Summary
В этой статье представлена методика изготовления суперконденсаторов на основе чипов с использованием струйного принтера. Подробно описаны методики синтеза чернил, корректировки параметров программного обеспечения, анализа электрохимических результатов изготовления суперконденсатора.
Abstract
В различных областях предпринимаются огромные усилия по применению метода струйной печати для изготовления носимых устройств, дисплеев и накопителей энергии. Однако для получения высококачественной продукции требуются сложные навыки работы в зависимости от физических свойств чернильных материалов. В связи с этим оптимизация параметров струйной печати так же важна, как и развитие физических свойств чернильных материалов. В данном исследовании представлена оптимизация параметров программного обеспечения струйной печати для изготовления суперконденсатора. Суперконденсаторы являются привлекательными системами хранения энергии из-за их высокой плотности мощности, длительного срока службы и различных применений в качестве источников питания. Суперконденсаторы могут использоваться в Интернете вещей (IoT), смартфонах, носимых устройствах, электромобилях (EV), больших системах хранения энергии и т. Д. Широкий спектр применений требует нового метода, который может изготавливать устройства в различных масштабах. Метод струйной печати может прорваться через обычный метод изготовления фиксированного размера.
Introduction
В последние десятилетия было разработано несколько методов печати для различных применений, включая носимые устройства1, фармацевтические препараты2 и аэрокосмические компоненты3. Печать может быть легко адаптирована для различных устройств, просто изменяя используемые материалы. Кроме того, это предотвращает потерю сырья. Для производства электронных устройств было разработано несколько методов печати, таких как трафаретная печать4, push-coating5 и литография6 . По сравнению с этими технологиями печати метод струйной печати имеет множество преимуществ, включая сокращение отходов материала, совместимость с несколькими подложками7, низкую стоимость8, гибкость9, низкотемпературную обработку10 и простоту массового производства11. Однако применение метода струйной печати вряд ли было предложено для некоторых сложных устройств. Здесь мы представляем протокол, устанавливающий подробные рекомендации по использованию метода струйной печати для печати суперконденсаторного устройства.
Суперконденсаторы, включая псевдоконденсаторы и электрохимические двухслойные конденсаторы (EDLC), становятся накопителями энергии, которые могут дополнять обычные литий-ионные батареи12,13. В частности, EDLC является перспективным накопителем энергии из-за его низкой стоимости, высокой плотности мощности и длительного срока службы14. Активированный уголь (AC), имеющий высокую удельную площадь поверхности и проводимость, используется в качестве электродного материала в коммерческих EDLC15. Эти свойства переменного тока позволяют EDLC иметь высокую электрохимическую емкость16. EDLC имеют пассивный объем в устройствах, когда используется обычный метод изготовления фиксированного размера. Благодаря струйной печати EDLC могут быть полностью интегрированы в дизайн продукта. Таким образом, устройство, изготовленное с использованием метода струйной печати, функционально лучше, чем устройство, изготовленное по существующим методологиям фиксированного размера17. Изготовление EDLC с использованием эффективного метода струйной печати максимизирует стабильность и долговечность EDLC и обеспечивает свободный форм-фактор18. Шаблоны печати были разработаны с использованием программы PCB CAD и преобразованы в файлы Gerber. Разработанные шаблоны были напечатаны с помощью струйного принтера, поскольку он имеет точное программное управление, высокую пропускную способность материала и стабильность печати.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Проектирование шаблона с помощью программы САПР для печатных плат
- Запустите программу САПР. Нажмите на кнопку Файл в окне программы. Чтобы сформировать новый файл проекта, нажмите на кнопки Создать и Проект .
- Чтобы сгенерировать файл доски, нажмите кнопки Файл, Создать и Доска по порядку. Задайте размер сетки, множественные значения и значения alt, нажав кнопку Сетка в форме сетки в левом верхнем углу созданного окна Файл доски (или щелкнув Вид и Сетка по порядку в верхней части окна).
- Измените размер сетки и значение alt с мм на дюйм, чтобы струйный принтер мог считывать шаблон САПР печатной платы. Нажмите Finest , чтобы внести точные изменения.
- Проектирование рисунка токосъемника и линии EDLC в интердигитированном виде. Спроектируйте рисунок гель-полимерного электролита (GPE) и токосъемников в прямоугольной форме (рисунок 1).
ПРИМЕЧАНИЕ: Ширина узора: 43 мм, высота узора: 55 мм, длина линии: 40 мм, ширина линии: 1,0 мм, пространство от линии до строки: 1,5 мм и размер площадки: 15 x 5 мм2.- Поскольку окончательный паттерн состоит из трех типов (проводящая линия, EDLC и GPE), установите три слоя следующим образом.
- Нажмите «Настройки вида и слоя» по порядку в верхней части окна. Создайте новые слои, нажав кнопку «Новый слой» в левом нижнем углу окна «Видимые слои».
- В новом окне (Новый слой) задайте имя и цвет нового слоя. Для визуального различения слоев задайте имена трех слоев в значение Токосъемник, EDLC и GPE и измените соответствующие цвета, щелкнув поле справа от Цвета.
- Нажмите Line в левом нижнем углу экрана, нажмите на основное поле (черный фон) и перетащите, чтобы нарисовать линию. Чтобы изменить толщину линии, введите значение Width, расположенное в верхнем центре в масштабе дюйма (1,0 мм = 0,0393701 дюйма).
- Чтобы отредактировать длину строки, щелкните правой кнопкой мыши на строке и выберите Свойства внизу. В полях От и До введите значения x и y начальной и конечной точек.
- Чтобы установить контрольную точку шаблона, установите верхний левый угол шаблона, показанного на рисунке 1, на (0,0). Нарисуйте остальную часть шаблона на основе приведенной выше информации.
- Чтобы установить нарисованный узор на нужный слой, щелкните правой кнопкой мыши на шаблоне и выберите Свойства. Затем нажмите « Слой» и выберите нужный слой.
- Чтобы нарисовать прямоугольные узоры токоприемника и GPE, нажмите Rect в левом нижнем углу главного окна. Щелкните и перетащите указатель мыши на экран (основное поле), где существует ранее нарисованный узор.
- Чтобы отредактировать, щелкните правой кнопкой мыши на прямоугольной поверхности и нажмите «Свойства» внизу. Введите верхнее левое (x,y) значение и нижнее правое (x,y) значение прямоугольника в полях From и To соответственно. Установите для прямоугольника нужный слой, как описано в шаге 1.4.5.
- Поскольку окончательный паттерн состоит из трех типов (проводящая линия, EDLC и GPE), установите три слоя следующим образом.
- Преобразуйте CAD-файл разработанного шаблона в формат файла Gerber, который считывается струйным принтером.
- Перед преобразованием разработанного файла шаблона сохраните файл доски в формате .brd. Чтобы сохранить, нажмите Файл, а затем на Сохранить (или нажмите CTRL + S на клавиатуре).
- После сохранения нажмите «Файл» в верхней части окна и нажмите «Процессор CAM». Чтобы создать gerber-файл нужного слоя, измените элементы в разделе Gerber выходных файлов в левой части окна следующим образом.
- Во-первых, удалите подсписки, такие как Top Copper и Bottom Copper , нажав кнопку '-' ниже. Нажмите «+» и нажмите « Новый вывод Гербера», чтобы создать вывод Гербера.
- В правой части экрана задайте для имени слоя в поле Имя и Функция значение Медь , нажав шестеренку справа. Установите для параметра Тип слоя значение Top и установите для параметра Gerber Layer Number токосъемника, EDLC и GPE значение L1, L2, L3 соответственно.
- В окне «Слои» в нижней части файла Gerber нажмите « Редактировать слои» в левом нижнем углу и выберите каждый нужный слой.
- Чтобы задать имя создаваемого выходного файла, задайте для параметра Gerber Filename элемента Output в нижней части окна значение %PREFIX/%NAME.gbr.
- Наконец, нажмите «Сохранить задание» в левом верхнем углу окна, чтобы сохранить настройки. Нажмите на Задание процесса в правом нижнем углу, чтобы создать файл Gerber.
2. Синтез чернил
ПРИМЕЧАНИЕ: Гибкие чернила Ag используются в качестве проводящих чернил для линии токосъемника и колодок.
- Приготовьте чернила EDLC с использованием терпинеола, этилцеллюлозы, активированного угля (AC), Super-P, поливинилидендифторида (PVDF) и Triton-X следующим образом.
- Используйте 2,951 мкл терпинеола с высокой вязкостью в качестве растворителя и 1,56 г этилцеллюлозы в качестве загустителя. Установите отношение AC к Super-P к PVDF как 7:2:1 с общим весом 1,8478 г. Кроме того, используйте 49 мкл Triton-X в качестве поверхностно-активного вещества для смешивания.
- Перемешайте все материалы в течение 30 минут с помощью планетарного смесителя. Поместите хорошо смешанный электродный материал в картридж для струйного принтера и центрифугируйте его при 115 х г в течение 5 мин.
- Приготовьте чернила GPE с использованием пропиленкарбоната (PC), PVDF и перхлората лития (LiClO4) следующим образом.
- Используйте PC в качестве растворителя, PVDF в качестве полимерной матрицы и LiClO4 в качестве соли. Взвешивайте все компоненты GPE таким образом, чтобы конечная молярная концентрация LiClO4 составляла 1 М, а конечный весовой % PVDF составлял 5 мас.%.
- Перемешайте все компоненты при 140 °C в течение 1 ч до растворения. После перемешивания достаточно охладите чернила GPE и поместите их в картридж.
3. Настройка параметров программного обеспечения струйного принтера
- Запустите программу принтера. Нажмите кнопку Print , выберите Simple, а затем выберите Flexible Conductive Ink в порядке, как показано на рисунке 2.
- Загрузите файл Gerber разработанного шаблона, следуя стрелке 1 на рисунке 3. Выберите и откройте файл Gerber проводящей линии (см. стрелки 2 и 3 на рисунке 3). Нажмите на кнопку NEXT , как указано стрелкой 4.
- Закрепите плату печатной платы, как показано на рисунке 4A, и установите датчик, как показано на рисунке 4B.
- Отрегулируйте нулевую точку печатного принтера через зонд, нажав на кнопку OUTLINE (см. красную стрелку 1,4 на рисунке 5).
ПРИМЕЧАНИЕ: Зонд перемещается по плате печатной платы, показывая контур узора (см. нижний правый угол рисунка 5). - Переместите изображение узора по экрану путем перетаскивания (см. желтую пунктирную стрелку на рисунке 5). Нажмите кнопку OUTLINE еще раз, чтобы проверить, движется ли зонд по нужному пути. Нажмите на NEXT (обозначен стрелкой 5 на рисунке 5).
- Нажмите на PROBE , чтобы измерить высоту подложки, чтобы проверить, является ли подложка плоской (рисунок 6).
ПРИМЕЧАНИЕ: Область зондирования на подложке автоматически выбирается программой, встроенной в принтер. - Снимите зонд после завершения измерения высоты. Вставьте картридж с чернилами в дозатор чернил и подключите сопло (внутренний диаметр: 230 мкм) для подготовки дозатора.
- Установите каждый дозатор чернил (проводящая линия, EDLC, GPE) и распечатайте образец образца, нажав кнопку CALIBRATE , при этом регулируя параметры каждого чернила (рисунок 7).
- Визуально проверьте результат печати и запишите значения параметров для каждого чернила. Подробности см. в разделе Репрезентативные результаты .
4. Печать проводящей линии
ПРИМЕЧАНИЕ: Начиная с шага 4.1. до 4.7. пересекаются с разделом 3, они лишь кратко резюмируются ниже.
- Запустите программу струйного принтера, нажмите «Печать» в меню «Пуск» и выберите «Простой» (рисунок 1).
- Нажмите кнопку Выбрать файл рядом с Ink , чтобы загрузить разработанный файл шаблона, и нажмите NEXT (рисунок 3).
- Закрепите плату печатной платы на принтере и установите зонд (рисунок 4).
- Проверьте положение рисунка на подложке и измерьте высоту подложки (рисунок 5 и рисунок 6).
- Снимите зонд, а затем установите дозатор проводящих чернил (гибких чернил Ag).
- Измените программные параметры проводящих чернил, нажав на кнопку Settings (см. рисунок 7 и таблицу 1).
- Распечатайте образец шаблона, чтобы проверить, является ли настройка из шага 4.6 успешной.
- Сотрите образец печатного шаблона чистящей салфеткой, смоченной этанолом.
- Распечатайте разработанный рисунок проводящей линии нажатием кнопки START .
- После печати отверните проводящую линию при 180 °C в течение 30 мин. Затем измерьте комбинированный вес подложки и проводящей линии.
5. Печать линии EDLC
- Выберите параметр Выровнять на начальном экране программы принтера. Загрузите файл шаблона строки EDLC и нажмите кнопку ДАЛЕЕ (см. шаг 3.2).
- Убедитесь, что положение проводящей линии определяется через две точки выравнивания, чтобы выровнять положения паттерна линии EDLC и проводящей линии. Затем перейдите к случайной точке и проверьте, правильно ли расположено.
- Измерьте общую высоту проводящей линии, чтобы проверить высоту сопла дозатора над проводящей линией, нажав на кнопку PROBE (см. Рисунок 6).
- Изменение значений программных параметров чернил EDLC (рисунок 7 и таблица 1).
- Распечатайте образец шаблона, чтобы проверить, соответствуют ли значения параметров программного обеспечения. Сотрите образец печатного шаблона чистящей салфеткой, смоченной этанолом. Распечатайте строку EDLC, нажав кнопку START .
- Высушите напечатанную линию EDLC в течение ночи при комнатной температуре, чтобы испарить растворитель.
- Чтобы рассчитать вес высушенной линии EDLC, измерьте комбинированный вес подложки, проводящей линии и линии EDLC.
6. Печать шаблона GPE
- Выберите параметр Выровнять на начальном экране программы принтера. Загрузите файл Gerber шаблона GPE и нажмите кнопку ДАЛЕЕ (см. шаг 3.2).
- Проверьте точки выравнивания и перейдите к любой точке, чтобы проверить, является ли позиция правильной.
- Измерьте высоту линии EDLC, чтобы установить высоту по умолчанию для сопла.
- Изменение значений программных параметров чернил GPE (рисунок 7 и таблица 1).
- Распечатайте образец шаблона, чтобы проверить, соответствуют ли значения параметров программного обеспечения.
- Сотрите образец печатного шаблона чистящей салфеткой, смоченной этанолом. Распечатайте шаблон GPE.
- Чтобы иметь процесс стабилизации и испарить остаточный растворитель, высушите рисунок GPE при комнатной температуре в течение 24 ч.
7. Электрохимический тест
- Выполните электрохимические измерения для струйно-печатного суперконденсаторного устройства, выполнив следующие действия. Включите устройство потенциостата и запустите программу для измерения циклической вольтамперометрии (CV), гальваностатического заряда / разряда (GCD) и электрохимической импедансной спектроскопии (EIS).
- Подключите потенциостат к суперконденсаторному устройству, напечатанному ранее.
ПРИМЕЧАНИЕ: В потенциостате используются четыре соединительные линии: рабочий электрод (WE), рабочий датчик (WS), встречный электрод (CE) и электрод сравнения (RE). - Подключите линию WS к линии WE, а линию RE к линии CE, так как изготовленное устройство представляет собой симметричный суперконденсатор.
- Подключите линии WE\WS и CE\RE к противоположным токосъемникам на суперконденсаторном устройстве.
- Подключите потенциостат к суперконденсаторному устройству, напечатанному ранее.
- Создайте последовательность резюме и запустите ее, чтобы получить результат.
- Запустите программу для создания файла последовательности.
- Нажмите на кнопку Новая последовательность .
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы сгенерировать шаг 1.
- Проверьте, равен ли потенциал, отображаемый потенциостатом, 0 В или нет. Если потенциал не равен 0 В, сделайте следующее.
- Установите для параметра Control значение CONSTANT, а для параметра Configuration задайте для параметра Тип как PSTAT, Mode как NORMAL и Range как AUTO. Для параметра Напряжение (В) установите Ref. как Eref, а Value как 0.
- Для условия-1 условия отсечения установите Item в качестве Step Time, OP как >=, DeltaValue как 1:00 и Go Next как Next. Для настройки Разное нажмите кнопку Выборка и установите Item как Time(s),OP как >= и DeltaValue как 30.
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы создать следующий шаг.
- Установите Control как SWEEP, а для Параметра Конфигурация задайте Тип как PSTAT, Режим как CYCLIC и Диапазон как AUTO. Для начальных (V) и средних (V) установите Ref. как Eref, Value как 0. Для параметра Final (V) установите для параметра Ref. значение Eref, а для value — значение 800.00e-3.
- Используйте скорость сканирования напряжения 5, 10, 20, 50 и 100 мВ/с. Поэтому, в соответствии с каждой скоростью сканирования, установите Scanrate (V / s) как 5.0000e-3, 10.000e-3, 20.000e-3, 50.000e-3 и 100.00e-3 соответственно.
- Для всех скоростей сканирования установите для параметра Тихое время (тихие часы) равным 0, а сегменты — 21. Для условия-1 условия отсечения установите элемент в качестве конца шага и перейдите далее как следующий.
- Для параметра Разное нажмите кнопку Выборка и установите Элемент как Time(s) и OP как >=. Для каждой скорости сканирования установите значение DeltaValue равным 0,9375, 0,5, 0,25, 0,125 и 0,0625.
- Нажмите на кнопку Сохранить как , чтобы сохранить файл последовательности теста CV.
- Нажмите «Применить к CH» и запустите файл последовательности теста CV, чтобы получить результат.
- Сгенерируйте последовательность GCD и запустите ее, чтобы получить результат.
- Запустите программу для создания файла последовательности.
- Нажмите на кнопку Новая последовательность .
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы сгенерировать шаг 1.
- Проверьте, равен ли потенциал, отображаемый потенциостатом, 0 В или нет. Если потенциал не равен 0 В, сделайте следующее.
- Установите Control как CONSTANT и для Configuration, установите Type как PSTAT, Mode как NORMAL и Range как AUTO. Для параметра Напряжение (В) установите Ref. как Eref, Value как 0.
- Для условия-1 условия отсечения задайте для параметра Item значение Step Time, OP — значение >=, DeltaValue — значение 1:00 и Go Next ( Далее — Next. Для параметра Разное нажмите кнопку Выборка и задайте для параметра Item значение Time(s), OP как >= и DeltaValue как 30.
- Нажмите кнопку Добавить, чтобы создать следующий шаг (Шаг зарядки).
- Установите для параметра Control значение CONSTANT, а для параметра Configuration задайте значение Type (GSTAT), Mode (NORMAL) и Range (AUTO). Для параметра Current (A) установите для параметра Ref. значение ZERO.
- Плотность тока колеблется от 0,01 А/г до 0,02 А/г. Поэтому установите значение тока (A) для каждой плотности тока равным 310,26e-6 и 620,52e-6.
- Для условия-1 условия отключения установите Item как Voltage, OP как >=, DeltaValue как 800.00e-3 и Go Next как Next. Для параметра Разное задайте для параметра Item значение Time(s), OP как >= и DeltaValue как 1.
- Нажмите на кнопку Добавить , чтобы создать следующий шаг (Шаг разрядки).
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг устанавливается так же, как и шаг зарядки.- Установите значение тока (A) для каждой плотности тока в -310.26e-6 и -620.52e-6.
- Для условия-1 условия отключения установите Item как Voltage, OP как <=, DeltaValue как 0.0000e+0 и Go Next как Next. Для параметра Разное задайте для параметра Item значение Time(s), OP как >= и DeltaValue как 1.
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы создать следующий шаг (Шаг цикла).
- Задайте для параметра Control значение LOOP, а для параметра Конфигурация задайте значение Cycle(Цикл), а для параметра Итерация — значение 21.
- Для условия-1 условия отсечения установите элемент в списке 1 как цикл следующий. Для каждой плотности тока установите Go Next как STEP-2 для 0,01 A/g и STEP-5 для 0,02 A/g.
- Нажмите кнопку Сохранить как , чтобы сохранить файл последовательности теста GCD.
- Нажмите Применить к CH и запустите файл последовательности теста GCD для получения результата.
- Сгенерируйте последовательность EIS и запустите ее, чтобы получить результат.
- Запустите программу, которая может создать файл последовательности.
- Нажмите на кнопку Новая последовательность .
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы сгенерировать шаг 1.
- Установите для параметра Control значение CONSTANT и для параметра Конфигурация, для параметра Тип — значение PSTAT, Для параметра Mode — значение TIMER STOP, а для параметра Range — значение AUTO.
- Поскольку окно рабочего потенциала в этом исследовании установлено как от 0,0 до 0,8 В, для напряжения установите значение 400,00e-3, которое является средним значением окна рабочего потенциала. Установите Ref. как Eref.
- Нажмите кнопку Добавить , чтобы сгенерировать следующий шаг.
- Установите Control в качестве EIS, а для Параметра Конфигурация задайте Тип как PSTAT, Режим как LOG и Диапазон как AUTO.
- Установите частотный диапазон от 0,1 Гц до 1 МГц. Поэтому установите начальный (Гц) и средний (Гц) на 100,00e+6, а конечный (Гц) на 100,00e-3.
- Как упоминалось в разделе 7.4.3.2, установите значение смещения (V) равным 400.00e-3, а Ref. — Eref.
- Для поддержания линейного отклика установите амплитуду (Vrms) на 10.000e-3.
- Задайте для этого эксперимента значение Плотность как 10 и Итерацию как 1 .
- Нажмите кнопку Сохранить как , чтобы сохранить файл последовательности теста GCD.
- Нажмите Применить к CH и запустите файл последовательности теста EIS, чтобы получить результат.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Чернила синтезировали в соответствии со стадией 2, и характеристики чернил могли быть подтверждены в соответствии со ссылкой18. На рисунке 8 показаны структурные свойства проводящих чернил и чернил EDLC, а также реологические свойства чернил EDLC, о которых сообщалось в предыдущем исследовании18. Проводящие чернила хорошо спечены для формирования непрерывных проводящих путей, и ожидается, что наноразмерная шероховатость увеличит площадь контакта с чернилами EDLC (рисунок 8A, B). Чернила EDLC равномерно распределены в макроскопическом масштабе, но имеют очень шероховатую форму поверхности на микро- и наноуровне, что, возможно, обеспечивает высокую площадь поверхности и улучшает емкость хранения энергии. Все компоненты хорошо диспергированы и нет видимых элементов, которые могли бы вызвать засорение во время печати (рисунок 8C-F). На рисунке 8G показана временная эволюция кажущейся вязкости в чернилах EDLC. Значение вязкости увеличивается со временем сдвига и не проявляет вязкоупругого поведения; это указывает на поведение сдвига-утолщения без какого-либо структурного расширения, растяжения или перестановки, вызванного напряжением.
Печатный суперконденсатор был успешно получен с использованием настоящего протокола (рисунок 9B). Качество печати считается хорошим, если напечатанный рисунок имеет меньше или вообще не имеет дефектов (сравните рисунок 9B с 9A), минимальной шероховатости поверхности и равномерной толщины. Основными параметрами, влияющими на качество метода струйной печати, являются скорость подачи, удар, длина обрезки, расстояние защиты от нанизывания, реологическое заданное значение и соотношение плавного старта/остановки. В этом исследовании результаты печати линии (или слоя) GPE и EDLC оценивались на основе результатов печати проводящей линии.
Скорость подачи и скорость перемещения по оси XY во время дозирования определяют общее время печати. Они также оказывают значительное влияние на толщину линии и предотвращение проблем с отсечкой. Все линии были однородными без видимого отключения, когда скорость подачи была минимальной (100 мм/мин) (рисунок 10А); однако на печать продукта ушло много времени. Напротив, общее время печати уменьшалось, когда скорость подачи была максимальной (600 мм/мин) (рисунок 10D); однако, по сравнению с результатами, напечатанными со скоростью подачи 500 мм/мин (рисунок 10C), линия была отрезана или треснула, потому что дозатор двигался быстро. Скорость подачи 300 мм/мин признана оптимальной для правильного времени печати и предотвращения образования трещин (рисунок 10B). Kick управляет давлением, приложенным через длину хода поршня в дозаторе. Все линии были отключены, когда удар был слишком низким (минимальное значение равно 0,1 мм). Однако высокое давление при высоком ударе (максимальное значение равно 0,7 мм) создавало узкое место, приводящее к засорению сопла. Поэтому необходимо использовать соответствующее значение удара (0,35 мм), чтобы леска не сломалась, а сопло не засорилось (рисунок 11).
Длина дифферента представляет собой максимальное расстояние, пройденное за один дозирование, и имеет значение в диапазоне от 1 мм до 9999 мм. Принтер печатает грубо и занимает много времени, когда длина обрезки составляет 1 мм. Поэтому длина обрезки должна быть скорректирована в зависимости от общей длины рисунка. В этом протоколе длина обрезки была установлена как 120 мм (рисунок 12). Натяжка может образовываться на конце сопла, поскольку адгезия чернил к соплу выше, чем адгезия чернил к подложке на основе поверхностной энергии чернил. Расстояние защиты от нанизывания помогает безопасно разорвать струну, отодвигая сопло назад (рисунок 13). Реологическое заданное значение — это параметр, который компенсирует скорость потока для поддержания давления после дозирования. Дозирующее количество не увеличивается даже после печати рисунка, когда реологическое заданное значение находится на минимальном значении (0,0). Однако количество дозирования и скорость потока чернил увеличиваются, когда реологическое заданное значение находится на максимальном значении (1,0). Более того, засорение происходит из-за эффекта узкого места, когда реологическое заданное значение высокое. Таким образом, реологическое заданное значение необходимо регулировать в зависимости от вязкости и сжимаемости чернил (рисунок 14).
Коэффициент плавного пуска/остановки — это параметр, который регулирует разницу между временем начала удара (наддува) и стабилизацией расхода на основе свойств чернил (рисунок 15). Во время эксперимента по управлению настройкой параметров программного обеспечения трудно наблюдать какие-либо изменения в печати из-за изменений в проходном пространстве и значении установки следа проникновения. Поэтому эти два параметра должны быть зафиксированы отдельно на основе разработанного шаблона. Результаты эксперимента по управлению установкой следующие: расстояние между проходами, проникновение следов и длина обрезки должны быть скорректированы в зависимости от шаблона, который будет напечатан. Кроме того, скорость подачи, расстояние защиты от нанизывания, удар, соотношение плавного старта / остановки и реологическое заданное значение должны быть скорректированы в зависимости от свойств чернил. Поэтому значения параметров программного обеспечения для различных чернил (проводящие чернила, чернила EDLC и чернила GPE) были зафиксированы, как показано в таблице 1.
Электрохимические данные были получены, как описано в шаге 7 протокола. На рисунке 16A, B, C представлены данные CV, GCD и EIS, соответственно. Данные, показанные на рисунке 16А , были получены путем измерения CV. Гравиметрическая емкость, емкость ареала и емкость ячейки были рассчитаны как 5,74 F/ g, 142 мФ / см2 и 178 мФ / ячейка, соответственно, для скорости сканирования 5 мВ / с. Графики GCD (рисунок 16B) демонстрируют почти симметричную форму кривой, которая является характерным свойством EDLC. Кроме того, график EIS (рисунок 16C) иллюстрирует низкое значение Rs (5,29 Ω) и отсутствие значения Rct , которые типичны для EDLC.
Рисунок 1: Интердигитированный шаблон, разработанный с помощью программы САПР. Две подушечки в верхней части узора печатаются только токосъемными чернилами. Большой небесно-голубой квадрат напечатан гелевыми полимерными электролитными чернилами, а синие линии напечатаны чернилами EDLC и токосъемниками. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Изображение окна программы принтера. (A) Первый экран программы. Красная стрелка показывает, где находится кнопка Печать. (B) Второй экран программы. Красная стрелка показывает, где находится кнопка Simple. (C) Третий экран программы. Красная стрелка показывает, какие чернила следует выбрать. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Снимок экрана, показывающий, как загрузить файл Gerber разработанного шаблона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Снимок экрана, показывающий, как зафиксировать плату печатной платы и смонтировать зонд. (A) Изображение струйного принтера, на котором находится плата печатной платы. (B) Изображение струйного принтера спереди, на котором установлен зонд. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Снимок экрана, показывающий, как проверить движение зонда при изменении положения паттерна. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Снимок экрана, показывающий, как измерить высоту поверхности. После нажатия на PROBE зонд направляется в указанное место на подложке (обозначаемое кругами), а затем перемещается вниз и вверх, чтобы проверить высоту подложки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Снимок экрана, показывающий, как настроить параметры программного обеспечения и распечатать образец шаблона. (A) Изображение снимка экрана, показывающее процедуру печати образца шаблона. Красная стрелка указывает кнопку для печати образца узора, а желтая стрелка указывает кнопку для управления параметрами программного обеспечения для чернил. (B) Окно, которое появляется при нажатии желтой стрелки, показанной в пункте (A). Параметры программного обеспечения могут быть изменены путем изменения значений, указанных стрелкой 1. Нажмите стрелку 2, чтобы сохранить изменения в параметрах программного обеспечения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: SEM-изображение красок и печатных слоев, а также вязкость чернил EDLC. (А,Б) SEM-изображения токосъемника с видом сверху при (A) низком увеличении и (B) высоком увеличении. (C) Наклоненное SEM-изображение с боковым видом печатной пленки активного слоя EDLC. (Д-Ф) SEM-изображения сверху активного слоя EDLC с различными увеличениями. (G) Кажущаяся вязкость чернил EDLC по сравнению со временем сдвига для эксперимента с постоянной скоростью сдвига 0,3 с-1. Адаптировано с разрешения reference18. Авторское право (2020) Американское химическое общество. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Фотография напечатанных результатов. (A) Фотография сбоя печати; красная обведенная часть печатается неравномерно из-за сбоя печати. (B) Фотография конечной печатной продукции. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Печать результатов, соответствующих изменению скорости подачи. (A) 100 мм/мин, (B) 300 мм/мин, (C) 500 мм/мин и (D) 600 мм/мин. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 11: Печать результатов, соответствующих изменениям удара. (A) 0,1 мм, (B) 0,2 мм, (C) 0,35 мм и (D) 0,7 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 12: Результаты печати, соответствующие изменениям длины отделки. (A) 1,0 мм и (B) 50 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 13: Рисунки, показывающие, как движется дозатор путем регулировки параметра расстояния против нанизывания. (A) Движение сопла, когда значение расстояния анти-струн закреплено на максимальном значении (5,0 мм). (B) Фотография нанизывания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 14: Печать результатов, соответствующих изменению реологического заданного значения. (A) 0 и (B) 1.0. Красные круги в (B) показывают трещины (или отверстия), вызванные эффектом засорения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 15: Печать результатов, соответствующих изменению соотношения плавного пуска/мягкого останова. Вращение пилообразной пилы по часовой стрелке (красная стрелка) указывает на начало печати. (A) Максимальное значение мягкого старта и минимальное значение мягкого стопа, а также (B) минимальное значение мягкого старта и максимальное значение мягкого стопа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 16: Результаты электрохимических испытаний печатного суперконденсатора. (A) CV, (B) GCD и (C) EIS графики. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Параметр | Проводящие чернила | Чернила EDLC | Чернила GPE |
| Расстояние между проходами (мм) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Высота дозора (мм) | 0.12 | 0.14 | 0.16 |
| Скорость подачи (мм/мин) | 500 | 300 | 300 |
| Длина отделки (мм) | 120 | 120 | 120 |
| Следовое проникновение (мм) | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
| Расстояние по защите от нанизывания (мм) | 0.4 | 0.7 | 0.1 |
| Удар (мм) | 0.35 | 0.3 | 0.4 |
| Коэффициент плавного пуска | 0.1 | 0.8 | 0.8 |
| Мягкий коэффициент остановки | 0.15 | 0.1 | 0.15 |
| Реологическое заданное значение | 0.16 | 0.2 | 0.16 |
Таблица 1. Оптимизированные программные параметры для проводящих чернил, чернил EDLC и чернил GPE.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Критические шаги в этом протоколе связаны с настройкой параметров программного обеспечения для печати разработанного шаблона путем тонкой настройки значений параметров. Индивидуальная печать может привести к структурной оптимизации и получению новых механических свойств19. Метод струйной печати с программным управлением параметрами может быть использован для сложной печати в различных отраслях промышленности путем выбора оптимизированного материала для процесса печати.
При изготовлении суперконденсаторов с использованием струйной печати в одной статье сообщалось, что все еще существует предел для разработки шаблона с однородным и высоким разрешением. Сообщалось, что высокотемпературная постобработка по-прежнему необходима, а процесс оптимизации материала незаменим20. В другой статье сообщалось, что для правильного использования струйной печати необходимо регулировать вязкость и поверхностное натяжение в относительно узком диапазоне, который зависит от принтера. Для этого концентрацию активного вещества чернил ограничивают. В некоторых случаях было отмечено, что для депонирования достаточного количества материала21 необходимо несколько отпечатков. В соответствии с этой тенденцией этот протокол может помочь исследователям реализовать шаблоны с более высоким разрешением, предоставляя точные методы обработки струйных принтеров. Кроме того, с мастерством над программным управлением, можно упростить производственный процесс, регулируя параметры программного обеспечения, такие как скорость подачи и Kick, без необходимости печатать несколько раз, чтобы нанести достаточно материала.
Программное управление параметрами для точной печати может осуществляться в соответствии с представленным протоколом. Тем не менее, некоторые узкие места должны быть устранены для повышения производительности устройства на основе метода печати. Различные проблемы, такие как разбрасывание чернил и эффект засорения, требуют оптимизации характеристик самих чернил вместе с настройкой значений параметров программного обеспечения22. Двумя наиболее важными свойствами чернил являются вязкость и поверхностное натяжение23. Поэтому вязкость24 и поверхностное натяжение 25 чернил необходимо измерять и контролировать для их оптимизации. Для улучшения эксплуатационных характеристик также важно полностью понимать свойства чернил и подбирать материалы с соответствующими соотношениями.
Таким образом, здесь установлен протокол для использования струйной печати для печати суперконденсаторного устройства. Обсуждение параметров программного обеспечения, управляющего струйным принтером, было представлено здесь в качестве полезного руководства для обработки и оптимизации сложных процессов печати. Дальнейший прогресс в печати носимых устройств для хранения энергии, гибких датчиков и аэрокосмической промышленности может быть достигнут за счет оптимизации чернильного материала.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не раскрывают информацию.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Корейской электроэнергетической корпорацией (номер гранта: R21XO01-24), Программой развития компетенций для отраслевых специалистов корейской MOTIE, управляемой KIAT (No. P0012453) и стипендия Для аспирантов Университета Чунг-Анг 2021 года.
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 |
References
- Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817 (2017).
- 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).
- Joshi, S. C., Sheikh, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping. 10 (4), 175-185 (2015).
- 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).
- 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).
- Schüffelgen, P., et al. Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices. Nature Nanotechnology. 14 (9), 825-831 (2019).
- 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).
- Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-Process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
- An, B., et al. Three-dimensional multi-recognition flexible wearable sensor via graphene aerogel printing. Chemical Communications. 52 (73), 10948-10951 (2016).
- 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).
- Li, J., et al.
- Burke, A. Ultracapacitors: why, how, where is the technology. Journal of Power Sources. 91 (1), 37-50 (2000).
- 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).
- 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).
- Fialkov, A. S. Carbon application in chemical power sources. Russian Journal of Electrochemistry. 36 (4), 345-366 (2000).
- Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal of Power Sources. 157 (1), 11-27 (2006).
- 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).
- Seol, M. -L., et al. All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process. ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).
- 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).
- 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).
- Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).
- 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).
- Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chemistry of Materials. 13 (10), 3299-3305 (2001).
- 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).
- Ebnesajjad, S. Handbook of Adhesives and Surface Preparation. Ebnesajjad, S. , William Andrew Publishing. 21-30 (2011).
