давление воздуха необходима при использовании насадки с меньшего ID, или наоборот. Тем не менее высокое давление воздуха не может толкать чернила должным образом кончик насадки если идентификатор сопла очень мал или вязкость слишком высока, потому что легко быть сжатый воздух. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Во время печати, внешняя часть сопла может смоченных чернила потоков от носка сопла. При наличии значительного увлажнения, надлежащего смывающий контроля может быть затруднено. Возможная причина смачивания может либо быть неправильным чернила свойств, таких как поверхностное натяжение, или неправильной настройки параметров, таких как DC напряжения и давления/потока скорость. Если сохраняется увлажнение на насадку, обработка поверхности сопла может потребоваться таким образом, чтобы поверхность сопла может иметь гидрофобные характеристики отношении чернил.
Для печати DOD, два различных видов источников напряжения являются требуется7,11: DC фон для поддержания формы ожидания мениска и импульса напряжения для создания DOD выброс. Однако, НФПП использует только DC напряжения для печати непрерывной микро линии моделей с использованием очень вязкие чернил (более чем 1000 cP). Высокое напряжение постоянного тока от 1 кв до 2 кв был применен к металлическому разъему, вставлены между насадкой и трубки. Чтобы напечатать прямую линию, мы использовали короткое расстояние противостояния 1 ~ 3 мм и именно поэтому метод называется «ближнего поля» electrospinning (НФПП), который имеет различные функции, по сравнению с обычными дальнего поля electrospinning12,13 .
В этом протоколе стеклянной подложке использовался для экспериментов, но согласно приложения могут использоваться различные типы субстрата. Следует, однако, отметить, что подложках, которые имеют высокие изоляционные свойства [например, пленки полиэтилентерефталата (ПЭТФ)] нужно предварительной обработки, например, химическое покрытие, чтобы удалить статического электричества, которые могут накапливаться на поверхности.
Чтобы использовать ЭГД jet для различных приложений, печати и подготовка руководящих принципов приведены в таблице 1.
| DOD EHD Джет печать | Возле поля electrospinning (непрерывная печать) | |
| Требование чернил | Диапазон вязкости: 1 ~ 100 cP. | Вязкость: 100 cP ~ 10000 cP. |
| Поверхностное натяжение: 20-40 МН/м. | Точка кипения: меньше чем 100 ° C. | |
| Точка кипения растворителя: больше чем 150 ° C. | ||
| Аэрогидродинамических системы | Высота жидкости (гидростатические силы): сопло с внутренним диаметром более чем 50мкм. | Шприцевой насос с постоянной скоростью потока. |
| Давление воздуха: сопло с внутренним диаметром менее 10 мкм. | ||
| Внутренний диаметр сопла требование | Для стабильных струйная рекомендуется не более 10 мкм. | Более чем 100 мкм могут использоваться для тонкой патронирования с шириной менее 5µm. |
| В общем: внутренний диаметр с 5 мкм могут печатать о точек с размером 5µm. | ||
| Напряжение требования | Напряжение тока DC фон: менее чем 600 V | Напряжение постоянного тока: менее 2 кв. |
| Импульс напряжения для струйного: несколько сотни вольт. | ||
| Скорость печати | Температура, меньше чем 10 мм/сек. | Быстрее, чем 300 мм/с. |
| Требования к программному обеспечению | Печать растровых (растровое изображение). | Шаблоны простой сетки. |
| Печать векторной графики (CAD на основе информации). | Кучность с вкл выкл требование невозможно ввиду непрерывного характера выброс. |
Таблица 1: резюме, подготовка и издание руководящих принципов для DOD и непрерывной струей ЭГД. В таблице приведены требования и рекомендации для тонкой патронирования, используя ЭГД струи.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Это исследование был поддержан базовой программы исследований науки через национальных исследований фонда из Кореи (NRF) Кореи, финансируемого министерством образования (2016R1D1A1B01006801) и частично поддержаны Фондом исследований университета Soonchunhyang .
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).
