Modelowanie w wysokiej rozdzielczości przy użyciu dwóch trybów strumienia elektrohydrodynamicznego: kropli na żądanie i elektroprzędzenia w bliskim polu

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół do tworzenia wzorów przewodzących o wysokiej rozdzielczości za pomocą elektrohydrodynamicznego (EHD) druku strumieniowego. Protokół obejmuje dwa tryby druku strumieniowego EHD: ciągłe elektroprzędzenie w bliskim polu (NFES) i drukowanie EHD metodą kropli na żądanie (DOD) oparte na kropkach.

Streszczenie

Elektrohydrodynamiczny (EHD) druk strumieniowy przyciągnął uwagę w różnych dziedzinach, ponieważ może być używany jako narzędzie do bezpośredniego tworzenia wzorów o wysokiej rozdzielczości i niskich kosztach. Druk EHD wykorzystuje dostawcę płynów do utrzymania wytłaczanego menisku poprzez wypychanie atramentu z końcówki dyszy. Pole elektryczne jest następnie wykorzystywane do ściągania menisku w dół do podłoża w celu wytworzenia wzorów o wysokiej rozdzielczości. Do precyzyjnego tworzenia wzorów wykorzystano dwa tryby drukowania EHD: ciągłe elektroprzędzenie w bliskim polu (NFES) i drukowanie EHD metodą kropli na żądanie (DOD) w oparciu o kropki. W zależności od trybów drukowania wymagania dotyczące sprzętu drukującego i lepkości atramentu będą się różnić. Mimo że w jednej drukarce EHD można zaimplementować dwa różne tryby, metody realizacji znacznie różnią się pod względem tuszu, układu płynów i napięcia sterującego. W związku z tym, bez właściwego zrozumienia wymagań i ograniczeń dotyczących natryskiwania, trudno jest uzyskać pożądane rezultaty. Celem tego artykułu jest przedstawienie wytycznych, dzięki którym niedoświadczeni badacze mogą ograniczyć wysiłki związane z próbami i błędami przy użyciu odrzutowca EHD do konkretnych celów badawczo-rozwojowych. Aby zademonstrować implementację precyzyjnego wzorcowania, używamy atramentu nanocząsteczkowego Ag do przewodzącego wzorcowania w protokole. Ponadto przedstawiamy również uogólnione wytyczne dotyczące drukowania, które można wykorzystać do innych rodzajów atramentów do różnych zastosowań związanych z precyzyjnym wzornictwem.

Wprowadzenie

Druk strumieniowy EHD jest szeroko stosowany w różnych dziedzinach, takich jak elektronika drukowana, biotechnologia i zaawansowane zastosowania materiałowe, ponieważ jest zdolny do bezpośredniego tworzenia wzorów w wysokiej rozdzielczości i przy niskich kosztach¹. Szerokość drukowanej linii lub rozmiar drukowanego punktu można zmniejszyć do 1 μm, co jest znacznie mniejsze niż w przypadku konwencjonalnego druku atramentowego na bazie piezoskopu¹.

W druku EHD, niewielka porcja tuszu (lub menisku) jest wypychana z końcówki dyszy i utrzymywana poprzez kontrolowanie natężenia przepływu^1,2,3,4,5 lub dodatnie ciśnienie powietrza1^,6,7. Wytłaczany menisk jest naładowany i może być łatwo ściągnięty w dół od końcówki dyszy do podłoża za pomocą pola elektrycznego, jak pokazano na rysunku 1. Stożkowy menisk powstaje podczas natryskiwania, wytwarzając strumień atramentu znacznie cieńszy niż rozmiar dyszy.

Rysunek 1: Drukowanie EHD. Rysunek przedstawia zasadę drukowania strumieniowego EHD. Atrament jest popychany pod ciśnieniem i ciągnięty przez pole elektryczne, aby utworzyć wytłaczany menisk z dyszy. Następnie naładowany atrament może być łatwo natryskiwany na podłoże za pomocą napięcia stałego lub impulsowego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Mimo że pojedyncza drukarka EHD może być używana do dwóch różnych trybów, elektronicznego wirowania bliskiego pola (NFES) i druku strumieniowego EHD typu drop-on-demand (DOD), metody realizacji znacznie różnią się pod względem tuszu, układu płynów i napięcia sterującego^1,2,3. Na przykład NFES^4,5 wykorzystuje atrament o stosunkowo wysokiej lepkości [ponad 1000 centypuazów (cP)] do tworzenia ciągłych wzorów mikrolinii z dużą prędkością drukowania do 1 m/s. Z drugiej strony, DOD EHD jet printing^6,7,8 wykorzystuje atrament o niskiej lepkości o lepkości około 10 cP do drukowania złożonych wzorów na bazie kropek z niską prędkością drukowania poniżej 10 mm/s.

Ponieważ wymagania dla każdego trybu są znacząco różne, osiągnięcie pożądanych rezultatów może być wyzwaniem dla niedoświadczonych badaczy. Empiryczne "know-how" może być ważne w praktyce. Aby pomóc naukowcom przyzwyczaić się do metod drukowania, przedstawiamy protokoły drukowania EHD do precyzyjnego wzorcowania przewodzącego przy użyciu atramentu nanocząsteczkowego Ag. Dodaliśmy jednak komentarze do protokołów, aby nie ograniczały się one do przewodzącego wzoru przy użyciu atramentu nanocząsteczkowego Ag. Wreszcie wskazówki dotyczące drukowania i przygotowania są przedstawione w części dyskusyjnej.

Protokół

Dla celów zdrowotnych i bezpieczeństwa, przed użyciem jakiegokolwiek tuszu i roztworu czyszczącego, zapoznaj się z kartą charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS).

1. Elektrohydrodynamiczny druk strumieniowy na żądanie z użyciem atramentu z nanocząsteczek srebra

1. Napełnij przefiltrowany atrament z nanocząsteczkami srebra (AgNP) w zbiorniku atramentu systemu drukowania EHD.
   Uwaga: Dostępny na rynku atrament AgNP może być używany do celów atramentowych. Atrament powinien mieć lepkość około 10 cP i napięcie powierzchniowe 20 ~ 40 mN/m, aby uzyskać natryskiwanie kroplowe na żądanie.
2. Wykonaj dyszę do drukowania DOD EHD za pomocą ściągacza termicznego.
   1. Umieść szklaną kapilarnę [średnica wewnętrzna (ID) 1 mm] w ściągaczu termicznym.
   2. Ustaw parametry ściągacza termicznego, na przykład temperaturę grzania w zakresie 580 - 590 °C i prędkość naciągu około 18 mm/s.
      Uwaga: Parametry ściągacza termicznego powinny się różnić w zależności od identyfikatora dyszy docelowej i warunków otoczenia.
   3. Uruchom ściągacz termiczny z ustawionymi parametrami, aby przyłożyć ciepło do środka kapilary i pociągnij za oba jej końce, aby uzyskać dyszę o ID 5 μm.
      Uwaga: Określ rozmiar identyfikatora dyszy na podstawie docelowego rozmiaru kropki na podłożu. Dla porównania, identyfikator dyszy wynoszący 5 μm może drukować kropki o rozmiarze 5 μm.
   4. Wyreguluj długość dyszy szklanej, przecinając dyszę do szkła za pomocą noża do szkła.
3. Zamontuj dyszę do uchwytu dyszy i złącza, które są połączone ze zbiornikiem atramentu za pomocą rurki z politetrafluoroetylenu (PTFE).
4. Zastosuj ciśnienie powietrza, aby dostarczyć atrament do końcówki dyszy.
   1. Włącz regulator ciśnienia powietrza i przyłóż ciśnienie powietrza 15 ~ 20 kPa do zbiornika atramentu, aby dostarczyć atrament do końcówki dyszy. Monitoruj przepływ atramentu przez przezroczystą szklaną dyszę i rurkę, aby upewnić się, że powietrze nie jest uwięzione w tubie i dyszy podczas dostarczania atramentu. Kontynuuj dociskanie zbiornika atramentu, aż atrament pojawi się na końcówce dyszy.
      Uwaga: Nie zmniejszaj ciśnienia, zanim atrament pojawi się na końcówce dyszy, ponieważ może to spowodować uwięzienie pęcherzyków powietrza na końcówce dyszy.
   2. Zmniejsz ciśnienie do około 12 kPa, aby utrzymać wytłaczany menisk bez kapania atramentu z końcówki dyszy.
      Uwaga: Prawidłowe ciśnienie powietrza zależy od rozmiaru dyszy i lepkości atramentu. Nie należy zwiększać ciśnienia powietrza do więcej niż 30 kPa, aby uniknąć nadmiernego sprężania powietrza, co jest niepożądane dla utrzymania łąkotki w stabilnym stanie.
5. Zamocuj zmontowaną głowicę dyszy w systemie drukującym.
6. Umieść szklane podłoże na uchwycie próżniowym uchwytu podłoża i włącz pompę próżniową, aby utrzymać podłoże.
7. Przesuń stolik osi Z, aby wyregulować odległość dystansu (H) — odstęp między końcówką dyszy a położeniem podłoża — do około 100 μm. Użyj obrazu bocznego uzyskanego przez kamerę monitorującą, aby oszacować odległość dystansu, używając odległości od końcówki dyszy do jej odbicia, jak pokazano na Rysunek 2.
   Uwaga: Mniejsza odległość dystansu prowadzi do większego pola elektrycznego, co może ułatwić drukowanie przy niższym napięciu prądu stałego i impulsów do natryskiwania. Jednak mniejsza odległość odsunięcia może prowadzić do większych spadków. Dlatego wielkość napięć powinna zostać odpowiednio zmniejszona, aby uzyskać pożądany rozmiar kropki. Ogólnie rzecz biorąc, zaleca się stosowanie niższego napięcia, aby uzyskać mniejsze drukowane kropki przy mniejszym natryskiwaniu. Jednak ostrożna operacja jest wymagana, jeśli odległość dystansu staje się mniejsza niż 50 μm, ze względu na większe prawdopodobieństwo pęknięcia dyszy w wyniku zderzenia z podłożem. Biorąc pod uwagę stosunek między zdolnością natryskiwania a niezawodnością, zalecamy zastosowanie odległości dystansowej wynoszącej 100 μm.

Rysunek 2: Regulacja odległości odsunięcia za pomocą obrazu z kamery widoku z boku. Obraz dyszy z kamery bocznej można wykorzystać do oszacowania odległości odsunięcia. Odległość dystansu (H) od końcówki dyszy do podłoża można łatwo oszacować jako połowę odległości od końcówki dyszy do jej cienia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

8. Zastosuj napięcia stałe i impulsowe
   Uwaga: Napięcia DC i impulsowe można kontrolować za pomocą oprogramowania do drukowania.
   1. Stopniowo zwiększaj napięcie DC, aż atrament zacznie kapać z końcówki dyszy.
      Uwaga: Nie przykładaj docelowej objętościtage na raz. Napięcie przyrostowe powinno być jednorazowo mniejsze niż 100 V. Ogólnie rzecz biorąc, nie należy stosować napięcia stałego większego niż 600 V.
   2. Zmniejsz nieznacznie napięcie DC od początkowego napięcia DC, aż nie będzie już obserwowane kapanie atramentu z dyszy.
      Uwaga: Po wyregulowaniu ciśnienia pneumatycznego i napięcia prądu stałego, menisk powinien mieć odpowiedni kształt do natryskiwania, jak pokazano na rysunku uzupełniającym S1.
   3. Ustaw ujemne napięcie impulsu z parametrami t_wzrost = 0 ~ 100 μs, t_dwell = 300 μs i t_spadek = 0 μs⁷ (Rysunek 3) w menu oprogramowania.
   4. Zastosuj ujemne napięcie impulsu do uchwytu podłoża. Następnie dostosuj wielkość napięcia impulsu, _impuls V, aby wytworzyć jedną kroplę na pojedyncze napięcie impulsu.
      Uwaga: Wielkość ujemnego napięcia impulsu,_impulsu V, powinna być mniejsza niż 600 V.
   5. Dostosuj napięcia tła i impulsu DC, aby uzyskać docelowy rozmiar kropelki na podłożu, obserwując natryskiwane kropki na podłożu na obrazie z kamery bocznej.
      Uwaga: Aby uzyskać małe kropki przy mniejszym rozpryskiwaniu podłoża, wielkość napięcia impulsu, impuls V, powinna być jak najniższa.

Rysunek 3: Napięcie impulsu dla natryskiwania DOD EHD. Użycie napięcia przebiegu trapezowego jest zalecane do wytworzenia DOD EHD jetting⁷. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

9. Wzory wydruku
   Uwaga: Do drukowania DOD EHD można używać dwóch różnych rodzajów wzorów: obrazu bitmapowego i informacji wektorowych opartych na (CAD). Obraz bitmapowy jest szeroko stosowany w druku atramentowym opartym na DOD. Jednak w przypadku zastosowań elektroniki drukowanej informacje wektorowe oparte na CAD mają przewagę nad drukiem atramentowym opartym na DOD, ponieważ są wydajne w druku liniowym przy użyciu jednej głowicy EHD. W tym samym czasie informacje wektorowe można przekształcić w obraz bitmapowy w celu wydrukowania obrazu bitmapowego.
   1. Drukowanie obrazów bitmapowych
      1. Załaduj obraz bitmapowy na kartę drukowania w oprogramowaniu do drukowania i przekonwertuj go na obraz binarny.
      2. Ustaw parametry drukowania obrazu binarnego. Na przykład ustaw interwał upuszczania (tj. odległość między 2 kolejnymi pikselami) na 10 μm.
         Uwaga: Obraz bitmapowy nie ma żadnych wymiarów fizycznych. Fizyczne wymiary drukowanego obrazu będą powiązane z interwałem upuszczania. Na przykład drukowany obraz staje się większy, jeśli używany jest większy interwał upuszczania. W konwencjonalnym druku atramentowym powszechnie stosuje się do tego celu punkt na cal (DPI). Należy jednak zauważyć, że mniejsze DPI oznacza większy interwał spadków. Aby określić odstęp między kroplami, należy wziąć pod uwagę rozmiar drukowanej kropki. Ogólnie rzecz biorąc, interwał upuszczania w przypadku drukowania EHD DOD jest znacznie krótszy niż w przypadku konwencjonalnego druku atramentowego.
      3. Rozpocznij drukowanie, używając wybranej mapy bitowej w lokalizacji docelowej na podłożu.
   2. Druk wektorowy na podstawie informacji CAD
      1. Załaduj informacje CAD do drukowania.
         Uwaga: Format pliku DXF, który jest tekstowymi informacjami CAD, może być używany do drukowania informacji.
      2. Ustaw parametry drukowania wektorowego, na przykład ustaw interwał zrzutu na 3 μm, a częstotliwość natryskiwania na 10 Hz.
         Uwaga: Aby wydrukować połączone wzory linii, należy tak dobrać interwał upuszczania, aby przylegające do siebie krople nieznacznie na siebie nachodziły. Jednak zbyt duże nakładanie się może skutkować większą szerokością linii. Nakładanie się około 30% jest zalecane dla każdego praktycznego drukowania linii. W przypadku druku wektorowego prędkość ruchu (v) równanie następujące:
         v = d × f
         Tutaj,
         d = odstęp upuszczania, i
         f = częstotliwość natryskiwania.
      3. Wydrukuj załadowane wzory na podłożu przy użyciu wstępnie określonych parametrów drukowania, takich jak interwał spadania, prędkość drukowania, napięcie itp.
         Uwaga: Po wydrukowaniu może być wymagany proces spiekania w celu uzyskania pożądanej przewodności wydrukowanych wzorów, co wykracza poza zakres tego artykułu.

2. Precyzyjne wzorcowanie linii przewodzących za pomocą elektroprzędzenia bliskiego pola

1. Wytwarzanie atramentu do elektroprzędzenia w bliskim polu (NFES) do drukowania linii przewodzących.
   1. Zmieszać etanol i wodę dejonizowaną (DI) o stosunku objętościowym 3 (etanol) do 1 (woda DI), aby przygotować rozpuszczalnik 1. Na przykład wymieszaj 9 ml etanolu i 3 ml wody demineralizowanej, aby uzyskać 12 ml rozpuszczalnika 1.
   2. Zmieszać 0,3 g poli(tlenku etylenu) (PEO, M_wt = 400 000) i 9,7 g przygotowanego rozpuszczalnika 1, aby uzyskać roztwór polimeru z 3% wag. PEO, mieszając, używając mieszadła magnetycznego przez ponad 6 godzin w temperaturze pokojowej (25 °C).
   3. Wymieszaj atrament z nano pastą Ag o lepkości około 11 000 cP i przygotowany roztwór polimeru o stosunku wagowym 5 (atrament w postaci nano pasty Ag) do 1 (roztwór polimeru) za pomocą mieszalnika wirowego przez 10 minut, aby uzyskać atrament dla NFES. Na przykład 10 g atramentu w postaci nano pasty Ag i 2 g roztworu polimeru można zmieszać w celu uzyskania atramentu NFES.
      Uwaga: W tym protokole stosunek mieszanych materiałów jest generalnie ważniejszy niż określona ilość materiałów. Do tego celu można użyć dostępnego na rynku tuszu w postaci nano pasty Ag do sitodruku, który ma zawartość Ag w postaci stałej około 85,5% wag. Należy pamiętać, że wybór rozpuszczalnika i polimeru może się różnić w zależności od składu użytego atramentu.
2. Wlać przygotowany atrament NFES do strzykawki.
3. Połączyć strzykawkę z dyszą za pomocą rurki łączącej.
   Uwaga: Do dyszy można użyć dostępnej w handlu igły strzykawkowej o średnicy wewnętrznej 100 μm.
4. Dostarczyć atrament do dyszy, ręcznie popychając strzykawkę.
5. Zainstalować strzykawkę w silniku strzykawki, który jest podłączony do systemu drukowania.
6. Umieść podłoże na uchwycie próżniowym i włącz pompę próżniową, aby utrzymać podłoże podczas drukowania.
7. Kontroluj pozycję Z (stolik), aby wyregulować odległość odsunięcia.
   Uwaga: Zalecana odległość odstępu powinna wynosić około 2 mm, co jest znacznie mniejszą odległością w porównaniu z tą stosowaną w przypadku konwencjonalnego elektroprzędzenia.
8. Dostosuj natężenie przepływu
   1. Uruchomić pompę strzykawkową, aby napełnić atrament NFES w zespole dyszy i wygenerować przepływ atramentu o początkowym natężeniu przepływu 50 μl/min, które jest wyższe niż docelowe natężenie przepływu.
   2. Ustaw docelowe natężenie przepływu na 1 μl/min, gdy atrament wypływa z końcówki dyszy.
      Uwaga: Mniejsze natężenie przepływu może skutkować mniejszą szerokością wzoru. Może to jednak spowodować zerwanie linii. Kompromis między szerokością linii a kontynuacją linii powinien być brany pod uwagę przy określaniu docelowego natężenia przepływu.
9. Zastosuj napięcie
   1. Podłącz źródło napięcia DC do złącza dyszy i podłącz napięcie uziemienia do uchwytu podłoża.
   2. Stopniowo zwiększaj napięcie DC do 1,5 kV.
      Uwaga: Ponieważ odległość dystansowa mieści się w zakresie kilku milimetrów, napięcie prądu stałego można zwiększyć do 2 kV, czyli więcej niż w przypadku druku strumieniowego DOD EHD. Należy jednak unikać napięcia stałego wyższego niż 2 kV, ponieważ może ono uszkodzić materiał funkcjonalny, zwłaszcza tusz w postaci pasty Ag, dodany do roztworu polimeru. Ogólnie rzecz biorąc, niższe napięcie DC jest zalecane, gdy wymagana jest cieńsza linia drukowana. Jednak drukowane linie można łatwo rozłączyć, gdy używane jest niskie napięcie, ponieważ siła ciągnąca do ciągłego drukowania atramentem jest związana z napięciem prądu stałego. Biorąc pod uwagę kompromisy, zalecamy stosowanie napięcia stałego w zakresie od 1 kV do 2 kV.
10. Rozpocznij drukowanie w stanie bezczynności z prędkością drukowania 300 mm/s przez ponad 10 minut, aby uzyskać przepływ w stanie ustalonym. Dostosuj parametry drukowania, takie jak napięcie DC i natężenie przepływu podczas drukowania w stanie spoczynku, aby uzyskać pożądane wyniki drukowania.
    Uwaga: Drukowanie w stanie bezczynności przez ponad 10 minut jest wymagane do uzyskania stałego przepływu, ponieważ lepki atrament może zostać ściśnięty w długich rurkach podczas dostarczania atramentu do końcówki dyszy. Bez drukowania w trybie bezczynności szerokość drukowanej linii może się zmieniać z czasem. Prędkość drukowania w stanie spoczynku powinna być zatem taka sama jak rzeczywista prędkość drukowania, aby parametry natryskiwania można było regulować podczas drukowania. W ten sposób napięcie DC jest regulowane podczas drukowania w stanie spoczynku, aby uzyskać docelową szerokość linii. Należy pamiętać, że natężenie przepływu i napięcie prądu stałego powinny być zrównoważone, tak aby ilość atramentu wtłaczanego przez pompę strzykawkową mogła być równa ilości atramentu ściąganego w dół przez pole elektryczne.
11. Wybierz wzór drukowania, taki jak linia ciągła i wzory siatki.
    Uwaga: Ponieważ wytworzone włókno może być łatwo odchylane i może być losowo osadzane z powodu siły odpychania ładunku generowanej przez drukowane linie, prędkość drukowania powinna być większa niż 300 mm / s, aby wyrównać wzór z kierunkami drukowania, a odstępy między wydrukowanymi liniami powinny być większe niż 100 μm w celu wydrukowania wzorów opasanych lub liniowych.
12. Wydrukuj wybrany wzór na podłożu, korzystając z wcześniej określonych parametrów druku.
    Uwaga: W celu uzyskania docelowych funkcji drukowanych wzorów może być wymagany proces spiekania, co wykracza poza zakres tego artykułu.

Wyniki

Druk punktowy na żądanie:
Drukowanie DOD opiera się na jednym natryskiwaniu kropli na jeden spust natryskiwania. Do wytwarzania natryskiwania DOD należy użyć atramentu o niskiej lepkości i lepkości około 10 cP. Zapotrzebowanie na atrament do drukowania EHD DOD jest podobne do konwencjonalnego atramentowego druku DOD, podobnie jak metoda drukowania EHD do konwencjonalnej drukarki atramentowej DOD. W przypadku konwencjonalnego druku atramentowego technika druku rastrowe...

Dyskusja

W tym protokole skupiamy się na drukowaniu drobnych wzorów przy użyciu atramentu AgNP w dwóch trybach: druk DOD EHD i NFES. Jednak zastosowanie druku strumieniowego EHD nie ogranicza się do przewodzącego atramentu przy użyciu AgNP. W tym miejscu omówimy ogólne wytyczne dotyczące doboru atramentu, konfiguracji systemu i innych parametrów drukowania potrzebnych do wykorzystania druku strumieniowego EHD do różnych zastosowań związanych z drobnym wzorem.

Pierwszym i najważniejszym krokiem do druku...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Zintegrowany system drukowania EHD	Psolution Ltd., Korea Południowa	PS300
Harima Ag Tusz nanocząsteczkowy	Harima Inc., Japonia	Harima NPS-JL	Ag Zawartość ciał stałych: ~ 53 % wag., Lepkość: ~10 cP, Napięcie powierzchniowe: ~30 mN/m
Kapilara	szklana Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Średnica wewnętrzna: 1 mm; Służy do wykonywania dyszy do drukowania strumieniowego DOD EHD za pomocą ściągacza termicznego
Dysza ściągacza termicznego	Sutter Instrument, USA	Sutter P-1000
(subtelne szkło)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Niemcy	10 006 12	Wymiary (dł. x szer. x gr.): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Mieszadło magnetyczne	Barnstead Thermolyne Corp., Stany Zjednoczone	Mieszadło
Vortex	Jeiotech, Korea Południowa	Lab Companion VM-96T
Ag nanopasta	NPK, Korea Południowa	ES-R001	Ag zawartość ciał stałych: ~85,5% wag., Lepkość: ~11000 cP
Tlenek polietylenu (PEO)	Sigma-Aldrich, USA	372773-500G	Mw = 400000
Etanol	Sigma-Aldrich, USA	459836-500ML