De alta resolução padronização usando dois modos de Jet Electrohydrodynamic: queda na demanda e campo próximo eletrofiação

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para produzir padrões de condutoras de alta resolução utilizando a impressão jato de electrohydrodynamic (DHE). O protocolo inclui dois modos de impressão de jato EHD: a contínua eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão baseada em ponto drop-on-demand (DOD) EHD.

Resumo

Impressão de Electrohydrodynamic (DHE) jato tem chamado a atenção em vários campos, porque ele pode ser usado como uma ferramenta de padronização direta de alta resolução e baixo custo. Impressão de DHE usa um fornecedor fluídico para manter o menisco extrudado empurrando a tinta fora a ponta do bico. O campo elétrico é usado para puxar o menisco até o substrato para produzir padrões de alta resolução. Dois modos de impressão EHD têm sido usados para padronização bem: contínua eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão de DHE (DOD) drop-on-demand baseada em ponto. De acordo com os modos de impressão, os requisitos para a viscosidade de equipamento e tinta de impressão serão diferente. Apesar de dois modos diferentes podem ser implementados com uma única impressora EHD, os métodos de realização diferem significativamente em termos de tinta, sistema fluídico e tensão de condução. Consequentemente, sem uma compreensão adequada dos requisitos e limitações jorrando, é difícil obter os resultados desejados. O objetivo deste trabalho é apresentar uma orientação para que pesquisadores inexperientes podem reduzir os esforços de tentativa e erro para usar o jato EHD para seus específica fins de investigação e desenvolvimento. Para demonstrar a aplicação de multa-padronização, nós usamos a tinta de nanopartículas de Ag para a padronização condutora no protocolo. Além disso, também apresentamos as orientações de impressão generalizadas que podem ser usadas para outros tipos de tinta para várias aplicações de multa-padronização.

Introdução

Impressão jato EHD tem sido amplamente utilizada em várias áreas, tais como a eletrônica impressa, biotecnologia e aplicações avançadas de material, porque é capaz de direta de alta resolução e baixo custo, padronização de¹. A largura de linha impressa ou tamanho de ponto impresso poderia ser reduzido a 1 µm, que é significativamente menor do que convencional baseada em piezo inkjet impressão¹.

Na impressão de DHE, uma pequena porção de tinta (ou menisco) é empurrada para fora a ponta do bico e mantida por controlar o fluxo taxa^1,2,3,4,5 ou a pressão de ar^{1 ,6,7}. O menisco extrudado é cobrado e pode facilmente ser puxado para baixo da ponta do bocal ao substrato por um campo elétrico, como mostrado na Figura 1. O menisco cónico é formado durante o jateamento, produzindo um fluxo de tinta muito mais fino do que o tamanho do bocal.

Figura 1: impressão EHD. A figura mostra o princípio da impressão jato EHD. Tinta é empurrada através de pressão e puxado através de um campo elétrico para formar um menisco extrudado do bocal. Em seguida, a tinta carregada pode facilmente ser jorrada ao substrato através de um DC ou tensão de pulso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Mesmo que uma única impressora EHD pode ser usada de dois modos diferentes, eletrofiação de campo próximo (NFES) e impressão de jato drop-on-demand EHD (DOD), os métodos de realização diferem significativamente em termos de tinta, sistema fluídico e condução de tensão^{1 , 2 , 3}. por exemplo, NFES^4,5 usa uma tinta relativamente alta-viscoso [mais de 1.000 centipoises (cP)] para formar padrões de microlinha contínuos com impressão de alta velocidade até 1 m/s. Por outro lado, o DOD EHD jato de impressão^6,7,8 usa tinta baixa-viscoso com uma viscosidade de cerca de 10 cP para imprimir padrões complexos baseados no ponto com uma impressão de baixa velocidade inferior a 10 mm/s.

Desde que a exigência para cada modo é significativamente diferente, pode ser um desafio para os pesquisadores inexperientes alcançar os resultados desejados. O "know-how" empírico pode ser importante na prática. Para ajudar os pesquisadores a se acostumar com os métodos de impressão, apresentamos EHD impressão protocolos de bom patrocínio condutora usando tinta de nanopartículas de Ag. No entanto, nós adicionamos comentários aos protocolos, para que eles não estão limitados a uma condutor padronização usando tinta de nanopartículas de Ag. Finalmente, a impressão e preparação de diretrizes são apresentadas na seção de discussão.

Protocolo

Para fins de saúde e segurança, antes de usar qualquer tinta e limpeza de solução, consulte a folha de dados material de segurança (MSDS).

1. impressão por jacto de Electrohydrodynamic drop-on-demand usando tinta de nanopartículas de prata

1. Preencha a tinta de nanopartículas de prata filtrado (AgNP) no reservatório de tinta do sistema de impressão EHD.
   Nota: Tinta de AgNP comercialmente disponível pode ser usada para o efeito de jato de tinta. A tinta deve ter uma viscosidade de cerca de 10 cP e uma tensão de superfície de 20 ~ 40 mN/m para obter drop-on-demand jorrando.
2. Fazer um bico para a impressão de DOD EHD usando um extrator térmico.
   1. Coloque um capilar de vidro [diâmetro interno (ID) de 1 mm] no extrator térmico.
   2. Definir os parâmetros do extrator térmico; por exemplo, a temperatura de aquecimento na faixa de 580-590 ° C e a puxar uma velocidade de cerca de 18 mm/s.
      Nota: Os parâmetros para o extrator térmico devem diferir de acordo com o ID do bocal de destino e as condições do ambiente.
   3. Opere o extrator térmico com os parâmetros definidos para aplicar calor no centro do capilar e puxe em ambas de suas extremidades para fazer um bico com uma identificação de 5 µm.
      Nota: Determine o tamanho do bocal ID baseado no tamanho do ponto do alvo no substrato. Para referência, o ID de bocal de 5 µm poderia imprimir 5 µm de tamanho de pontos.
   4. Ajuste o comprimento do bocal de vidro cortando o vidro bico através de um cortador de vidro.
3. Monte o bocal para o bocal e o conector, que estão ligados a tinta reservatório através de politetrafluoretileno (PTFE) tubulação.
4. Aplica a pressão de ar para fornecer a tinta para a ponta do bico.
   1. Ligue o controlador de pressão de ar e aplique uma pressão de ar de 15 ~ 20 kPa para o reservatório de tinta para fornecer a tinta para a ponta do bico. Monitore o fluxo de tinta através do bocal de vidro transparente e tubulação para assegurar que nenhum ar é preso dentro do tubo e o bocal ao fornecer a tinta. Fique apertando ar para o reservatório de tinta até tinta aparece na ponta do bico.
      Nota: Não reduzem a pressão antes da tinta aparece na ponta do bico, porque isso poderia causar uma armadilha de bolha de ar na ponta do bico.
   2. Reduza a pressão para cerca de 12 kPa para manter o menisco extrudado sem qualquer tinta escorrer da ponta do bico.
      Nota: A pressão de ar adequada depende da viscosidade de tamanho e tinta do bocal. Não aumente a pressão de ar para mais de 30 kPa para evitar a compressão do ar excessiva, o que é indesejável para manter o menisco em condições estáveis.
5. Fixar a cabeça do bocal montado no sistema de impressão.
6. Coloque um substrato de vidro sobre o chuck vácuo do titular do substrato e ligue a bomba de vácuo para manter o substrato.
7. Mover o palco do eixo z para ajustar a distância do impasse (H) — a distância entre a ponta do bico e a posição de substrato — para aproximadamente 100 µm. usar a imagem de visão lateral adquirida pela câmera de monitoramento para estimar a distância do impasse usando a distância da ponta do bocal a sua reflexão, como mostrado na Figura 2.
   Nota: Uma distância menor de impasse leva a um campo elétrico maior, que poderia facilitar a impressão com uma menor tensões DC e pulso para jorrar. No entanto, uma distância menor de impasse poderia levar a gotas maiores. Portanto, a magnitude das tensões deve ser reduzida em conformidade para obter o tamanho de ponto desejado. Em geral, recomenda-se o uso de uma tensão mais baixa para obter menores impressos pontos com menos de pulverização. No entanto, uma operação cuidadosa é necessária se a distância do impasse torna-se menos de 50 µm, devido a maior chance de quebra do bocal pela colisão com o substrato. Considerando a relação de trade-off entre a capacidade jorrando e confiabilidade, recomendamos o uso de uma distância de impasse de 100 µm.

Figura 2: Stand-off ajuste de distância usando a imagem da câmera lateral Vista. A imagem do bocal de uma câmera de visão lateral pode ser usada para estimar a distância do impasse. A impasse distância (H) da ponta do bocal para o substrato pode ser facilmente estimada como metade da distância da ponta do bico à sua sombra. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

8. Aplicam-se Tensões DC e pulso
   Nota: As tensões DC e pulso podem ser controlado através do software de impressão.
   1. Aumente a tensão DC gradualmente até as gotas de tinta fora a ponta do bico.
      Nota: Não se aplica a tensão do alvo de uma só vez. A tensão incremental deve ser inferior a 100 V de cada vez. Em geral, não se aplica uma tensão DC de mais de 600 V.
   2. Reduza a tensão DC ligeiramente desde o início da tensão DC até não mais tinta escorrendo do bocal é observada.
      Nota: Após o ajuste da pressão pneumática e tensão DC, o menisco deve ser em uma forma apropriada para jorrar como mostrado em Complementar figura S1.
   3. Definir uma tensão de pulso negativo com os parâmetros de t_ascensão = 0 ~ 100 µs, t_habitar = 300 µs e t_queda = µs 0⁷ (Figura 3) no menu do software.
   4. Aplica a tensão de pulso negativo no titular substrato. Em seguida, ajuste a magnitude da tensão de pulso, V_pulso, para produzir uma gota por tensão de pulso único.
      Nota: A magnitude da tensão de pulso negativo, V_pulso, deve ser inferior a 600 V.
   5. Ajuste as tensões de fundo e pulso de DC para obter o tamanho de gota de alvo no substrato, respeitando os pontos de hidromassagem no substrato da imagem de câmera de vista de lado.
      Nota: Para produzir pequenos pontos com menos pulverização no substrato, a magnitude da tensão de pulso, V_pulso, deve ser tão baixa quanto possível.

Figura 3: tensão de pulso para DOD EHD jorrando. Recomenda-se o uso da tensão de forma de onda trapezoidal para produzir DOD EHD jorrando⁷. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

9. Padrões de impressão
   Nota: Dois tipos diferentes de padrões podem ser usados para impressão de DOD EHD: imagem de bitmap (CAD)-com base em informações do vetor. Imagem de bitmap foi amplamente utilizada na impressão de jato de tinta baseada no DOD. No entanto, no caso de aplicações de eletrônicos impressos, informações baseadas em CAD vetor tem vantagens sobre impressão jato de tinta baseada no DOD, porque é eficiente na impressão de linha de base usando uma única cabeça EHD. Ao mesmo tempo, as informações do vetor podem ser convertidas em uma imagem de bitmap para impressão de imagem de bitmap.
   1. Impressão de imagem de bitmap
      1. Carregar uma imagem de bitmap na aba impressão do software de impressão e convertê-lo em uma imagem binária.
      2. Defina os parâmetros para a impressão da imagem binária. Por exemplo, defina o intervalo de gota (ou seja, a distância entre 2 pixels consecutivos) em 10 µm.
         Nota: A imagem de bitmap não tem quaisquer dimensões físicas. As dimensões físicas da imagem impressa serão relacionadas ao intervalo de gota. Por exemplo, a imagem impressa torna-se maior se for usado um intervalo maior de queda. Na impressão a jato de tinta convencional, pontos por polegada (DPI) tem sido comumente usado para essa finalidade. No entanto, deve notar-se que um menor DPI significa um intervalo maior de queda. A fim de determinar o intervalo de gota, o tamanho de ponto impresso deve ser considerado. Em geral, o intervalo de gota para impressão EHD DOD é significativamente menor do que o da impressão a jato de tinta convencional.
      3. Começa a imprimir usando o bitmap selecionado no local de destino no substrato.
   2. Impressão de vetor com base nas informações do CAD
      1. Carrega as informações de CAD para impressão.
         Nota: O formato de arquivo DXF, que é baseado em texto informações do CAD, pode ser usado para obter as informações de impressão.
      2. Definir os parâmetros para impressão de vetor; por exemplo, defina o intervalo de gota em 3 µm e a frequência jorrando a 10 Hz.
         Nota: Para imprimir os padrões da linha conectada, o intervalo de gota deve ser escolhido para que Adjacent depositado gotas sobrepõem-se ligeiramente. No entanto, muita sobreposição pode resultar em uma maior largura de linha. Uma sobreposição de cerca de 30% é recomendada para qualquer impressão de linha prático. No caso de impressão, a velocidade de movimento (v) do vetor a seguinte equação.
         v = f × d
         Aqui,
         d = o intervalo de gota, e
         f = frequência jorrando.
      3. Imprimir os padrões carregados no substrato usando parâmetros de impressão pré-determinado, como o intervalo de queda, a velocidade de impressão, a tensão, etc.
         Nota: Após a impressão, um processo de sinterização pode ser necessário obter a condutividade desejada dos padrões impressos, que está além do escopo deste artigo.

2. fina linha condutora padronização usando eletrofiação de campo próximo

1. Fazer eletrofiação de campo próximo (NFES) tinta para impressão de linha condutora.
   1. Mistura de etanol e água desionizada (DI) com uma relação de volume de 3 (etanol) para 1 (água) para preparar o solvente 1. Por exemplo, misture 9 ml de etanol e 3 ml de DI água para fazer 12 ml de solvente 1.
   2. Misturar 0,3 g de poli (óxido de etileno) (PEO, M_wt = 400.000) e 9,7 g do solvente preparado 1 tornar-se uma solução de polímero com 3% em peso de PEO por agitação, utilizando um agitador magnético para mais de 6 h à temperatura ambiente (25 ° C).
   3. Nano Ag Mix colar de tinta, que tem uma viscosidade de aproximadamente 11.000 cP e a solução de polímero preparado, com uma relação de peso de 5 (Ag nano colar a tinta) para 1 (solução de polímero) usando um misturador do vortex durante 10 minutos para obter a tinta para NFES. Por exemplo, 10 g de nano Ag colar tinta e 2 g de solução de polímero podem ser misturado para obter a tinta NFES.
      Nota: No presente protocolo, a proporção de mistura materiais é geralmente mais importante do que a quantidade específica dos materiais. Comercialmente disponível nano Ag colar tinta para fins de impressão tela, que tem índices contínuos Ag de cerca de 85,5% em peso, pode ser usado para essa finalidade. Observe que a seleção do solvente e o polímero poderia diferem com base na composição da tinta usada.
2. Preencha a tinta NFES preparada na seringa.
3. Conecte a seringa com um bocal através do tubo de conexão.
   Nota: Uma agulha de seringa comercialmente disponíveis com uma identificação de 100 µm pode ser usada para o bico.
4. Fornecer a tinta para o bico, empurrando a seringa manualmente.
5. Instale a seringa no motor seringa, que é ligado ao sistema de impressão.
6. Coloque um substrato sobre o mandril a vácuo e ligue a bomba de vácuo para manter o substrato durante a impressão.
7. Controle de Z-posição (palco) para ajustar a distância do impasse.
   Nota: A distância do impasse recomendada deve ser em torno de 2 mm, que é significativamente menor impasse distância em comparação com aquele usado com eletrofiação convencional.
8. Ajustar a taxa de fluxo
   1. Acione a bomba de seringa para encher a tinta NFES no assembly do bocal e gerar um fluxo de tinta com uma taxa de fluxo inicial de 50 µ l/min, que é maior do que a taxa de fluxo do alvo.
   2. Defina uma taxa de fluxo do alvo de 1 µ l/min quando a tinta escorre para fora a ponta do bico.
      Nota: Uma menor taxa de fluxo pode resultar em uma menor largura padrão. No entanto, pode causar quebra de linha. O trade-off entre a largura da linha e a continuação da linha deve ser considerado quando a taxa de fluxo do alvo é determinada.
9. Aplicar tensão
   1. Ligue a fonte de tensão DC ao conector do bico e a tensão do solo ao titular do substrato.
   2. Aumentar a voltagem DC gradualmente a 1,5 kV.
      Nota: Desde que a distância do impasse está no intervalo de poucos milímetros, a tensão DC pode ser aumentada até 2 kV, que é maior do que de DOD EHD jato de impressão. No entanto, uma tensão contínua superior a 2 kV deve ser evitados, pois isso pode danificar o material funcional, especialmente Ag colar tinta, adicionar à solução de polímero. Em geral, uma baixa tensão DC é recomendada quando uma linha mais fina impressa é necessária. No entanto, as linhas impressas podem ser facilmente desconectadas quando uma baixa tensão é usada, porque a força puxando para impressão de tinta contínua está relacionada com a tensão DC. Considerando os trade-offs, recomendamos o uso de uma tensão de C.C. que variam de 1 kV a 2 kV.
10. Inicie a impressão ociosa com uma velocidade de impressão de 300 mm/s por mais de 10 min obter um fluxo de estado estacionário. Ajuste os parâmetros de impressão tais como a taxa de fluxo e tensão de DC durante a impressão ociosa para obter os resultados desejados de impressão.
    Nota: Impressão ocioso de mais de 10 min é necessário para obter um fluxo de estado estacionário, porque a tinta viscosa pode ser compactada na tubulação de longo durante a entrega de tinta na ponta do bico. Sem impressão ociosa, pode alterar a largura da linha impressa com o tempo. A velocidade de impressão ociosa, assim, seria o mesmo que a velocidade real de impressão para que o jorrando parâmetros podem ser ajustados durante a impressão. Desta forma, a tensão DC é ajustada durante a impressão ociosa para obter a largura de linha de destino. Note-se que a taxa de fluxo e tensão DC devem ser equilibradas, para que a quantidade de tinta, empurrada pela bomba de seringa pode ser igual à quantidade de tinta puxada para baixo pelo campo elétrico.
11. Escolha o padrão de impressão, tais como uma contínua padrões de linha e grade.
    Nota: Uma vez que a fibra produzida pode ser facilmente desviada e pode ser depositada aleatoriamente por causa da força de repulsão de carga gerada pelas linhas impressas, a velocidade de impressão deve ser superior a 300 mm/s para alinhar o padrão com as instruções de impressão e o para ser mais de 100 µm para imprimir os padrões gird ou linha, recomenda-se espaçamento entre as linhas impressas.
12. Imprima o padrão selecionado no substrato usando parâmetros de impressão pré-determinado.
    Nota: Um processo de sinterização pode ser necessário obter as funcionalidades do alvo dos padrões impressos, que está além do escopo deste artigo.

Resultados

Impressão de drop-on-demand baseada em ponto:
Impressão de DOD é baseado em uma gota jorrando por um gatilho jorrando. Para produzir o DOD jorrando, tinta baixa-viscoso com uma viscosidade de aproximadamente 10 cP deve ser usado. A exigência de tinta para impressão EHD DOD é similar do jato de tinta DOD convencional, como é o método de impressão EHD do jato de tinta convencional do DOD. No caso de impressão a jato de tinta convencional, a técnica de impressão de raster...

Discussão

Neste protocolo, focalizamos bem padrões usando tinta AgNP com dois modos de impressão: impressão de DOD EHD e NFES. No entanto, o aplicativo de impressão de jato de DHE não está limitado à tinta condutiva usando AgNP. Aqui, vamos discutir as orientações gerais para a seleção de tinta, a configuração do sistema e outros parâmetros de impressão necessários para a utilização de impressão para várias aplicações de multa-padrão de jato EHD.

O primeiro e mais importante passo para a impressão de DH...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Sistema de impressão integrado EHD	Psolution Ltd., Coreia do Sul	PS300
Harima Ag Tinta de nanopartículas	Harima Inc., Japão	Harima NPS-JL	Ag teor de sólidos: ~ 53% em peso, Viscosidade: ~10 cP, Tensão superficial: ~30 mN/m
Capilar de vidro	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Diâmetro interno: 1 mm; Usado para fazer bico para impressão a jato DOD EHD usando extrator térmico
Extrator térmico de bico	Sutter Instrument, EUA	Lâminas de microscópio Sutter P-1000
(substrato de vidro)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Alemanha	10 006 12	Dimensão (C x L x E): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Agitador magnético	Barnstead Thermolyne Corp., EUA	Agitador
	Jeiotech, Coreia do Sul	Lab Companion VM-96T
Ag nanopaste	NPK, Coreia do Sul	ES-R001	Ag teor sólido: ~85,5% em peso, Viscosidade: ~11000 cP
Óxido de polietileno (PEO)	Sigma-Aldrich, EUA	372773-500G	Mw = 400000
Etanol	Sigma-Aldrich, EUA	459836-500ML