Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

चिप आधारित सुपरकैपेसिटर के निर्माण के लिए इंकजेट प्रिंटर का विस्तृत नियंत्रण

Published: November 30, 2021 doi: 10.3791/63234
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Department of Advanced Materials Engineering, Chung-Ang University

Summary

यह पेपर एक इंकजेट प्रिंटर का उपयोग करके चिप-आधारित सुपरकैपेसिटर के निर्माण के लिए एक तकनीक प्रदान करता है। स्याही को संश्लेषित करने, सॉफ़्टवेयर मापदंडों को समायोजित करने और निर्मित सुपरकैपेसिटर के इलेक्ट्रोकेमिकल परिणामों का विश्लेषण करने के लिए तरीकों का विस्तार से वर्णन किया गया है।

Abstract

पहनने योग्य उपकरणों, डिस्प्ले और ऊर्जा भंडारण उपकरणों के निर्माण के लिए इंकजेट प्रिंटिंग विधि को लागू करने के लिए विभिन्न क्षेत्रों में जबरदस्त प्रयास किए गए हैं। उच्च गुणवत्ता वाले उत्पादों को प्राप्त करने के लिए, हालांकि, स्याही सामग्री के भौतिक गुणों के आधार पर परिष्कृत संचालन कौशल की आवश्यकता होती है। इस संबंध में, इंकजेट प्रिंटिंग पैरामीटर का अनुकूलन स्याही सामग्री के भौतिक गुणों को विकसित करने के रूप में महत्वपूर्ण है। इस अध्ययन में, इंकजेट प्रिंटिंग सॉफ़्टवेयर पैरामीटर का अनुकूलन एक सुपरकैपेसिटर को गढ़ने के लिए प्रस्तुत किया गया है। सुपरकैपेसिटर अपने उच्च शक्ति घनत्व, लंबे जीवनकाल और बिजली स्रोतों के रूप में विभिन्न अनुप्रयोगों के कारण आकर्षक ऊर्जा भंडारण प्रणाली हैं। सुपरकैपेसिटर का उपयोग इंटरनेट ऑफ थिंग्स (आईओटी), स्मार्टफोन, पहनने योग्य उपकरणों, इलेक्ट्रिकल वाहनों (ईवी), बड़े ऊर्जा भंडारण प्रणालियों आदि में किया जा सकता है। अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला एक नई विधि की मांग करती है जो विभिन्न तराजू में उपकरणों का निर्माण कर सकती है। इंकजेट प्रिंटिंग विधि पारंपरिक निश्चित आकार के निर्माण विधि के माध्यम से तोड़ सकती है।

Introduction

पिछले दशकों में, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए कई मुद्रण विधियों को विकसित किया गया है, जिसमें पहनने योग्य उपकरण 1, फार्मास्यूटिकल्स 2 और एयरोस्पेस घटक शामिल हैं। मुद्रण को आसानी से उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को बदलकर विभिन्न उपकरणों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। इसके अलावा, यह कच्चे माल की बर्बादी को रोकता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए, स्क्रीन प्रिंटिंग 4, पुश-कोटिंग 5 और लिथोग्राफी 6 जैसे कई मुद्रण विधियों को विकसित किया गया है। इन मुद्रण प्रौद्योगिकियों की तुलना में, इंकजेट प्रिंटिंग विधि के कई फायदे हैं, जिनमें कम सामग्री अपशिष्ट, कई सब्सट्रेट्स के साथ संगतता, कम लागत 8, लचीलापन 9, कम तापमान प्रसंस्करण 10, और बड़े पैमाने पर उत्पादन में आसानी शामिल है। हालांकि, इंकजेट प्रिंटिंग विधि के आवेदन को शायद ही कुछ परिष्कृत उपकरणों के लिए सुझाया गया है। यहां, हम एक सुपरकैपेसिटर डिवाइस को मुद्रित करने के लिए इंकजेट प्रिंटिंग विधि का उपयोग करने के लिए विस्तृत दिशानिर्देश स्थापित करने वाला एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।

सुपरकैपेसिटर, जिसमें स्यूडोकैपेसिटर और इलेक्ट्रोकेमिकल डबल-लेयर कैपेसिटर (ईडीएलसी) शामिल हैं, ऊर्जा भंडारण उपकरणों के रूप में उभर रहे हैं जो पारंपरिक लिथियम-आयन बैटरी 12,13 के पूरक हो सकते हैं। विशेष रूप से, ईडीएलसी अपनी कम लागत, उच्च शक्ति घनत्व और लंबे चक्र life14 के कारण एक आशाजनक ऊर्जा भंडारण उपकरण है। सक्रिय कार्बन (एसी), उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र और चालकता वाले, वाणिज्यिक EDLCs15 में इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। एसी के ये गुण ईडीएलसी को एक उच्च इलेक्ट्रोकेमिकल धारिता 16 की अनुमति देते हैं। EDLCs उपकरणों में निष्क्रिय मात्रा है जब पारंपरिक निश्चित आकार निर्माण विधि का उपयोग किया जाता है। इंकजेट प्रिंटिंग के साथ, EDLCs को उत्पाद डिजाइन में पूरी तरह से एकीकृत किया जा सकता है। इसलिए, इंकजेट प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके निर्मित डिवाइस मौजूदा निश्चित आकार के तरीकों 17 द्वारा निर्मित कार्यात्मक रूप से बेहतर है। कुशल इंकजेट प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके ईडीएलसी का निर्माण ईडीएलसी की स्थिरता और दीर्घायु को अधिकतम करता है और एक फ्री-फॉर्म फैक्टर 18 प्रदान करता है। मुद्रण पैटर्न एक पीसीबी सीएडी प्रोग्राम का उपयोग करके डिज़ाइन किए गए थे और Gerber फ़ाइलों में परिवर्तित किए गए थे। डिज़ाइन किए गए पैटर्न को इंकजेट प्रिंटर का उपयोग करके मुद्रित किया गया था क्योंकि इसमें सटीक सॉफ़्टवेयर-सक्षम नियंत्रण, उच्च सामग्री थ्रूपुट और मुद्रण स्थिरता है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. पीसीबी सीएडी कार्यक्रम का उपयोग कर पैटर्न के डिजाइन

  1. CAD प्रोग्राम चलाएँ। प्रोग्राम विंडो के ऊपर फ़ाइल बटन पर क्लिक करें। कोई नई प्रोजेक्ट फ़ाइल बनाने के लिए, नया और प्रोजेक्ट बटन पर क्लिक करें.
  2. बोर्ड फ़ाइल जनरेट करने के लिए, क्रम में फ़ाइल, नया, और बोर्ड बटन पर क्लिक करें। बनाए गए बोर्ड फ़ाइल विंडो के ऊपर बाईं ओर जाल के आकार के ग्रिड बटन पर क्लिक करके (या विंडो के शीर्ष पर दृश्य और ग्रिड पर क्लिक करके) ग्रिड आकार, एकाधिक और ऑल्ट मान सेट करें.
  3. ग्रिड आकार और alt मान दोनों को मिमी से इंच में बदलें ताकि इंकजेट प्रिंटर PCB CAD पैटर्न पढ़ सके। ठीक समायोजन करने के लिए बेहतरीन दबाएँ.
  4. वर्तमान कलेक्टर और EDLC लाइन के पैटर्न को एक interdigitated रूप में डिजाइन करें। जेल बहुलक इलेक्ट्रोलाइट (GPE) पैटर्न और एक आयताकार रूप में वर्तमान कलेक्टर पैड डिजाइन (चित्रा 1).
    नोट: पैटर्न चौड़ाई: 43 मिमी, पैटर्न ऊंचाई: 55 मिमी, लाइन लंबाई: 40 मिमी, लाइन चौड़ाई: 1.0 मिमी, लाइन-टू-लाइन स्पेस: 1.5 मिमी, और पैड का आकार: 15 x 5 मिमी 2।
    1. चूंकि अंतिम पैटर्न में तीन प्रकार (प्रवाहकीय रेखा, ईडीएलसी और जीपीई) होते हैं, इसलिए तीन परतों को निम्नानुसार सेट करें।
      1. विंडो के शीर्ष पर क्रम में दृश्य और परत सेटिंग्स पर क्लिक करें। दृश्यमान परतें विंडो के नीचे बाईं ओर नई परत बटन पर क्लिक करके नई परतें बनाएँ।
      2. नई विंडो (नई परत) में, नई परत के लिए नाम और रंग सेट करें। परतों को नेत्रहीन रूप से अलग करने के लिए, वर्तमान कलेक्टर, EDLC और GPE के लिए तीन परतों के नाम सेट करें, और रंग के दाईं ओर बॉक्स पर क्लिक करके संबंधित रंग बदलें।
    2. स्क्रीन के नीचे बाईं ओर पंक्ति दबाएँ, मुख्य फ़ील्ड (काली पृष्ठभूमि) पर क्लिक करें, और एक रेखा खींचने के लिए खींचें. लाइन की मोटाई को बदलने के लिए, इंच स्केल (1.0 मिमी = 0.0393701 इंच) में शीर्ष केंद्र पर स्थित चौड़ाई का मान इनपुट करें।
    3. किसी पंक्ति की लंबाई को संपादित करने के लिए, पंक्ति पर राइट-क्लिक करें और नीचे गुण पर क्लिक करें. से और प्रति फ़ील्ड में, प्रारंभ और समाप्ति बिंदुओं के x और y मानों को इनपुट करें .
    4. पैटर्न का संदर्भ बिंदु सेट करने के लिए, चित्र 1 में दिखाए गए पैटर्न के ऊपरी-बाएँ कोने को (0,0) पर सेट करें. उपरोक्त जानकारी के आधार पर शेष पैटर्न आरेखित करें.
    5. तैयार किए गए पैटर्न को वांछित परत पर सेट करने के लिए, पैटर्न पर राइट-क्लिक करें और गुण पर क्लिक करें। फिर, परत पर क्लिक करें, और वांछित परत चुनें।
    6. वर्तमान कलेक्टर पैड और GPE के आयताकार पैटर्न को आकर्षित करने के लिए, मुख्य विंडो के नीचे बाईं ओर Rect दबाएँ. स्क्रीन (मुख्य फ़ील्ड) पर क्लिक करें और खींचें जहाँ पहले से खींचा गया पैटर्न मौजूद है.
    7. संपादित करने के लिए, आयताकार सतह पर राइट-क्लिक करें और नीचे गुण पर क्लिक करें। से और करने के लिए फ़ील्ड में आयत के ऊपरी बाएँ (x,y) मान और निचले दाएँ (x,y) मान को क्रमशः इनपुट करें. चरण 1.4.5 में उल्लिखित के रूप में इच्छित परत के लिए आयत सेट करें।
  5. डिज़ाइन किए गए प्रतिमान की CAD फ़ाइल को इंकजेट प्रिंटर द्वारा पढ़ा जाता है जो Gerber फ़ाइल स्वरूप में कनवर्ट करें।
    1. डिज़ाइन की गई प्रतिमान फ़ाइल कनवर्ट करने से पहले, बोर्ड फ़ाइल को .brd स्वरूप में सहेजें. सहेजने के लिए, फ़ाइल पर क्लिक करें, और फिर सहेजें पर (या कुंजीपटल पर ctrl + S दबाएँ).
    2. सेव करने के बाद विंडो के टॉप पर फाइल पर क्लिक करें और कैम प्रोसेसर पर क्लिक करें। वांछित परत की Gerber फ़ाइल बनाने के लिए, विंडो के बाईं ओर आउटपुट फ़ाइलों के Gerber के अंतर्गत आइटम्स को निम्नानुसार संशोधित करें.
    3. सबसे पहले, नीचे '-' दबाकर उप-सूचियों जैसे शीर्ष तांबा और नीचे तांबा को हटा दें। प्रेस '+' और Gerber आउटपुट बनाने के लिए नई Gerber आउटपुट पर क्लिक करें.
    4. स्क्रीन के दाईं ओर, दाईं ओर गियर दबाकर नाम और फ़ंक्शन में परत का नाम कॉपर पर सेट करें। शीर्ष पर परत प्रकार सेट करें और वर्तमान कलेक्टर, EDLC और GPE की Gerber Layer Number को क्रमशः L1, L2, L3 पर सेट करें।
    5. Gerber फ़ाइल के नीचे परतें विंडो में, नीचे बाईं ओर परतों को संपादित करें पर क्लिक करें, और प्रत्येक वांछित परत का चयन करें।
    6. बनाई जाने वाली आउटपुट फ़ाइल का नाम सेट करने के लिए, विंडो के निचले भाग में आउटपुट का Gerber फ़ाइल नाम %PREFIX/%NAME.gbr पर सेट करें.
    7. अंत में, सेटिंग्स को सहेजने के लिए विंडो के ऊपर बाईं ओर नौकरी सहेजें पर क्लिक करें। Gerber फ़ाइल बनाने के लिए नीचे दाईं ओर प्रक्रिया कार्य पर क्लिक करें।

2. स्याही संश्लेषण

नोट: लचीला एजी स्याही वर्तमान कलेक्टर लाइन और पैड के लिए प्रवाहकीय स्याही के रूप में प्रयोग किया जाता है।

  1. EDLC स्याही terpineol, एथिलसेल्यूलोज, सक्रिय कार्बन (एसी), सुपर पी, polyvinylidene difluoride (PVDF), और Triton-X का उपयोग करके निम्नानुसार तैयार करें।
    1. विलायक के रूप में उच्च चिपचिपाहट के साथ 2,951 μL terpineol और एक गाढ़ा के रूप में एथिल सेल्यूलोज के 1.56 ग्राम का उपयोग करें। 1.8478 ग्राम के कुल वजन के साथ 7: 2: 1 के रूप में PVDF के लिए सुपर-पी के लिए एसी के अनुपात को सेट करें। इसके अलावा, मिश्रण के लिए एक surfactant के रूप में Triton-X के 49 μL का उपयोग करें।
    2. एक ग्रह मिक्सर का उपयोग करके 30 मिनट के लिए सभी सामग्रियों को मिलाएं। इंकजेट प्रिंटर के लिए एक कारतूस में अच्छी तरह से मिश्रित इलेक्ट्रोड सामग्री रखें और इसे 5 मिनट के लिए 115 x g पर सेंट्रीफ्यूज करें।
  2. प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी), PVDF, और लिथियम perchlorate (LiClO4) का उपयोग करके जीपीई स्याही तैयार करें।
    1. विलायक के रूप में पीसी का उपयोग करें, बहुलक मैट्रिक्स के रूप में PVDF, और नमक के रूप में LiClO4। GPE के सभी घटकों का वजन इस तरह से करें कि LiClO4 की अंतिम दाढ़ सांद्रता 1 M है, और PVDF का अंतिम वजन % 5 wt% है।
    2. विघटन तक 1 घंटे के लिए 140 डिग्री सेल्सियस पर सभी घटकों को हिलाएं। सरगर्मी के बाद, जीपीई स्याही को पर्याप्त रूप से ठंडा करें और इसे स्याही कारतूस में रखें।

3. इंकजेट प्रिंटर सॉफ़्टवेयर पैरामीटर सेट-अप

  1. प्रिंटर प्रोग्राम चलाएँ। प्रिंट बटन पर क्लिक करें, सरल का चयन करें, और उसके बाद चित्र 2 में दिखाए गए क्रम में लचीला प्रवाहकीय स्याही का चयन करें।
  2. चित्र 3 में 1 तीर का पालन करके डिज़ाइन किए गए पैटर्न की Gerber फ़ाइल अपलोड करें. प्रवाहकीय रेखा की Gerber फ़ाइल चुनें और खोलें (चित्र 3 में 2 और 3 तीर देखें). 4 तीर द्वारा इंगित के रूप में अगले बटन पर क्लिक करें।
  3. चित्र 4A में दिखाए गए के रूप में PCB बोर्ड को ठीक करें, और चित्र 4B में दिखाए गए अनुसार जांच माउंट करें।
  4. बाह्यरेखा बटन पर क्लिक करके जांच के माध्यम से PCB प्रिंटर के शून्य बिंदु को समायोजित करें ( चित्र5 में 1,4 लाल तीर देखें)।
    नोट:: जांच पैटर्न की रूपरेखा दिखाते हुए पीसीबी बोर्ड पर ले जाता है ( चित्रा 5 के नीचे दाईं ओर देखें)।
  5. पैटर्न छवि को खींचकर स्क्रीन पर ले जाएँ ( चित्र 5 में पीला डैश किया गया तीर देखें)। यह जांचने के लिए एक बार फिर आउटलाइन बटन पर क्लिक करें कि जांच वांछित पथ के माध्यम से चलती है या नहीं। NEXT पर क्लिक करें ( चित्र 5 में 5 तीर द्वारा इंगित)।
  6. सब्सट्रेट फ्लैट है या नहीं यह जांचने के लिए सब्सट्रेट की ऊंचाई को मापने के लिए प्रोब पर क्लिक करें (चित्रा 6)।
    नोट:: सब्सट्रेट पर जांच क्षेत्र स्वचालित रूप से प्रिंटर में निर्मित प्रोग्राम द्वारा चयनित है।
  7. ऊंचाई माप पूरा होने के बाद जांच को हटा दें। स्याही डिस्पेंसर में स्याही कारतूस डालें और डिस्पेंसर तैयार करने के लिए नोजल (आंतरिक व्यास: 230 μm) को कनेक्ट करें।
  8. प्रत्येक स्याही (प्रवाहकीय लाइन, EDLC, GPE) डिस्पेंसर माउंट करें, और प्रत्येक स्याही (चित्रा 7) के मापदंडों को समायोजित करते हुए कैलिब्रेट बटन दबाकर एक नमूना पैटर्न प्रिंट करें।
  9. नेत्रहीन मुद्रण परिणाम की जाँच करें और प्रत्येक स्याही के लिए पैरामीटर मान रिकॉर्ड करें। विवरण के लिए प्रतिनिधि परिणाम देखें.

4. प्रवाहकीय लाइन मुद्रण

नोट: 4.1 चरणों के बाद से। 4.7 के लिए। अनुभाग 3 के साथ ओवरलैप, वे केवल संक्षेप में नीचे संक्षेप में हैं।

  1. इंकजेट प्रिंटर प्रोग्राम चलाएं और प्रारंभ मेनू में प्रिंट पर क्लिक करें और सरल (चित्रा 1) का चयन करें।
  2. डिज़ाइन किए गए पैटर्न फ़ाइल को लोड करने के लिए इंक के बगल में फ़ाइल चुनें बटन पर क्लिक करें और NEXT (चित्रा 3) पर क्लिक करें।
  3. प्रिंटर पर पीसीबी बोर्ड को ठीक करें और जांच स्थापित करें (चित्रा 4)।
  4. सब्सट्रेट पर पैटर्न की स्थिति की जांच करें और सब्सट्रेट की ऊंचाई को मापें (चित्रा 5 और चित्रा 6)।
  5. जांच निकालें, और उसके बाद प्रवाहकीय स्याही (लचीला एजी स्याही) डिस्पेंसर माउंट करें।
  6. सेटिंग्स बटन पर क्लिक करके प्रवाहकीय स्याही के सॉफ़्टवेयर पैरामीटर परिवर्तित करें (चित्र 7 और तालिका 1 देखें).
  7. यह जाँचने के लिए एक नमूना प्रतिमान मुद्रित करें कि चरण 4.6 से सेटिंग सफल है या नहीं.
  8. इथेनॉल के साथ नम एक सफाई पोंछे के साथ नमूना मुद्रण पैटर्न मिटा.
  9. START बटन दबाकर प्रवाहकीय रेखा के डिज़ाइन किए गए पैटर्न को मुद्रित करें .
  10. मुद्रण के बाद, 30 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर प्रवाहकीय लाइन का इलाज करें। फिर, सब्सट्रेट और प्रवाहकीय रेखा के संयुक्त वजन को मापें।

5. मुद्रण EDLC लाइन

  1. प्रिंटर प्रोग्राम की प्रारंभ स्क्रीन पर संरेखित विकल्प का चयन करें. EDLC लाइन पैटर्न फ़ाइल लोड करें और NEXT पर क्लिक करें (चरण 3.2 देखें)।
  2. सुनिश्चित करें कि प्रवाहकीय रेखा की स्थिति EDLC लाइन और प्रवाहकीय रेखा के पैटर्न पदों को संरेखित करने के लिए दो संरेखण बिंदुओं के माध्यम से पता लगाया गया है। फिर, एक यादृच्छिक बिंदु पर ले जाएँ और जाँचें कि क्या स्थान सही है।
  3. PROBE बटन पर क्लिक करके प्रवाहकीय रेखा के ऊपर डिस्पेंसर नोजल की ऊंचाई की जांच करने के लिए प्रवाहकीय रेखा की समग्र ऊंचाई को मापें (चित्रा 6 देखें)।
  4. EDLC स्याही के सॉफ़्टवेयर पैरामीटर मान परिवर्तित करें (चित्र7 और तालिका 1).
  5. सॉफ़्टवेयर पैरामीटर मान उपयुक्त हैं या नहीं, यह जाँचने के लिए कोई नमूना प्रतिमान मुद्रित करें. इथेनॉल के साथ नम एक सफाई पोंछे के साथ नमूना मुद्रण पैटर्न मिटा. प्रारंभ बटन दबाकर EDLC पंक्ति मुद्रित करें ।
  6. विलायक को वाष्पित करने के लिए कमरे के तापमान पर मुद्रित ईडीएलसी लाइन को रात भर सुखाएं।
  7. सूखे ईडीएलसी लाइन के वजन की गणना करने के लिए, सब्सट्रेट, प्रवाहकीय रेखा और ईडीएलसी लाइन के संयुक्त वजन को मापें।

6. GPE पैटर्न मुद्रण

  1. प्रिंटर प्रोग्राम की प्रारंभ स्क्रीन पर संरेखित विकल्प का चयन करें. GPE पैटर्न की Gerber फ़ाइल लोड करें और NEXT पर क्लिक करें (चरण 3.2 देखें)।
  2. संरेखण बिंदुओं की जाँच करें और स्थिति सही है या नहीं, यह जांचने के लिए किसी भी बिंदु पर जाएँ.
  3. नोजल के लिए डिफ़ॉल्ट ऊँचाई सेट करने के लिए EDLC लाइन की ऊँचाई को मापें.
  4. GPE इंक (चित्र7 और तालिका 1) के सॉफ़्टवेयर पैरामीटर मान परिवर्तित करें।
  5. सॉफ़्टवेयर पैरामीटर मान उपयुक्त हैं या नहीं, यह जाँचने के लिए कोई नमूना प्रतिमान मुद्रित करें.
  6. इथेनॉल के साथ नम एक सफाई पोंछे के साथ नमूना मुद्रण पैटर्न मिटा. GPE पैटर्न मुद्रित करें।
  7. एक स्थिरीकरण प्रक्रिया रखने और अवशिष्ट विलायक को वाष्पित करने के लिए, जीपीई पैटर्न को कमरे के तापमान पर 24 घंटे के लिए सुखाएं।

7. इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण

  1. नीचे दिए गए चरणों का पालन करते हुए इंकजेट-मुद्रित सुपरकैपेसिटर डिवाइस के लिए इलेक्ट्रोकेमिकल माप निष्पादित करें। potentiostat डिवाइस को चालू करें और चक्रीय वोल्टमेट्री (CV), गैल्वेनोस्टेटिक चार्ज / डिस्चार्ज (GCD), और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) को मापने के लिए प्रोग्राम चलाएं।
    1. potentiostat को पहले मुद्रित सुपरकैपेसिटर डिवाइस से कनेक्ट करें।
      नोट:: potentiostat में चार कनेक्शन लाइनों का उपयोग किया जाता है: काम कर रहे इलेक्ट्रोड (हम), काम कर सेंसर (WS), काउंटर इलेक्ट्रोड (CE), और संदर्भ इलेक्ट्रोड (आरई)।
    2. WS लाइन को WE लाइन से कनेक्ट करें और RE लाइन को CE लाइन से कनेक्ट करें क्योंकि गढ़ा हुआ डिवाइस एक सममित सुपरकैपेसिटर है।
    3. SUPERCAPACITOR डिवाइस पर विपरीत वर्तमान संग्राहक पैड के लिए WE\WS लाइन और CE\RE लाइन कनेक्ट करें।
  2. सीवी का एक अनुक्रम उत्पन्न करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे चलाएं।
    1. अनुक्रम फ़ाइल जनरेट करने के लिए प्रोग्राम चलाएँ।
    2. न्यू सीक्वेंस बटन पर क्लिक करें।
    3. चरण 1 उत्पन्न करने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
    4. जांचें कि potentiostat द्वारा प्रदर्शित क्षमता 0 V है या नहीं। यदि विभव 0 V नहीं है, तो निम्नानुसार करें।
      1. नियंत्रण को CONSTANT के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए सेट करें, प्रकार को PSTAT के रूप में, मोड सामान्य के रूप में, और श्रेणी को AUTO के रूप में सेट करें. वोल्टेज (V) के लिए, Ref सेट करें. Eref के रूप में, और 0 के रूप में मूल्य.
      2. कट ऑफ शर्त की शर्त-1 के लिए, आइटम को चरण समय के रूप में सेट करें, OP को >=, DeltaValue को 1:00 के रूप में सेट करें और अगला के रूप में अगला जाएँ. Misc. सेटिंग के लिए नमूना बटन पुश और समय (ओं) के रूप में आइटम सेट करें, OP > = और DeltaValue 30 के रूप में।
    5. अगला चरण बनाने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      1. स्वीप के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए नियंत्रण सेट करें, PSTAT के रूप में प्रकार, चक्रीय के रूप में मोड और ऑटो के रूप में श्रेणी सेट करें। प्रारंभिक (V) और मध्य (V) के लिए, संदर्भ को Eref के रूप में सेट करें, मान 0 के रूप में. अंतिम (V) के लिए, Ref. को Eref और मान को 800.00e-3 के रूप में सेट करें.
      2. 5, 10, 20, 50, और 100 mV / s की वोल्टेज स्कैन दरों का उपयोग करें। इसलिए, प्रत्येक स्कैन दर के अनुसार, Scanrate (V/s) को क्रमशः 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3, और 100.00e-3, के रूप में सेट करें।
      3. सभी स्कैन दरों के लिए, शांत समय (ओं) को 0 और सेगमेंट को 21 के रूप में सेट करें. कट ऑफ शर्त की शर्त-1 के लिए, आइटम को चरण अंत के रूप में सेट करें और अगला के रूप में अगला के रूप में जाएँ.
      4. Misc. सेटिंग के लिए, नमूना बटन पुश करें और आइटम को समय (ओं) और OP के रूप में > = के रूप में सेट करें। प्रत्येक स्कैन दर के लिए, DeltaValue को 0.9375, 0.5, 0.25, 0.125 और 0.0625 के रूप में सेट करें.
    6. CV परीक्षण की अनुक्रम फ़ाइल को सहेजने के लिए इस रूप में सहेजें बटन पर क्लिक करें।
    7. CH पर लागू करें पर क्लिक करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए CV परीक्षण की अनुक्रम फ़ाइल चलाएँ।
  3. जीसीडी का एक अनुक्रम उत्पन्न करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे चलाएं।
    1. अनुक्रम फ़ाइल जनरेट करने के लिए प्रोग्राम चलाएँ।
    2. न्यू सीक्वेंस बटन पर क्लिक करें।
    3. चरण 1 उत्पन्न करने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
    4. जांचें कि potentiostat द्वारा प्रदर्शित क्षमता 0 V है या नहीं। यदि विभव 0 V नहीं है, तो निम्नानुसार करें।
      1. निरंतर के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए नियंत्रण सेट करें, PSTAT के रूप में प्रकार, सामान्य के रूप में मोड और ऑटो के रूप में श्रेणी सेट करें। वोल्टेज (V) के लिए, Eref के रूप में संदर्भ सेट करें, मान 0 के रूप में।
      2. कट ऑफ शर्त की शर्त-1 के लिए, आइटम को चरण समय के रूप में सेट करें, OP को >=, DeltaValue को 1:00 के रूप में सेट करें और अगला के रूप में अगला पर जाएँ. Misc. सेटिंग के लिए, नमूना बटन पुश करें और आइटम को समय (ओं) के रूप में सेट करें, OP को >=, और DeltaValue को 30 के रूप में सेट करें.
    5. अगला चरण (चार्ज चरण) बनाने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      1. निरंतर के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए नियंत्रण सेट करें, GSTAT के रूप में प्रकार, सामान्य के रूप में मोड, और ऑटो के रूप में श्रेणी सेट करें। वर्तमान (A) के लिए, Ref. को ZERO के रूप में सेट करें.
      2. वर्तमान घनत्व 0.01 A/g और 0.02 A/g के बीच भिन्न होता है। इसलिए, 310.26e-6 और 620.52e-6 करने के लिए प्रत्येक वर्तमान घनत्व के लिए वर्तमान (A) का मान सेट करें।
      3. कट ऑफ कंडीशन सेट आइटम की शर्त-1 के लिए वोल्टेज के रूप में, OP के रूप में > =, DeltaValue 800.00e-3 के रूप में, और अगले के रूप में अगला के रूप में जाओ। Misc. सेटिंग के लिए, आइटम को समय (ओं) के रूप में सेट करें, OP को > = और DeltaValue को 1 के रूप में सेट करें.
    6. अगला चरण (डिस्चार्ज चरण) बनाने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      नोट:: यह चरण चार्ज चरण के रूप में एक ही सेट किया गया है।
      1. प्रत्येक वर्तमान घनत्व के लिए -310.26e-6 और -620.52e-6 के लिए वर्तमान (A) का मान सेट करें.
      2. कट ऑफ कंडीशन की शर्त-1 के लिए आइटम को वोल्टेज के रूप में सेट करें, OP के रूप में < =, DeltaValue 0.0000e +0 के रूप में और अगले के रूप में अगला जाओ। Misc. सेटिंग के लिए, आइटम को समय (ओं) के रूप में सेट करें, OP को > = और DeltaValue को 1 के रूप में सेट करें.
    7. अगला चरण (लूप चरण) बनाने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      1. नियंत्रण को लूप के रूप में सेट करें और कॉन्फ़िगरेशन सेट के लिए प्रकार चक्र के रूप में और पुनरावृत्ति 21 के रूप में।
      2. कट ऑफ शर्त की शर्त-1 के लिए आइटम को सूची 1 पर लूप अगला के रूप में सेट करें. प्रत्येक वर्तमान घनत्व के लिए, 0.01 A/g के लिए STEP-2 और 0.02 A/g के लिए STEP-5 के रूप में अगला सेट करें.
    8. GCD परीक्षण के अनुक्रम फ़ाइल को सहेजने के लिए इस रूप में सहेजें बटन पर क्लिक करें।
    9. CH पर लागू करें पर क्लिक करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए GCD परीक्षण की अनुक्रम फ़ाइल चलाएँ।
  4. EIS का एक अनुक्रम उत्पन्न करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए इसे चलाएं।
    1. अनुक्रम फ़ाइल जनरेट कर सकते हैं जो प्रोग्राम चलाएँ।
    2. न्यू सीक्वेंस बटन पर क्लिक करें।
    3. चरण 1 उत्पन्न करने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      1. नियंत्रण को CONSTANT के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए सेट करें, प्रकार को PSTAT के रूप में, मोड को टाइमर स्टॉप के रूप में और श्रेणी को ऑटो के रूप में सेट करें.
      2. जैसा कि इस अध्ययन में ऑपरेटिंग संभावित विंडो को वोल्टेज के लिए 0.0 से 0.8 वी के रूप में सेट किया गया है, 400.00e-3 पर मूल्य सेट करें, जो ऑपरेटिंग संभावित विंडो का औसत मूल्य है। Ref. को Eref के रूप में सेट करें.
    4. अगला चरण जनरेट करने के लिए जोड़ें बटन पर क्लिक करें।
      1. नियंत्रण को EIS के रूप में और कॉन्फ़िगरेशन के लिए सेट करें, प्रकार को PSTAT के रूप में, मोड को LOG के रूप में और श्रेणी को AUTO के रूप में सेट करें.
      2. आवृत्ति सीमा को 0.1 हर्ट्ज से 1 मेगाहर्ट्ज के रूप में सेट करें। इसलिए, प्रारंभिक (हर्ट्ज) और मध्य (हर्ट्ज) को 100.00e + 6, और अंतिम (हर्ट्ज) को 100.00e-3 पर सेट करें।
      3. जैसा कि अनुभाग 7.4.3.2 में उल्लेख किया गया है, 400.00e-3 के लिए पूर्वाग्रह (V) का मान सेट करें, और संदर्भ को एरेफ़ पर सेट करें।
      4. एक रैखिक प्रतिक्रिया बनाए रखने के लिए, आयाम (Vrms) 10.000e-3 करने के लिए सेट करें।
      5. इस प्रयोग के लिए घनत्व को 10 और पुनरावृत्ति को 1 के रूप में सेट करें।
    5. GCD परीक्षण के अनुक्रम फ़ाइल को सहेजने के लिए इस रूप में सहेजें बटन पर क्लिक करें।
    6. CH पर लागू करें पर क्लिक करें और परिणाम प्राप्त करने के लिए EIS परीक्षण की अनुक्रम फ़ाइल चलाएँ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

स्याही को चरण 2 के अनुसार संश्लेषित किया गया था, और स्याही की विशेषताओं की पुष्टि संदर्भ 18 के अनुसार की जा सकती है। चित्रा 8 प्रवाहकीय स्याही और ईडीएलसी स्याही के संरचनात्मक गुणों को दर्शाता है, साथ ही साथ पिछले शोध 18 में रिपोर्ट किए गए ईडीएलसी स्याही के rheological गुणों को दर्शाता है। प्रवाहकीय स्याही को लगातार संचालन पथ बनाने के लिए अच्छी तरह से सिंटर किया जाता है, और नैनोस्केल खुरदरापन से ईडीएलसी स्याही (चित्रा 8 ए, बी) के साथ संपर्क क्षेत्र में वृद्धि की उम्मीद की जाती है। ईडीएलसी स्याही को मैक्रोस्कोपिक पैमाने पर समान रूप से वितरित किया जाता है, लेकिन माइक्रो और नैनोस्केल पर एक बहुत ही खुरदरा सतह का आकार होता है, जो संभवतः एक उच्च सतह क्षेत्र प्रदान करता है और ऊर्जा भंडारण क्षमता में सुधार करता है। सभी घटक अच्छी तरह से बिखरे हुए हैं और कोई दृश्यमान तत्व नहीं हैं जो मुद्रण के दौरान क्लॉगिंग का कारण बन सकते हैं (चित्रा 8 सी-एफ)। चित्रा 8G EDLC स्याही में स्पष्ट चिपचिपाहट के समय-विकास को प्रस्तुत करता है। चिपचिपाहट मूल्य कतरनी समय के साथ बढ़ता है और viscoelastic व्यवहार नहीं दिखाता है; यह किसी भी तनाव-प्रेरित संरचनात्मक विस्तार, खिंचाव, या पुनर्व्यवस्था के बिना एक कतरनी-मोटा व्यवहार को इंगित करता है।

वर्तमान प्रोटोकॉल (चित्रा 9 बी) का उपयोग करके एक मुद्रित सुपरकैपेसिटर सफलतापूर्वक प्राप्त किया गया था। प्रिंट की गुणवत्ता को अच्छा माना जाता है यदि मुद्रित पैटर्न में कम या कोई दोष नहीं है (9 ए के साथ चित्रा 9 बी की तुलना करें), न्यूनतम सतह खुरदरापन, और समान मोटाई। इंकजेट प्रिंटिंग विधि की गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले प्राथमिक पैरामीटर फ़ीड दर, किक, ट्रिम लंबाई, एंटी-स्ट्रिंगिंग दूरी, rheological setpoint, और नरम प्रारंभ / स्टॉप अनुपात हैं। इस अध्ययन में, GPE और EDLC लाइन (या परत) के मुद्रण परिणामों का मूल्यांकन प्रवाहकीय रेखा के मुद्रण परिणामों के आधार पर किया गया था।

वितरण के दौरान फ़ीड दर और XY-अक्ष यात्रा गति समग्र मुद्रण समय निर्धारित करती है। उनका लाइन की मोटाई और कट-ऑफ समस्याओं की रोकथाम पर भी महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। जब फ़ीड दर न्यूनतम (100 मिमी / मिनट) (चित्रा 10 ए) थी, तो सभी लाइनें बिना किसी दृश्य वियोग के समान थीं; हालांकि, उत्पाद को मुद्रित करने में लंबा समय लगा। इसके विपरीत, समग्र मुद्रण समय में कमी आई जब फ़ीड दर अधिकतम (600 मिमी / मिनट) (चित्रा 10 डी) थी; हालांकि, 500 मिमी / मिनट (चित्रा 10 सी) की फ़ीड दर के साथ मुद्रित परिणामों की तुलना में, लाइन को काट दिया गया था या क्रैक किया गया था क्योंकि डिस्पेंसर तेजी से चला गया था। 300 मिमी / मिनट की एक फ़ीड दर एक उचित मुद्रण समय के लिए और दरार गठन को रोकने के लिए इष्टतम पाई जाती है (चित्रा 10 बी)। किक डिस्पेंसर के भीतर पिस्टन की स्ट्रोक लंबाई के माध्यम से लागू दबाव को नियंत्रित करता है। सभी लाइनों को डिस्कनेक्ट कर दिया गया था जब किक बहुत कम था (न्यूनतम मान 0.1 मिमी के बराबर है)। हालांकि, एक उच्च किक पर उच्च दबाव (अधिकतम मूल्य 0.7 मिमी के बराबर है) ने नोजल के क्लॉगिंग के परिणामस्वरूप एक बाधा पैदा की। इसलिए, किक (0.35 मिमी) के उचित मूल्य का उपयोग करना आवश्यक है ताकि लाइन टूट न जाए, और नोजल बंद न हो (चित्रा 11)।

ट्रिम लंबाई एक वितरण के लिए यात्रा की गई अधिकतम दूरी है और इसका मूल्य 1 मिमी से 9999 मिमी तक होता है। प्रिंटर कच्चे रूप से प्रिंट करता है और ट्रिम लंबाई 1 मिमी होने पर एक लंबा समय लेता है। इसलिए, ट्रिम लंबाई को पैटर्न की कुल लंबाई के आधार पर समायोजित करने की आवश्यकता है। इस प्रोटोकॉल में, ट्रिम लंबाई को 120 मिमी (चित्रा 12) के रूप में सेट किया गया था। नोजल के अंत में एक स्ट्रिंगिंग का गठन किया जा सकता है क्योंकि नोजल के लिए स्याही का आसंजन स्याही की सतह ऊर्जा के आधार पर सब्सट्रेट के लिए स्याही के आसंजन से अधिक होता है। विरोधी स्ट्रिंगिंग दूरी नोजल को वापस धकेलकर स्ट्रिंगिंग को सुरक्षित रूप से तोड़ने में सहायता करती है (चित्रा 13)। rheological setpoint एक पैरामीटर है जो वितरण के बाद दबाव को बनाए रखने के लिए प्रवाह दर की भरपाई करता है। वितरण राशि एक पैटर्न मुद्रित करने के बाद भी नहीं बढ़ती है जब rheological setpoint अपने न्यूनतम मान (0.0) पर है। हालांकि, वितरण राशि और स्याही की प्रवाह दर में वृद्धि जब rheological setpoint अधिकतम मान (1.0) पर है। इसके अलावा, clogging अड़चन प्रभाव के कारण होता है जब rheological setpoint उच्च है। इस प्रकार, स्याही की चिपचिपाहट और संपीड़ितता के आधार पर rheological setpoint को समायोजित करने की आवश्यकता है (चित्रा 14)।

सॉफ्ट स्टार्ट/स्टॉप अनुपात एक पैरामीटर है जो उस समय के बीच के अंतर को समायोजित करता है जब किक (दबाव) शुरू होता है और जब प्रवाह दर स्याही के गुणों के आधार पर स्थिर हो जाती है (चित्रा 15)। सॉफ़्टवेयर पैरामीटर सेटअप नियंत्रण प्रयोग के दौरान, पासिंग स्पेस और ट्रेस पेनिट्रेशन सेटिंग मान में परिवर्तन के कारण मुद्रण में किसी भी भिन्नता का निरीक्षण करना मुश्किल है। इसलिए, इन दो पैरामीटर को डिज़ाइन किए गए पैटर्न के आधार पर अलग-अलग तय किया जाना चाहिए। सेटअप नियंत्रण प्रयोग के परिणाम निम्नानुसार हैं: पास स्पेसिंग, ट्रेस पेनेट्रेशन और ट्रिम लंबाई को मुद्रित किए जाने वाले पैटर्न के आधार पर समायोजित किया जाना चाहिए। इसके अलावा, फ़ीड दर, एंटी-स्ट्रिंगिंग दूरी, किक, नरम स्टार्ट / स्टॉप अनुपात, और rheological setpoint को स्याही के गुणों के आधार पर समायोजित किया जाना चाहिए। इसलिए, विभिन्न स्याही (प्रवाहकीय स्याही, EDLC स्याही, और GPE स्याही) के लिए सॉफ़्टवेयर पैरामीटर मान तालिका 1 में दिखाए गए अनुसार तय किए गए थे।

इलेक्ट्रोकेमिकल डेटा प्रोटोकॉल के चरण 7 में वर्णित के रूप में प्राप्त किया गया था। चित्रा 16A, B, C क्रमशः CV, GCD और EIS डेटा प्रस्तुत करते हैं। चित्र 16A में दिखाया गया डेटा CV माप के माध्यम से प्राप्त किया गया था। ग्रेविमेट्रिक धारिता, अवास्तविक धारिता, और सेल धारिता की गणना क्रमशः 5.74 एफ / जी, 142 एमएफ / सेमी 2, और 178 एमएफ / सेल, क्रमशः, 5 एमवी / एस की स्कैन दर के लिए की गई थी। इसके अलावा, EIS ग्राफ (चित्रा 16C) एक कम Rs मान (5.29 Ω) और कोई Rct मान नहीं दिखाता है, जो EDLC के विशिष्ट हैं।

Figure 1
चित्रा 1: CAD कार्यक्रम के साथ डिज़ाइन किया गया Interdigitated पैटर्न। पैटर्न के शीर्ष पर दो पैड केवल एक वर्तमान कलेक्टर स्याही के साथ मुद्रित होते हैं। बड़े आकाश-नीले वर्ग को जेल बहुलक इलेक्ट्रोलाइट स्याही के साथ मुद्रित किया जाता है, और नीली रेखाओं को ईडीएलसी लाइन स्याही और वर्तमान कलेक्टर स्याही के साथ मुद्रित किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: प्रिंटर प्रोग्राम विंडो की छवि. (A) प्रोग्राम की पहली स्क्रीन. लाल तीर दिखाता है कि मुद्रण बटन कहाँ है. (बी) कार्यक्रम की दूसरी स्क्रीन। लाल तीर दिखाता है कि सरल बटन कहां है। (c) कार्यक्रम की तीसरी स्क्रीन। लाल तीर दिखाता है कि कौन सी स्याही का चयन किया जाना चाहिए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: एक स्क्रीनशॉट दिखा रहा है कि डिज़ाइन किए गए पैटर्न की Gerber फ़ाइल को कैसे अपलोड किया जाए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: एक स्क्रीनशॉट दिखा रहा है कि पीसीबी बोर्ड को कैसे ठीक किया जाए और जांच को माउंट किया जाए। (ए) इंकजेट प्रिंटर की एक शीर्ष-दृश्य छवि जो पीसीबी बोर्ड रखती है। (बी) इंकजेट प्रिंटर की फ्रंट-व्यू छवि जहां जांच माउंट की जाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र5: पैटर्न की स्थिति परिवर्तित होने पर जांच आंदोलन की जाँच करने का तरीका दिखाने वाला स्क्रीनशॉट. कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: एक स्क्रीनशॉट दिखा रहा है कि सतह की ऊंचाई को कैसे मापा जाए। PROBE पर क्लिक करने के बाद, जांच सब्सट्रेट पर इंगित स्थान पर जाती है (हलकों द्वारा निरूपित), और फिर सब्सट्रेट की ऊंचाई की जांच करने के लिए नीचे और ऊपर जाती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: एक स्क्रीनशॉट दिखा रहा है कि सॉफ़्टवेयर पैरामीटर को कैसे समायोजित किया जाए और नमूना पैटर्न को कैसे मुद्रित किया जाए। (A) एक स्क्रीनशॉट छवि जो नमूना पैटर्न मुद्रित करने की प्रक्रिया को दर्शाती है. लाल तीर नमूना पैटर्न को मुद्रित करने के लिए बटन को इंगित करता है और पीला तीर स्याही के लिए सॉफ़्टवेयर पैरामीटर को नियंत्रित करने के लिए बटन को इंगित करता है। (B) एक खिड़की जो तब दिखाई देती है जब (A) में दिखाए गए पीले तीर को दबाया जाता है। सॉफ़्टवेयर पैरामीटर को 1 तीर द्वारा इंगित किए गए मानों को बदलकर संशोधित किया जा सकता है. सॉफ़्टवेयर पैरामीटर में परिवर्तनों को सहेजने के लिए 2 तीर दबाएँ. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्रा 8: स्याही और मुद्रित परतों की SEM छवि, और EDLC स्याही चिपचिपाहट. (A, B) (ए) कम आवर्धन और (बी) उच्च आवर्धन पर वर्तमान कलेक्टर की शीर्ष-दृश्य SEM छवियां। (सी) मुद्रित ईडीएलसी सक्रिय परत फिल्म की झुकी हुई साइड-व्यू एसईएम छवि। (D-F) विभिन्न आवर्धन के साथ EDLC सक्रिय परत के शीर्ष-दृश्य SEM छवियाँ. (जी) निरंतर 0.3 एस -1 कतरनी दर प्रयोग के लिए ईडीएलसी स्याही बनाम कतरनी समय की स्पष्ट चिपचिपाहट। संदर्भ 18 से अनुमति के साथ अनुकूलित। कॉपीराइट (2020) अमेरिकन केमिकल सोसाइटी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्र 9: मुद्रित परिणामों की तस्वीर. (A) मुद्रण विफलता फ़ोटो; लाल वृत्ताकार भाग मुद्रण विफलता के कारण असमान रूप से मुद्रित किया जाता है। (बी) अंतिम मुद्रित उत्पाद की तस्वीर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 10
चित्र 10: फ़ीड दर में परिवर्तन के अनुरूप मुद्रण परिणाम. (A) 100 mm/min, (B) 300 mm/min, (C) 500 mm/min, और (D) 600 mm/min. कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें।

Figure 11
चित्र11: किक में परिवर्तन के अनुरूप मुद्रण परिणाम। (A) 0.1 मिमी, (B) 0.2 मिमी, (C) 0.35 मिमी, और (D) 0.7 मिमी। कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 12
चित्र 12: ट्रिम लंबाई में परिवर्तन के अनुरूप मुद्रण परिणाम। (A) 1.0 मिमी और (B) 50 मिमी। कृपया इस आकृति का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 13
चित्र 13: चित्र दिखा रहे हैं कि डिस्पेंसर एंटी-स्ट्रिंगिंग दूरी पैरामीटर के समायोजन द्वारा कैसे चलता है। (A) जब एंटी-स्ट्रिंगिंग दूरी मान अधिकतम मान (5.0 मिमी) पर तय किया जाता है तो नोजल का आंदोलन। (बी) स्ट्रिंगिंग की तस्वीर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 14
चित्र 14: rheological setpoint परिवर्तन में परिवर्तन के अनुरूप मुद्रण परिणाम. (A) 0 और (B) 1.0. (बी) में लाल सर्कल क्लॉगिंग प्रभाव के कारण होने वाली दरारें (या छेद) दिखाते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 15
चित्रा 15: मुद्रण परिणाम नरम प्रारंभ / नरम स्टॉप अनुपात में परिवर्तन के अनुरूप। sawtooth (लाल तीर) का दक्षिणावर्त घूर्णन मुद्रण की शुरुआत को इंगित करता है। (ए) सॉफ्ट स्टार्ट अधिकतम मान और सॉफ्ट स्टॉप न्यूनतम मूल्य, साथ ही साथ (बी) सॉफ्ट स्टार्ट मिनिमम वैल्यू और सॉफ्ट स्टॉप मैक्सिमम वैल्यू। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 16
चित्रा 16: मुद्रित सुपरकैपेसिटर के इलेक्ट्रोकेमिकल परीक्षण परिणाम( A) CV, (B) GCD, और (C) EIS रेखांकन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

प्राचल प्रवाहकीय स्याही EDLC स्याही GPE स्याही
पास रिक्ति (मिमी) 0.15 0.15 0.15
वितरण ऊँचाई (मिमी) 0.12 0.14 0.16
फ़ीडरेट (मिमी / मिनट) 500 300 300
ट्रिम लंबाई (मिमी) 120 120 120
ट्रेस प्रवेश (मिमी) 0.15 0.15 0.15
विरोधी स्ट्रिंगिंग दूरी (मिमी) 0.4 0.7 0.1
लात मारो (मिमी) 0.35 0.3 0.4
सॉफ्ट स्टार्ट अनुपात 0.1 0.8 0.8
सॉफ्ट स्टॉप अनुपात 0.15 0.1 0.15
Rheological setpoint 0.16 0.2 0.16

तालिका 1. प्रवाहकीय स्याही, EDLC स्याही, और GPE स्याही के लिए अनुकूलित सॉफ़्टवेयर पैरामीटर।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

इस प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण चरण पैरामीटर मानों को ठीक से समायोजित करके डिज़ाइन किए गए पैटर्न को मुद्रित करने के लिए सॉफ़्टवेयर पैरामीटर सेटअप में शामिल हैं। अनुकूलित मुद्रण संरचनात्मक अनुकूलन और नए यांत्रिक गुण प्राप्त करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं19. सॉफ्टवेयर पैरामीटर नियंत्रण के साथ इंकजेट मुद्रण विधि का उपयोग मुद्रण प्रक्रिया के लिए अनुकूलित सामग्री का चयन करके विभिन्न उद्योगों में परिष्कृत मुद्रण के लिए किया जा सकता है।

इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग करके सुपरकैपेसिटर्स के निर्माण में, एक पेपर ने बताया कि अभी भी वर्दी और उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ एक पैटर्न विकसित करने की सीमा है। यह बताया गया है कि उच्च तापमान के बाद उपचार अभी भी आवश्यक है, और सामग्री की अनुकूलन प्रक्रिया अपरिहार्य है20। एक अन्य पेपर ने बताया कि इंकजेट प्रिंटिंग का ठीक से उपयोग करने के लिए, प्रिंटर पर निर्भर करने वाली अपेक्षाकृत संकीर्ण सीमा में चिपचिपाहट और सतह तनाव को समायोजित करना आवश्यक है। इस उद्देश्य के लिए, स्याही की सक्रिय सामग्री की एकाग्रता सीमित है। कुछ मामलों में, यह ध्यान दिया गया है कि सामग्री की पर्याप्त मात्रा जमा करने के लिए कई प्रिंट आवश्यक हैं21। इस प्रवृत्ति के अनुरूप, यह प्रोटोकॉल शोधकर्ताओं को इंकजेट प्रिंटर को संभालने के लिए सटीक तरीके प्रदान करके उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ पैटर्न को लागू करने में मदद कर सकता है। इसके अलावा, सॉफ़्टवेयर नियंत्रण पर महारत के साथ, कोई भी पर्याप्त सामग्री जमा करने के लिए कई बार प्रिंट किए बिना फीड दर और किक जैसे सॉफ़्टवेयर पैरामीटर को समायोजित करके विनिर्माण प्रक्रिया को सरल बना सकता है।

सटीक मुद्रण के लिए सॉफ़्टवेयर पैरामीटर नियंत्रण प्रस्तुत प्रोटोकॉल के अनुसार किया जा सकता है। हालांकि, मुद्रण विधि के आधार पर डिवाइस के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए कुछ बाधाओं को संबोधित किया जाना चाहिए। विभिन्न समस्याएं, जैसे स्याही फैलाने और clogging प्रभाव, सॉफ्टवेयर पैरामीटर मान22 के समायोजन के साथ स्याही की विशेषताओं के अनुकूलन की आवश्यकता है। स्याही के दो सबसे महत्वपूर्ण गुण चिपचिपाहट और सतह तनाव 23 हैं। इसलिए, स्याही की चिपचिपाहट 24 और सतह तनाव 25 को मापा जाना चाहिए और इसके अनुकूलन के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए। प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, स्याही के गुणों को पूरी तरह से समझना और उचित अनुपात के साथ सामग्री का चयन करना भी महत्वपूर्ण है।

संक्षेप में, एक सुपरकैपेसिटर डिवाइस को मुद्रित करने के लिए इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग करने के लिए यहां एक प्रोटोकॉल स्थापित किया गया है। इंकजेट प्रिंटर को नियंत्रित करने वाले सॉफ़्टवेयर पैरामीटरों की चर्चा परिष्कृत मुद्रण प्रक्रियाओं को संभालने और अनुकूलित करने के लिए एक उपयोगी मार्गदर्शिका के रूप में यहां प्रदान की गई है। ऊर्जा भंडारण, लचीले सेंसर, और एयरोस्पेस उद्योग के लिए पहनने योग्य उपकरणों को मुद्रित करने में आगे की प्रगति स्याही सामग्री अनुकूलन के माध्यम से प्राप्त की जा सकती है।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखकों के पास कोई खुलासा नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को कोरिया इलेक्ट्रिक पावर कॉर्पोरेशन (अनुदान संख्या: R21XO01-24) द्वारा समर्थित किया गया था, कोरियाई MOTIE के उद्योग विशेषज्ञों के लिए योग्यता विकास कार्यक्रम KIAT द्वारा संचालित (सं। P0012453), और चुंग-आंग विश्वविद्यालय स्नातक अनुसंधान छात्रवृत्ति 2021।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2” x 3” FR­4 board Voltera SKU: 1000066 PCB substrate
Activated carbon MTI Np-Ag-0530HT
Eagle CAD Autodesk PCB CAD program
Ethyl cellulose Sigma Aldrich 46070 48.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis
Flex 2 conductive ink Voltera SKU: 1000333 Flexible Ag ink
Lithium perchlorate Sigma Aldrich 634565
Propylene carbonate Sigma Aldrich 310328
PVDF Sigma Aldrich 182702 average Mw ~534,000 by GPC
Smart Manager ZIVE LAB ver : 6. 6. 8. 9 Electrochemical analysis program
Super-P Hyundai
Terpineol Sigma Aldrich 432628
Thinky mixer Thinky ARE-310 Planetary mixer
Triton-X Sigma Aldrich X100
V-One printer Voltera SKU: 1000329 PCB printer
ZIVE SP1 Wonatech Potentiostat device

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817 (2017).
  2. Liang, K., Carmone, S., Brambilla, D., Leroux, J. -C. 3D printing of a wearable personalized oral delivery device: A first-in-human study. Science Advances. 4 (5), (2018).
  3. Joshi, S. C., Sheikh, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping. 10 (4), 175-185 (2015).
  4. Wang, S., et al. Paper-based chemiluminescence ELISA: Lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing. Biosensors and Bioelectronics. 31 (1), 212-218 (2012).
  5. Vohra, V., et al. Low-cost and green fabrication of polymer electronic devices by push-coating of the polymer active layers. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (30), 25434-25444 (2017).
  6. Schüffelgen, P., et al. Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices. Nature Nanotechnology. 14 (9), 825-831 (2019).
  7. Karim, N., Afroj, S., Tan, S., Novoselov, K. S., Yeates, S. G. All inkjet-printed graphene-silver composite ink on textiles for highly conductive wearable electronics applications. Scientific Reports. 9 (1), 8035 (2019).
  8. Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-Process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
  9. An, B., et al. Three-dimensional multi-recognition flexible wearable sensor via graphene aerogel printing. Chemical Communications. 52 (73), 10948-10951 (2016).
  10. Ko, S. H., Chung, J., Hotz, N., Nam, K. H., Grigoropoulos, C. P. Metal nanoparticle direct inkjet printing for low-temperature 3D micro metal structure fabrication. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (12), 125010 (2010).
  11. Li, J., et al. Efficient inkjet printing of graphene. Advanced Materials. 25 (29), 3985-3992 (2013).
  12. Burke, A. Ultracapacitors: why, how, where is the technology. Journal of Power Sources. 91 (1), 37-50 (2000).
  13. Qorbani, M., Khajehdehi, O., Sabbah, A., Naseri, N. Ti-rich TiO2 tubular nanolettuces by electrochemical anodization for all-solid-state high-rate supercapacitor devices. ChemSusChem. 12 (17), 4064-4073 (2019).
  14. Areir, M., Xu, Y., Harrison, D., Fyson, J. 3D printing of highly flexible supercapacitor designed for wearable energy storage. Materials Science and Engineering: B. 226, 29-38 (2017).
  15. Fialkov, A. S. Carbon application in chemical power sources. Russian Journal of Electrochemistry. 36 (4), 345-366 (2000).
  16. Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal of Power Sources. 157 (1), 11-27 (2006).
  17. Egorov, V., Gulzar, U., Zhang, Y., Breen, S., O'Dwyer, C. Evolution of 3D printing methods and materials for electrochemical energy storage. Advanced Materials. 32 (29), 2000556 (2020).
  18. Seol, M. -L., et al. All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process. ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).
  19. Park, S. H., Kaur, M., Yun, D., Kim, W. S. Hierarchically designed electron paths in 3D printed energy storage devices. Langmuir. 34 (37), 10897-10904 (2018).
  20. Sajedi-Moghaddam, A., Rahmanian, E., Naseri, N. Inkjet-printing technology for supercapacitor application: Current state and perspectives. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (31), 34487-34504 (2020).
  21. Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).
  22. Kim, J., Kumar, R., Bandodkar, A. J., Wang, J. Advanced materials for printed wearable electrochemical devices: A review. Advanced Electronic Materials. 3 (1), 1600260 (2017).
  23. Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chemistry of Materials. 13 (10), 3299-3305 (2001).
  24. Zhou, Z., et al. High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations. Additive Manufacturing. 29, 100792 (2019).
  25. Ebnesajjad, S. Handbook of Adhesives and Surface Preparation. Ebnesajjad, S. , William Andrew Publishing. 21-30 (2011).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 177
चिप आधारित सुपरकैपेसिटर के निर्माण के लिए इंकजेट प्रिंटर का विस्तृत नियंत्रण
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Choi, S., Kang, J., Jang, S., Eom,… More

Choi, S., Kang, J., Jang, S., Eom, H., Kwon, O., Shin, J., Nam, I. Elaborate Control of Inkjet Printer for Fabrication of Chip-based Supercapacitors. J. Vis. Exp. (177), e63234, doi:10.3791/63234 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter