Name: 전도성 잉크의 평면 및 3 차원 인쇄 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-09T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: 배우세요 직접 쓰기 조립 기술을 이용한 전도성 미세전극의 평면 및 3차원 인쇄 방법을 은 나노입자 잉크를 활용하여 복잡한 전자 및 생의학 기기를 제작하는 이 기법은 고해상도 구조 구현에 효과적입니다.

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이 자료는 에너지 미국학과, 재료 과학 및 공학 부문 (보너스 번호 DEFG - 02 - 07ER46471)와 가벼운 소재의 DOE 에너지 연구 센터 에너지 전환의 상호 작용 (지원 업무를 기반으로 수상 번호 DE - SC0001293 ), 그리고 프레드릭 Seitz 재료 연구소 (FSMRL) 이내에 자료 Microanalysis 센터에 대한 액세스 권한에서 benefitted.

1. 소개 <ol><li> 본 논문은 1D, 2D, 그리고 직접 작성 조립을 통해 전도성 microelectrodes의 3D 프린팅을 보여줍니다. </li><li> 직접 쓰기 조립 잘 노즐을 통해 집중 잉크의 증착에 의해 1D - 투 - 3D 인쇄 구조를 구축하는 방법입니다. </li><li> 저희 시스템은 컴퓨터 제어 3 축 번역 무대, 잉크 탱크와 노즐, 및 이미징에 대한 10X 망원 렌즈 (그림 1)으로 구성되어 있습니다. </li><li> 직접 쓰기 어셈블리 집중 잉크는 그의 직경 0.1 μm의 250 (그림 2) 범위 원통형 노즐을 통해 압출하는 섬사의 인쇄 방식입니다. 특히, 점탄성 잉크의 특성으로 인해, 직접 작성 어셈블리는 자동으로 지원 스패닝 기능 (그림 3) 수 있습니다. 지금까지, 세라믹 6,7로 구성된 이들, 유기농 80-10, 11-15 금속, 고분자 16,17, 및 솔 - 겔 18,19 재료를 포함한 잉크 다양한는있다이러한 인쇄 방식 (그림 4)에 대한 개발. </li></ol> 2. 고농도 실버 nanoparticle 잉크의 준비 <ol><li> 실버 nanoparticle 잉크가 먼저 50g의 물과 40g diethanolamine (비디오 2.1)의 혼합물에 5,000 조화와 폴리 (아크릴 산)의 50,000 분자량을 해소하여 준비가되어 있습니다. </li><li> 폴리머는 은색 nanoparticles의 크기를 제어하는​​ 상한 대리인 역할을합니다. </li><li> 다음 실버 질산염의 수용액은 폴리머 솔루션으로 주입됩니다. 또한 후, 밝은 노란색 투명한 솔루션 (비디오 2.2) 얻습​​니다. </li><li> 상온에서 24 시간을위한 교반 후,이 솔루션은 전송 전자 현미경에 의해 결정 5 나노미터 직경의 은색 nanoparticles의 형성과 일치 붉은 갈색 색상 (비디오 2.3), 개발하고 있습니다. </li><li> 다음 솔루션은 65 ° C 이상 입자 성장 (비디오 2.4)에 대한 2 시간의 물을 욕조에 sonicated됩니다. </li><li> AfteR sonication은 솔루션 500 ML의 비커에 전송하고 실온으로 냉각됩니다. 그런 다음, 에탄올 300 ML 30 ML / 분 속도로 titrated 수 있습니다. 에탄올은 에이전트 상한 폴리 (아크릴산)에 대한 불쌍한 용제이기 때문에, 입자 급속 응고 및 솔루션 (비디오 2.5)에서 침전. </li><li> 뜨는을 decanting 후, 침전물은 원심 튜브에 수집되고 20 분 동안 9000 RPM (비디오 2.6)에서 centrifuged. </li><li> 이 단계 이후 ~ 85 wt %의로드 고체와 고농도 실버 nanoparticle 잉크는 (비디오 2.7) 얻습니다. </li><li> 잉크 점도와 탄성 계수를 통해 추가 제어 균질 다음, 희석에 의해 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 에틸렌 글리콜과 같은 humectant 솔루션, 잉크에 추가할 수 있습니다 다음 Thinky 균질 혼합기를 사용하여 삼분 2000 rpm으로 균질. 이 과정 후, 마젠타 색상에 푸른빛이 도는의 균일한 잉크 (비디오 2.8) 얻습니다. </li><li> TEM 이미지가 표시됩니다은색이 합성 절차 (그림 5_left)에 의해 얻어 nanoparticles. 입자는 50-50 나노미터의 크기 분포 20 NM의 의미 직경 있습니다. 인쇄 구조는 전도성을 향상시키기 위해 사후 풀림 필요합니다. 30 분 250 ° C에서 어닐링 후, 실버 nanoparticles는 전기 저항이 10 -5 Ω • cm (그림 5_bottom 오른쪽)에 접근과 전도성 microelectrodes를 형성하고 있습니다. 온도를 어닐링의 함수로 인쇄된 실버 microelectrodes의 microstructural 진화는 그림 5_top 오른쪽에 표시됩니다. 온도가 150 °에서 550 ° C 증가로서, microelectrodes은 ~ 30 %의 총 판매량의 수축과 densification을 받다 11. </li><li> 강력의 고체 로딩에 따라 잉크 레올로지은 그 printability를 결정합니다. 증가 고체로드와 잉크 점도가 증가 (그림 6). 때문에 중요한 측면 확산, concentr의 낮은 점도의 결과로 희석 잉크70 85 wt %로까지 고체 로딩과 ated 잉크는 평면 및 스패닝 잉크 필라멘트의 인쇄가 필요합니다. </li><li> 증가 고체로드와 잉크 탄성 계수가 증가 (그림 7). 고체가 증가에게 60-75 wt %를 로딩로 선형 점탄성 영역에서 탄성 계수는​​ 진도의 거의 3 명령을 오른다. 2000 아빠의 최소 탄성 계수는​​ 자체 지원 또는 기능을 스팬을 생산하는 데 필요합니다. </li></ol> 3. 직접 작성 어셈블리 <ol><li> 직접 쓰기 어셈블리가 먼저 주사기 배럴에 잉크를 로딩에 의해 수행됩니다. 증착 노즐을 장착 후 잉크 로드된 주사기 배럴은 3 축 인쇄 단계 (비디오 3.1)에 마운트됩니다. </li><li> 컴퓨터 프로그램, 선형, 평면, 복잡한 입체 구조가 쉽게 (비디오 3.2) 생성할 수를 포함하여 임의의 디자인을 사용합니다. </li><li> 다음 노즐의 높이가 10 배 줌 (비디오 3.3)와 망원경 렌즈의 도움으로 조정됩니다. </li> 공기 구동 유체 분배 시스템을 사용하여 압력을 적용 후, 잉크는 제한된 인쇄 속도 (비디오 3.4)와 기판에 입금됩니다. 필요한 압력이 잉크 레올로지, 노즐 직경 및 인쇄 속도에 달려 있지만, 전형적인 값은 20-500 μm의 / s의에서 10-100 PSI를 범위 이 인쇄가 상온에서 공기에 수행됩니다. 이 인쇄 프로 시저를 사용하여, 다른 레이아웃과 크기의 비늘에서 실버 microelectrodes의 인쇄가 증명됩니다. <li> 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 기판에 5 μm의 노즐에 의한 패턴 100 μm의의 중심지 - 투 - 센터 라인 간격 전도성 실버 격자의 인쇄 (비디오 3.5) 증명입니다. </li><li> 또한,이 비디오는 계층별로 레이어 인쇄 방법 (비디오 3.6)를 사용하여 30 μm의 노즐로 높은 비율 원통형 구조를 만드는 방법을 보여줍니다. </li><li> 또한, 두 유리 기판 사이에 실버 microelectrodes의 전방향 인쇄 1 mm 높이 DI에 의해 상쇄fference는 30 μm의 노즐 (비디오 3.7)를 사용하여 증명입니다. </li><li> 완전 무료 - 서, 세로 인쇄 실버 microspikes은시 웨이퍼 기판 (비디오 3.8)에 30 μm의 노즐에 의해 만들 수 있습니다. </li><li> 마지막으로,이 비디오는 10 μm의 노즐 (비디오 3.9)을 사용하여 스패닝 실버 microelectrode 직접 작성을 보여줍니다. 인쇄 기능은 최소한의 처진 또는 좌굴과 일cm에 거리를 스팬 수 있습니다. </li></ol> 4. 대표 결과 : 우리는 고도로 집중 실버 nanoparticle 잉크를 준비하고 인쇄 해상도 ~ 2 전자 및 광전자 애플 리케이션을위한 평면 및 3D 그림의 전도성 기능을 인쇄 시연 - 30 μm의. 예를 들어, 8 개의 전시이 기법의 인쇄 해상도를 그림. ~ 2 μm의 (1.4 μm의 두께)의 최소 전극 폭 인쇄 기능은 1 μm의 노즐 11을 사용하여 단일 패스에서 얻을 수 있습니다. 그림 9보기유연한에 5 μm의 노즐에 의한 패턴의 투명 전도성 은색 격자는 필름 12 polyimide. 인쇄된 격자 아래 텍스트는 명확하게 볼 수 있습니다. 이러한 투명 은색 격자는 투명 실시 산화물 (TCO) 재료에 대한 매력적인 대안 수 있습니다. 비 - 평면 기판에 등각 인쇄도이 방법에 의해 활성화됩니다. 그림 10은 3 차원 전기 소형 안테나의 등각 인쇄 보여줍니다. 100 μm의 금속 노즐은 유리의 표면 북반구 13 meander 라인 패턴을 인쇄하는 데 사용됩니다. 이러한 접근 방식은 implantable과 착용할 수있는 안테나, 전자 및 센서 등 여러 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다. 입체 태양 전지와 발광 다이오드의 스패닝 실버 microelectrodes의 응용은 (그림 11-14) 시연하고 있습니다. 첫째, 그림 11은 실리콘 구면 껍질의 예입니다. 2 μm의 t이 얇은 필름hickness는 전방향 인쇄 14 외부 회로에 와이어 접착 수 있습니다. 이 방법은 섬세한 장치에 매우 유익 최소한의 접촉 압력을 사용합니다. 다음 그림 12은 실리콘 microribbon 요소가 33 - μm의 간격이 15로 구분되는 실리콘 태양 microcell 배열에 대한 스팬 상호를 인쇄의 예를 보여줍니다. 다음 그림 13 보여주는 실버 4별로 4 픽셀, 각 픽셀 (500 X 500 X 2.5 μm의 3이) 200 μm의 간격 11 간격입니다.와 비소 기반 LED 배열 갈륨에 대한 상호 아래 이미지는 단일 픽셀에서 6 V의 적용 바이어스에 따라 균일 붉은 빛이 방출, LED 배열을 표시합니다. 스패닝 전극을 인쇄하는 기능을 지원하거나 희생 레이어의 사용 (상단 이미지)하지 않고 다층 상호 수 있습니다. 마찬가지로 복잡한 3 차원 마이크에 대한 이미지 SEM 최종 시연, 그림 14 보여줍니다roperiodic 실버 격자는 5μm 노즐에 의해 인쇄. <img alt="광학 현미경 설정, 3축 모션 스테이지, 정밀 재료 분석을 위한 공기 공급." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 1"> 그림 1. 직접 잉크 쓰기 장치의 광학 이미지. <img alt="3D 프린팅 공정도; 적층 제조 분석을 위한 노즐 압출 필라멘트." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 2"> 그림 2. 섬사의 기능을 직접 잉크 쓰기. <img alt="노즐, 스패닝 기능, 공기, 잉크가 있는 3D 프린팅 공정 다이어그램은 적층 제조를 나타냅니다." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 3"> 그림 3. 셀프 지원 스패닝 기능을 직접 잉크 쓰기. <img alt="세라믹, 유기, 금속, 폴리머, 졸-겔 잉크; 기능 크기 비교; 현미경, 3D 프린팅." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 4"> 그림 4. 직접 잉크 쓰기에 대한 잉크 디자인. 집중 점탄성 잉크의 넓은 범위 microscale 기능 평면과 복잡한 3D 구조의 직접 쓰기 위해 개발되었습니다. <img alt="나노입자 미세구조 TEM, 어닐링 충격 그래프, 저항률 대 시간, 열 분석." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 5"> 그림 5. (왼쪽) 실버 nanoparticles의 전송 전자 현미경 (TEM) 이미지. (오른쪽 상단) 어닐링 온도의 함수로 15 μm의 노즐과 패턴 실버 microelectrodes의 이미지 SEM. (아래 오른쪽) 온도 및 시간을 어닐링의 함수로 실버 microelectrodes의 전기 저항. <img alt="3D 프린팅 매개변수 및 측면 확산을 보여주는 잉크 점도 대 은 함량의 그래프." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 6"> 그림 6. 고체 로딩의 기능으로 실버 nanoparticle 잉크의 확실한 점도 (η). <img alt="탄성 계수 대 전단 응력 그래프; 재료 중량% 분석; 유변학적 특성 연구." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 7"> 그림 7. 고체 로딩 변화의 실버 nanoparticle 잉크에 대한 전단 응력의 ​​함수로 전단 탄성 계수 (G '). <img alt="나노 스케일 격자 패턴의 SEM 이미지; 표면 형태, 재료 분석, 50 μm 스케일 바." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 8"> 패턴 실버 microelectrodes의 평면 배열의 그림 8. SEM 이미지1 μm의 노즐과시 웨이퍼에. <img alt="유연한 전자 회로, 현미경 이미지, 미세 구조를 보여주는 그리드 스케일, 3mm 및 400μm 스케일." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 9"> 그림 9. 투명 전도성 실버 격자 (왼쪽)와 라인 피치 (오른쪽)의 함수로 인쇄된 격자의 SEM 이미지의 광학 이미지. <img alt="3D 프린팅 공정; 인쇄된 은색 구불구불한 선이 있는 노즐 다이어그램; 전도성 잉크 증착. " src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 10"> 그림 10. 반구형 유리 기판에 전기적 소형 안테나의 등각 인쇄하는 동안 촬영된 광학 이미지. <img alt="나노 제조 설정에서 노즐이 있는 스패닝 Ag 미세 전극; 현미경 이미지; 스케일 100μm." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 11"> 그림 11. 얇게 (2 μm의) 실리콘 구형 쉘에 걸쳐 실버 microelectrodes의 인쇄하는 동안 얻은 광학 이미지. <img alt="Ag 미세 전극, 스케일 25μm를 가진 Si 태양 마이크로 셀의 SEM 다이어그램." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 12"> 그림 12. 스패닝 실버 microelectrode의 SEM 이미지는 실리콘에 이렇게 인쇄고맙다 microcell 배열. <img alt="마이크로 LED 방출, 은 미세 전극 상호 연결; 광학 여기, 현미경 이미지." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 13"> 그림 13. SEM 이미지 (위)과 실버 microelectrodes으로 상호 4로 - 4 LED 칩 배열의 광학 이미지 (아래). <img alt="3D 프린팅 마이크로 격자 구조의 SEM 현미경 사진; 확대된 삽입은 상세한 섬유 배열을 보여줍니다." src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="그림 14"> 그림 14. 3D microperiodic 은색 격자의 SEM 이미지.

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</ol>

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

이러한 잉크젯 프린팅과 같은 기존의 비말 기반 인쇄 방식은, 희석 자연과 사용되는 잉크의 낮은 점도로 인해 낮은 비율로 평면 전극의 제조로 제한됩니다. 최근 딥 - 펜 nanolithography (DPN) 20-22 및 e - 제트 인쇄 23-25는 패턴 전도성 기능에 사용되었습니다. 이 노선은 희석, 낮은 점도의 잉크를 사용합니다. Pearton 및 동료는 약 0.5 μm의 22 최대 1600 μm의의 라인 -1과 너비의 쓰기 속도로 상용 실버 nanoparticle 잉크를 입금 DPN를 사용합니다. 그러나, 큰 영역을 통해 재현할 패턴의 제작은이 방법에 의해 입증되지 않았다. 실버 nanoparticle 잉크도 ~ 1.5 μm의 25 라인 폭과 전도성 성분을 형성하기 위해 E - 제트 인쇄하여 입금했습니다. 그러나, 잉크젯 인쇄와 마찬가지로 inhomogeneous 인쇄 기능은 위성 드롭 형성와 비 균일한 드롭 D로 인해 발생할 수24,25을 rying. 집중 실버 nanoparticle 잉크의 시연으로 위, 직접 작성 어셈블리 섬사의 기반 인쇄 방식을 통해 이러한 한계를 극복. 이 기술은 1D, 2D, 3D 및 아키텍처의 생성을 허용 패스 하나에서 높은 가로 세로 비율 (H / W ≈ 1.0)과 전도성 microelectrodes의 제조 수 있습니다. 인쇄 기능의 크기는 노즐 직경, 잉크 고체로드, 적용 압력, 인쇄 속도에 따라 달라집니다. 지금까지 작은 전도성 트레이스가 ~ 2 μm의는 겸손한 속도 (&lt;2mm의 -1)에서 1 μm의 노즐을 사용하여 패턴 되었기 때문입니다. 조정으로 잉크 조성물 및 노즐 형상, 10cm의 -1을 초과하는 최대 인쇄 속도가 가능합니다. 그러나, 좋은 노즐 (&lt;5 μm의)를 사용하는 고속 인쇄 중대한 도전 남아있다. 직접 작성 어셈블리의 응용 프로그램을 입증하기 위해, 우리는 전도성 그리드, 엘 가공ectrically 작은 안테나, 태양 전지, 그리고 평면 및 스패닝 인쇄 전극 (그림 8-14)와 발광 다이오드. 특히, 우리의 접근 방법은 금속 구조물의 제작에 제한되지 않습니다. 같은 실크 피브로인, 히드로겔 및 도망자 유기 잉크를 기반으로 그 같은 다른 잉크 설계, 사용, 우리는 직접 쓰기 조립 26-30를 통해 조직 공학 및 세포 배양을위한 3D 공사장 공중 발판과 microvascular 네트워크를 구축했습니다. 미래를 향해 찾고, 많은 기회와 도전이 있습니다. 또한 진보는 새로운 잉크 디자인, 잉크 흐름 역학에 대한 좋은 모델링 및 향상된 로봇 및 제어 시스템을 필요로합니다. 높은 처리량 및 nanoscale 해상도로 3D 구조에 1D의 대형 광역 제조는 (&lt;100 nm의) 상당한 도전 남아있다.

<table border="1"><tr><td> 시약의 이름 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 폴리 (아크릴 산) </td><td> Polysciences 주식 회사 </td><td> 06,519 </td><td> MW 5천g / 몰 </td></tr><tr><td> 폴리 (아크릴 산) </td><td> Polysciences 주식 회사 </td><td> 00,627 </td><td> MW 50,000그램 / 몰 </td></tr><tr><td> 실버 질산염 </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> 209,139 </td><td> 실버 소스 </td></tr><tr><td> Diethanolamine </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> D8885 </td><td> 환원제 / 솔벤트 </td></tr><tr><td> 에틸렌 글리콜 </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> 102,466 </td><td> Humectant </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> 피셔 과학 </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> 원심 분리기 </td><td> 베크 만 보습 바로 앞에 달린 풀베는 날 </td><td> 아벤티 TM J - 25 I </td><td> - </td></tr><tr><td> 로봇 무대 </td><td> Aerotech 주식 회사 </td><td> ABL 900,010 </td><td> 3 축 모션 </td></tr><tr><td>주사기 배럴 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> 5109LBP - B </td><td> 3 ML </td></tr><tr><td> 노즐 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> - </td><td> ID = 0.1-250 μm의 </td></tr><tr><td> 자동 판매기 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> 800 </td><td> 공군력적인 </td></tr><tr><td> 디자인 소프트웨어 </td><td> 사용자 정의 설계 </td><td> - </td><td> Mingjie 쑤 </td></tr></table>

전도성 잉크의 평면 및 3 차원 인쇄

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

인쇄 전자는 유연한 또는 다차원 전자, 광전자, 그리고 1-3 생명 의학 장치를 만들 저렴한 비용, 큰 면적 제조 노선에 의존하고 있습니다. 본 논문에서는, 우리는에 초점을 한 (1D), 유연 stretchable 및까지의 microelectrodes의 형태로 전도성 금속 잉크의 2 (2D) 및 입체 (3D) 인쇄. 조립 4,5 괜찮 노즐 (- 250 μm의 ~ 0.1)를 통해 집중 잉크의 증착에 의한 단순한 라인의 복잡한 구조에 이르기까지 기능의 제조를 가능하게 1 - 투 - 3D 인쇄 기술입니다 직접 작성합니다. 이 인쇄 방법은 컴퓨터 제어 3 축 번역 무대, 잉크 탱크와 노즐 및 시각화를위한 10X 망원 렌즈로 구성되어 있습니다. 잉크젯 인쇄와는 달리, 소적 기반의 프로세스는 직접 작성 어셈블리 중 하나 - 또는 밖에서 비행기 잉크 필라멘트의 압출을 포함한다. 인쇄 필라멘트는 일반적으로 노즐 크기에 따릅니다. HencE, microscale 기능 (&lt;1 μm의)가 큰 배열과 다차원 구조로 패턴 및 조립하실 수 있습니다. 본 논문에서는, 우리는 먼저 직접 작성 조립을 통해 평면 및 3D 프린팅을위한 고도의 집중 실버 nanoparticle 잉크를 종합. 다음 그림에서 다차원 인쇄 microelectrodes을위한 표준 프로토콜이 증명됩니다. 마지막으로, 전기적 소형 안테나, 태양 전지와 발광 다이오드를 위해 인쇄 microelectrodes의 응용 프로그램은 강조 표시됩니다.

전도성 금속 잉크의 평면 및 입체 인쇄가 설명되어 있습니다. 우리의 접근 방식은 fabricating 인쇄 전자, 광전자, 그리고 microscale에서 비정상적인 레이아웃에 생물 의학 장치를위한 새로운 길을 제공합니다.

인쇄 전자 기술은 유연하거나 다차원적인 전자, 광전자 및 생의학 기기를 제작하기 위해 저비용의 대면적 제조 경로에 의존하며...

이 실험의 목적은 직접 쓰기 조립(direct write assembly)을 통한 전도성 마이크로 전극의 평면 및 3차원 프린팅을 시연하는 것입니다. 직접 쓰기 조립은 컴퓨터로 제어되는 3축 이동 스테이지, 잉크, 노즐 및 공기 공급 장치로 구성된 증착 기술입니다. 이 프린팅 방식에서는 점탄성 잉크 특성으로 인해 0.1에서 250 microns 범위의 직경을 가진 미세 원통형 노즐을 통해 고농도 잉크가 압출됩니다.직접 쓰기 조립(Direct write assembly)은 자립형 가교 구조의 형성을 가능하게 합니다. 현재까지 세라믹, 유기 금속 폴리머 및 졸-겔(sol-gel) 재료로 구성된 재료를 포함하여 이 프린팅 방식을 위한 광범위한 잉크가 개발되었습니다. 기존의 복잡한 이형 구조를 직접 쓰기 조립으로 제작하는 이 기술의 주요 장점은 제작 속도가 더 빠르다는 점입니다. 이 방법은 전자 및 광전자 응용 분야를 위한 전도성 잉크에 대한 통찰을 제공할 뿐만 아니라, 생체 의학용 스캐폴드 및 센서에 사용할 수 있는 다른 재료 시스템에도 적용될 수 있습니다.잉크 방사선학 및 프린팅 전문 지식이 출력물의 품질에 큰 영향을 미치므로 이 절차를 시각화하는 것이 매우 중요합니다. 이 절차는 제 실험실의 박사 후 연구원인 bhan과 박사 과정 학생인 Annalisa Russo가 시연합니다. 은 나노입자 잉크는 먼저 분자량이 5,000 및 50,000인 아크릴산 혼합물을 물과 디에탄올아민 혼합액에 용해시켜 준비합니다. 이 폴리머는 은 나노입자의 크기를 조절하는 캡핑제로 작용합니다. 다음으로, 폴리머 용액에 질산은 수용액을 주입합니다.혼합물은 투명한 연노란색으로 변하며, 상온에서 24시간 동안 계속 교반합니다. 교반 후 용액은 적갈색을 띱니다. 이는 직경 5nm의 은 나노입자가 형성되었기 때문이며, 입자의 추가 성장은 TEM을 통해 확인할 수 있습니다.용액을 65 °C 워터배스에서 2시간 동안 초음파 처리하십시오. 초음파 처리가 끝나면 용액을 500 mL 비커로 옮겨 실온까지 냉각시키고, 냉각이 완료되면 용액에 에탄올 300 mL를 적정하십시오. 에탄올은 캡핑제에 대해 용해도가 낮으므로 입자가 빠르게 응고되어 침전됩니다. 이제 상층액을 따라내고 침전물을 원심분리 튜브에 수집하십시오. 침전물을 9,000 RPM에서 20분 동안 원심분리하십시오.결과물로 중량 대비 고형분 함량이 약 85%인 고농도 은 나노입자 잉크가 생성됩니다. 잉크의 점도와 탄성 계수를 추가로 제어하려면 에틸렌 글리콜과 같은 습윤제 용액에 잉크를 희석한 다음, Thinky 균질화 믹서를 사용하여 2000 RPM에서 3분 동안 용액을 균질화하십시오. 이러한 희석 및 균질화 과정을 거치면 균일한 청색에서 마젠타색을 띠는 잉크가 만들어집니다.TEM 이미지는 본 합성 절차를 통해 얻은 은 나노입자를 보여줍니다. 입자들은 5~15 nm의 크기 분포를 가지며 평균 직경은 20 nm입니다. 출력된 구조체는 전도성을 높이기 위해 후처리 공정이 필요합니다.250°C에서 30분 미만으로 어닐링한 후, 은 나노입자는 10⁻⁵ Ω·cm에 근접하는 전기 비저항을 가진 전도성 마이크로 전극을 형성합니다. 어닐링 온도에 따른 프린팅된 은 마이크로 전극의 미세 구조 진화는 SEM으로 측정합니다. 온도가 150°C에서 550°C로 증가함에 따라, 마이크로 전극은 약 30%의 전체 부피 수축과 함께 치밀화를 거칩니다. 고형분 함량에 크게 의존하는 잉크의 특성은 프린팅 가능 여부를 결정합니다.고형분 함량이 증가함에 따라 잉크의 점도가 상승하는데, 이는 저점도 희석 시 고농축 잉크의 측면 퍼짐 현상이 심하게 나타나기 때문입니다. 평면 및 가교 잉크 필라멘트를 출력하기 위해서는 70에서 85 weight percent 범위의 고형분 함량이 필요합니다. 선형 점탄성 영역에서 고형분 함량이 증가할수록 잉크의 탄성 계수 또한 증가합니다.탄성 계수는 거의 3배수(three orders of magnitude) 가량 증가합니다. 고형분 함량이 60에서 75 중량 퍼센트로 증가함에 따라 나타나는 현상입니다. 자립형 또는 브릿지 구조의 특징을 구현하기 위해서는 최소 2000 pascals의 탄성 계수가 필요합니다.직접 쓰기 조립을 시작하려면, 잉크를 시린지 배럴에 충전하십시오. 증착 노즐을 부착한 후, 잉크가 충전된 시린지 배럴을 3축 프린팅 스테이지에 장착하십시오. 컴퓨터 프로그램을 사용하여 선형 평면 또는 복잡한 3차원 구조와 같이 원하는 디자인을 생성하십시오.다음으로, 10배 줌 망원 렌즈를 사용하여 노즐 높이를 조정합니다. 공압식 액체 분사 시스템으로 압력을 가한 후, 제어된 출력 속도와 압력을 사용하여 실온에서 기판 위에 잉크를 도포합니다. 이러한 변수들은 잉크, 방사선학적 특성, 노즐 직경 및 출력 속도에 따라 달라집니다.5 µm 노즐을 사용하면 실리콘 웨이퍼 기판 위에 중심 간 선 간격이 100 µm인 전도성 은 그리드를 프린팅할 수 있습니다. 30 µm 노즐과 층별 프린팅 방식을 이용하면 높은 종횡비를 가진 원통형 구조체를 제작할 수 있습니다. 30 µm 노즐을 사용하여 두 유리 기판 사이에 은 마이크로 전극을 전방향으로 프린팅하는 것이 가능합니다.유리 기판을 1mm 오프셋시키면 실리콘 웨이퍼 기판 위에 30µm 노즐을 사용하여 완전히 독립된 수직 인쇄 은 마이크로 스파이크를 생성할 수 있습니다. 10µm 노즐을 사용하여 가교 형태의 은 마이크로 전극을 직접 작성하는 것도 가능합니다. 인쇄된 구조물은 처짐이나 굴곡이 최소화된 상태로 최대 1cm까지 거리를 가로지를 수 있습니다.전자 및 광전자 응용 분야를 위한 평면 및 3D 모티프의 전도성 패턴으로 고농도 은 나노입자 잉크를 프린팅하였습니다. 프린팅 해상도는 2에서 30 µm 사이였습니다. 1 µm 노즐을 사용한 단일 패스 프린팅으로 약 2 µm의 최소 전극 폭과 1.4 µm의 두께를 얻었으며, 5 µm 노즐 패턴도 구현하였습니다.유연한 폴리아미드 필름 위에 형성된 투명 전도성 은 그리드입니다. 그리드 아래의 텍스트가 명확하게 보입니다. 이러한 금속 그리드는 투명 전도성 산화물 재료를 대체할 수 있는 고전도성 대안으로 활용될 수 있습니다.100 micron 금속 노즐 미앤더를 사용하여 3D 전기적 소형 안테나의 컨포멀 프린팅이 가능했습니다. 유리 반구 표면에 라인 패턴을 프린팅하였습니다. 이 방식은 이식형 및 웨어러블 안테나, 전자 장치 및 센서를 포함한 여러 응용 분야에 활용될 수 있으며, 3차원 광전지 및 발광 다이오드에서 은 마이크로 전극을 가로지르는 응용 또한 가능합니다.두께가 2 µm인 얇은 구형 실리콘 쉘에 전방향 프린팅을 통해 외부 회로를 와이어 본딩하였습니다. 이 방법은 접촉 압력을 최소화하므로 정밀한 소자에 매우 유리합니다. 또한, 실리콘 마이크로 리본 요소들이 33 µm 간격으로 떨어져 있는 실리콘 태양전지 마이크로 셀 어레이를 위한 연결 상호접속선(spanning interconnect)도 프린팅하였습니다.4x4 픽셀의 갈륨 비소 기반 LED 어레이를 위한 은 상호 연결선이 인쇄되었습니다. LED 어레이의 단일 픽셀에 6V의 바이어스를 인가했을 때 균일한 적색광이 방출되었습니다. 스패닝 전극(spanning electrodes)을 인쇄할 수 있는 능력 덕분에 지지층이나 희생층 없이도 다층 상호 연결이 가능했습니다.최종 실증 사례로, 5 µm 노즐과 층별 인쇄 시퀀스를 사용하여 복잡한 3D 마이크로 주기적 은 격자를 프린팅합니다. 이 기술을 숙달하면 적절히 수행했을 때 몇 시간 내에 완료할 수 있습니다. 본 절차를 통해 1D에서 3D 구조의 잉크 합성 프린팅과 전자 및 광전자 소자용 프린팅 전극을 포함한 응용 분야를 입증하였습니다.현재 저희 연구실에서는 생체 적합성 잉크를 사용하여 이 접근 방식을 바이오메디컬 응용 분야로 확장하는 데 집중하고 있습니다. 저희는 조직 공학 및 세포 배양을 위한 3차원 스캐폴드와 미세혈관 네트워크를 프린팅하고 있습니다. 이 영상을 통해 저희의 직접 조립 기술에 대해 더 잘 이해하셨기를 바랍니다.

planar-and-three-dimensional-printing-of-conductive-inks

Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

bioprinter로 HP 데스크젯 500 프린터를 변환하는 데 사용 방법의 설명입니다. 프린터 멤브레인에 과도 모공의 원인이 생활 세포를 처리할 수있다. 이러한 모공은 인쇄 세포에 형광 G-actin을 포함한 작은 분자를, 통합하기 위해 활용할 수 있습니다.

일반 잉크젯 프린터를 사용하여 과도 세포막의 세공 만들기

이 문서에 설명 된 방법은 동시 UV 중합과 bioprinter에 상용 잉크젯 프린터로 변환하는 방법을 보여줍니다. 프린터는 세포 및 생체 재료와 3 차원 조직 구조를 구축 할 수있다. 여기에 설명이 연구는 3D neocartilage을 건설했다.

입체 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 인간의 연골 조직 제작

이 논문은 미세 전자 기계 시스템 (MEMS) 구조 및 장치의 유연한 제작을위한 3D 첨가제 micromanufacturing 전략 (라고 '마이크로 벽돌')을 소개합니다. 이 접근법은 급속 열 어닐링 사용 재료 본딩 기술과 함께 마이크로 / 나노 스케일 물질의 전사 인쇄 기반 어셈블리를 포함한다.

3D 첨가제 Micromanufacturing에 대한 마이크로 벽돌

Cartesian bioprinter는 정밀하고 재현 가능한 형상으로 다중 재료 증착을 허용하는 동시에 환경 요인을 제어할 수 있도록 설계 및 제작되었습니다. 3차원 바이오프린터를 사용하면 복잡하고 실행 가능한 구조를 인쇄하고 쉽게 복제할 수 있습니다.

세 디스펜서 데카르트 프린터 사용 Bioprinted 세포를 구축의 생존

이 논문은 염료 감응 태양 전지 제조를 위한 잉크젯 인쇄의 적합성을 조사합니다. 바인더가 없는 TiO2 나노 입자 잉크를 제조하여 FTO 유리 기판에 인쇄했습니다. 프린팅된 층은 활성 면적이 0.25cm2이고 효율이 3.5%인 셀로 제작되었습니다.

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이 프로토콜은 에칭된 지형 안내 신호와 하이드로겔 바이오잉크를 함유한 셀의 정밀 증착을 통합하는 자동화된 로봇 증착 시스템을 사용하는 바이오프린팅 방법론을 설명합니다. 프린트된 셀은 에칭된 피처에 직접 전달되어 이를 감지하고 방향을 지정할 수 있습니다.

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여기, 선물이 충돌기 (EHD) 제트 인쇄를 사용 하 여 고해상도 전도성 패턴을 생성 하는 프로토콜. EHD 제트 인쇄의 두 가지 모드를 포함 하는 프로토콜: 연속 근처-필드 전기 (NFES) 및 드롭-온-디맨드 (국방부) EHD 도트 기반 인쇄.

충돌기 제트의 두 가지 모드를 사용 하 여 패턴 고해상도: 수요와 근처-필드 전기에

여기 선물이 없애는 제조 기판 및 호 일에 잉크젯 인쇄 적 층 형 센서의 제조에 대 한 프로토콜.

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합성 무기 리드 할로겐 하이브리드 페로 양자 점 잉크 잉크젯 인쇄 및 준비 하 고 게시물 특성화 기술로 잉크젯 프린터에 양자 점 잉크 인쇄 프로토콜에 대 한 프로토콜 표시 됩니다.

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문신과 섬유의 두 가지 최근 기술은 피부 감각에서 유망한 결과를 보여주었습니다. 여기에서는 피부 전기 생리 감지를위한 문신 및 섬유 전극의 제조 및 평가 방법을 제시합니다. 전도성 폴리머로 만들어진 이러한 전자 인터페이스는 편안함과 감도 측면에서 기존 표준을 능가합니다.

적합성 웨어러블 전극: 제작에서 전기생리학적 평가에 이르기까지

이 백서에서는 잉크젯 프린터를 사용하여 칩 기반 슈퍼 커패시터를 제조하는 기술을 제공합니다. 잉크를 합성하고, 소프트웨어 파라미터를 조정하고, 제조된 슈퍼 커패시터의 전기화학적 결과를 분석하기 위한 방법론이 자세히 설명되어 있습니다.

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배우세요 직접 쓰기 조립 기술을 이용한 전도성 미세전극의 평면 및 3차원 인쇄 방법을 은 나노입자 잉크를 활용하여 복잡한 전자 및 생의학 기기를 제작하는 이 기법은 고해상도 구조 구현에 효과적입니다.

전도성 잉크의 평면 및 3 차원 인쇄

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