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Bioengineering

Impression Planar et en trois dimensions des encres conductrices

doi: 10.3791/3189 Published: December 9, 2011

Summary

Impression Planar et en trois dimensions du conducteur encres métalliques est décrite. Notre approche offre de nouvelles avenues pour la fabrication d'imprimés électroniques, optoélectroniques et appareils biomédicaux dans les présentations inhabituelles à l'échelle microscopique.

Abstract

L'électronique imprimée fier à faible coût, les voies de fabrication de grande surface pour créer des flexibles ou multidimensionnelles électroniques, optoélectroniques et de dispositifs biomédicaux 1-3. Dans ce papier, nous nous concentrons sur une seule (1D), deux (2D), et en trois dimensions (3D) d'impression des encres métalliques conductrices sous la forme de micro-électrodes souples, extensibles, et couvrant.

Direct-écriture de montage 4,5 est une technique d'impression de 1 à 3D qui permet la fabrication de fonctionnalités allant de simples lignes de structures complexes par le dépôt d'encres concentrées à travers des buses fines (~ 0,1 à 250 um). Cette méthode d'impression se compose d'une étape contrôlée par ordinateur de traduction à 3 axes, un réservoir d'encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour la visualisation. Contrairement à l'impression jet d'encre, un procédé à base de gouttelettes, écriture directe implique l'assemblage de l'extrusion de filaments d'encre soit dans ou hors du plan. Les filaments imprimés généralement conformes à la taille de la buse. Hence, les caractéristiques micro (<1 micron) peut être modelé et assemblés en plus des tableaux multidimensionnels et les architectures.

Dans ce papier, nous avons d'abord synthétiser une encre argentée très concentrées de nanoparticules pour l'impression planaires et 3D VIA écriture directe assemblage. Ensuite, un protocole standard pour l'impression de microélectrodes en motifs multidimensionnelle est démontrée. Enfin, les applications de microélectrodes imprimés pour les antennes électriquement petites, les cellules solaires, et les diodes électroluminescentes sont en surbrillance.

Protocol

1. Présentation

  1. Ce document démontre les codes 1D, 2D, 3D et l'impression de microélectrodes via conducteur écriture directe assemblage.
  2. Direct-écriture de l'Assemblée est une méthode de construction de 1D à 3D des structures imprimées par le dépôt d'encres concentrées à travers des buses fines.
  3. Notre système se compose d'un ordinateur contrôlé par platine de translation 3 axes, un réservoir d'encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour l'imagerie (figure 1).
  4. Direct-écriture de l'Assemblée est une approche dans laquelle l'impression filamenteux encres concentrées sont extrudés à travers des buses cylindriques dont les diamètres vont de 0,1 à 250 mm (figure 2). Notamment, en raison des caractéristiques viscoélastiques d'encre, écriture directe permet l'assemblage autoportant caractéristiques couvrant (figure 3). À ce jour, une large gamme d'encres, y compris celles qui sont composées de céramique 6,7, 8-10 organiques, métalliques 11-15, polymériques 16,17, et sol-gel 18,19 matériaux ont étédéveloppées pour l'impression de cette approche (figure 4).

2. Préparation des encres très concentrées de nanoparticules d'argent

  1. Encres de nanoparticules d'argent sont préparés en dissolvant d'abord un mélange de 5000 et de 50 000 poids moléculaire (acide acrylique) poly dans un mélange de 50 g d'eau et 40 g de diéthanolamine (vidéo 2.1).
  2. Le polymère agit comme un agent de coiffage pour contrôler la taille des nanoparticules d'argent.
  3. Ensuite, une solution aqueuse de nitrate d'argent est injecté dans la solution de polymère. Après l'addition, une lumière solution jaune transparente est obtenue (vidéo 2.2).
  4. Après agitation pendant 24 heures à température ambiante, la solution développe une couleur rouge-brun (vidéo 2.3), qui coïncide avec la formation de nanoparticules d'argent de 5 nm de diamètre, tel que déterminé par microscopie électronique à transmission.
  5. Ensuite, la solution est soniquée à 65 ° C dans un bain d'eau pendant 2 heures pour la croissance des particules supplémentaires (vidéo 2.4).
  6. After sonication, la solution est transférée dans un bécher de 500 ml et refroidi à température ambiante. Puis, 300 ml d'éthanol est titrée à un taux de 30 ml / min. Depuis l'éthanol est un mauvais solvant pour le poly (acide acrylique) agent de coiffage, les particules coagulent rapidement et précipiter de la solution (vidéo 2.5).
  7. Après décantation du surnageant, le précipité est recueilli dans un tube de centrifugeuse et centrifugés à 9000 rpm pendant 20 minutes (vidéo 2.6).
  8. Après cette étape, une encre argentée très concentrées de nanoparticules solides avec un chargement de ~ 85% en poids est obtenue (Vidéo 2,7).
  9. Un contrôle supplémentaire sur la viscosité de l'encre et le module d'élasticité peut être obtenue par dilution, suivie d'une homogénéisation. Pour un exemple, une solution humectant tel que l'éthylène glycol, peuvent être ajoutées à l'encre et ensuite homogénéisé à 2000 rpm pendant 3 minutes en utilisant un mélangeur homogénéisation Thinky. Après ce processus, une encre uniforme d'un bleu à la couleur magenta est obtenue (Vidéo 2,8).
  10. L'image TEM montrenanoparticules d'argent obtenue par ce procédé de synthèse (figure 5_left). Les particules ont un diamètre moyen de 20 nm avec une distribution de taille de 5-50 nm. Imprimé structures nécessitent post-recuit pour améliorer leur conductivité. Après recuit à 250 ° C pendant au moins 30 min, les nanoparticules d'argent sous forme de microélectrodes conductrice avec une résistivité électrique s'approche à 10 -5 Ω • cm (figure 5_bottom droite). L'évolution de la microstructure de l'argent microélectrodes imprimés en fonction de la température de recuit est montré dans la figure 5_top droite. Comme la température augmente de 150 ° à 550 ° C, les microélectrodes subissent une densification avec un retrait volumique total de ~ 30% 11.
  11. La rhéologie d'encre, qui dépend fortement de son chargement solides, détermine son imprimabilité. Les augmentations de viscosité de l'encre avec un chargement de solides augmente (figure 6). Parce que diluer les encres à faible viscosité avec un résultat dans une importante propagation latérale, concentrencres ATED avec un chargement solides allant de 70 à 85% sont nécessaires pour l'impression de filaments d'encre planaire et couvrant.
  12. L'encre module élastique augmente avec chargement des solides augmente (figure 7). Dans la région viscoélastique linéaire, le module d'élasticité s'élève à près de trois ordres de grandeur que la charge augmente solides 60 à 75% en poids. Un module minimum élastique de 2000 Pa est nécessaire pour produire l'auto-soutien ou enjambant fonctionnalités.

3. Direct-écriture de l'Assemblée

  1. Direct-écriture de montage est effectué par du premier chargement de l'encre dans une seringue. Après avoir attaché une buse dépôt, l'encre-chargé seringue est monté sur la scène d'impression 3-axes (vidéo 3.1).
  2. En utilisant un programme informatique, dessins arbitraires, y compris linéaire, planaire, et complexe en trois dimensions des structures peuvent être facilement générés (vidéo 3.2).
  3. Ensuite, la hauteur est ajustée buse à l'aide de lentilles de télescope avec un zoom 10x (vidéo 3.3). Après l'application de la pression en utilisant un avion alimenté par du fluide du système de distribution, l'encre est déposée sur le substrat avec une vitesse d'impression contrôlée (vidéo 3.4). La pression requise dépend de la rhéologie d'encre, diamètre de la buse, et la vitesse d'impression, mais les valeurs typiques vont de 10 à 100 psi à 20 à 500 um / s. Cette impression est effectuée dans l'air à température ambiante. L'utilisation de ce procédé d'impression, l'impression des microélectrodes d'argent dans différents modèles et échelles de taille est démontrée.
  4. Pour un exemple, l'impression des grilles argent conductrice avec un interligne de centre à centre de 100 pm, modelée par une buse de 5 um sur un substrat plaquette de silicium est démontré (vidéo 3.5).
  5. De plus, cette vidéo montre comment créer une structure aspect ratio élevé cylindrique par une buse de 30 um en utilisant une méthode d'impression couche par couche (vidéo 3.6).
  6. Par ailleurs, l'impression omnidirectionnelle des microélectrodes d'argent entre deux substrats de verre compensée par une hauteur de 1 mm différences est démontrée en utilisant une buse de 30 um (vidéo 3.7).
  7. Complètement autonome, microspikes d'argent à la verticale imprimée peut être créé par une buse de 30 um sur un substrat silicium plaquette (Vidéo 3,8).
  8. Enfin, cette vidéo montre l'écriture directe d'une microélectrode d'argent couvrant l'aide d'une buse de 10 um (Vidéo 3,9). La fonction imprimée peut s'étendre sur des distances allant jusqu'à un centimètre avec un minimum d'affaissement ou de flambage.

4. Les résultats représentatifs:

Nous avons préparé un encres hautement concentré de nanoparticules d'argent et a démontré des caractéristiques conductrices imprimées de motifs planaires et 3D pour des applications électroniques et optoélectroniques avec une résolution d'impression ~ 2 - 30 um. Pour un exemple, la figure 8 montre la résolution d'impression de cette technique. Imprimé avec des fonctionnalités largeur d'électrode minimum de ~ 2 um (1,4 um d'épaisseur) sont obtenues en une seule passe en utilisant une buse de 1 um 11.

Figure 9 montrents transparente grilles argent conductrice, modelée par une buse 5 um sur un film polyimide souple 12. Les textes sous les grilles imprimées sont clairement visibles. Ces grilles d'argent transparente pourraient constituer des alternatives attrayantes pour l'oxyde conducteur transparent (TCO) des matériaux.

Impression conforme sur un substrat non-planaire est également activée par cette méthode. La figure 10 montre l'impression conformationnelle 3D d'une antenne électriquement petite. Une buse 100 um métal est utilisé pour imprimer des méandres en ligne des motifs sur la surface d'un verre hémisphère 13. Cette approche peut trouver plusieurs applications y compris les antennes implantables et portables, l'électronique et les capteurs.

Les demandes de microélectrodes d'argent couvrant en trois dimensions photovoltaïque et les diodes électroluminescentes sont démontrées (Figure 11-14).

Premièrement, la figure 11 est un exemple de silicium sphériques coquille. Ce film ténu avec un t 2-umPAISSEUR peut être fil lié à un circuit externe par l'impression omnidirectionnel 14. Cette méthode utilise la pression de contact minimale, qui est très avantageux pour les appareils délicats.

Ensuite, la Figure 12 montre un exemple d'impression d'une interconnexion couvrant une gamme de silicium solaire dans laquelle Microcell éléments silicium microruban sont séparés par 33 um écart de 15.

Ensuite, la Figure 13 montre en argent pour les interconnexions arséniure de gallium à base large LED avec 4-en-4 pixels, où chaque pixel (500 x 500 x 2,5 um 3) est espacé 200 um en dehors 11. L'image du bas affiche le tableau de LED, émettant une lumière rouge uniforme, sous une tension appliquée de 6 V à partir d'un seul pixel. La possibilité d'imprimer des électrodes couvrant permet l'interconnexion multicouches sans l'utilisation de couches de support ou sacrificiels (images du haut).

Comme une démonstration finale, la figure 14 montre des images SEM pour le micro 3D complexestreillis d'argent roperiodic imprimé par une buse 5 um.

Figure 1
Figure 1. Image optique de l'appareil de l'encre d'écriture directe.

Figure 2
Figure 2. Écrit d'encre directe d'une caractéristique filamenteux.

Figure 3
Figure 3. Écrit d'encre directe de l'auto-support fonctionnalités couvrant.

Figure 4
Figure 4. Conceptions d'encre pour l'écriture d'encre directe. Une large gamme d'encres viscoélastique concentrés ont été développés pour l'écriture directe de structures planaires et complexes en 3D avec des fonctions micro-échelle.

Figure 5
Figure 5. (Gauche) par microscopie électronique à transmission (MET) l'image de nanoparticules d'argent. (En haut à droite) SEM images de microélectrodes d'argent à motifs avec une buse de 15 um en fonction de la température de recuit. (En bas à droite) Résistivité électrique de microélectrodes d'argent en fonction de la température de recuit et de temps.

Figure 6
Figure 6. Viscosité apparente (η) des encres de nanoparticules d'argent comme une fonction de chargement des solides.

Figure 7
Figure 7. Shear module élastique (G ') en fonction de la contrainte de cisaillement pour les encres de différentes nanoparticules d'argent de chargement solides.

Figure 8
Figure 8. Images MEB de tableaux de microélectrodes planaire d'argent à motifssur une plaquette de silicium avec une buse de 1-um.

Figure 9
Figure 9. Optique d'image de la transparence des grilles d'argent conducteur (à gauche) et images MEB des grilles imprimées en fonction de la hauteur de ligne (droite).

Figure 10
Figure 10. Optique d'image capturée pendant l'impression d'antennes conforme électriquement petites sur un substrat de verre hémisphérique.

Figure 11
Figure 11. Optique d'image obtenue lors de l'impression des microélectrodes couvrant d'argent sur ​​un mince (2-um) de silicium coquille sphérique.

Figure 12
Figure 12. Image MEB d'une micro-électrode d'argent couvrant imprimées sur un substrat de silicium afinarray Microcell LAR.

Figure 13
Figure 13. Images MEB (en haut) et d'image optique (en bas) d'un 4-en-4 puce à LED interconnectés par microélectrodes argent.

Figure 14
Figure 14. Image MEB de treillis 3D d'argent microperiodic.

Discussion

Approches conventionnelles d'impression à base de gouttelettes, tels que l'impression jet d'encre, sont limitées à la fabrication d'électrodes planaires à faible rapport d'aspect en raison de la nature diluer et à faible viscosité des encres utilisées. Récemment, la nanolithographie dip-pen (DPN) 20-22 et e-impression à jet d'23-25 ​​ont été utilisés à des fonctionnalités motif conducteur. Ces routes aussi employer diluées, les encres à faible viscosité. Pearton et co-travailleurs ont utilisé DPN pour déposer une encre argent disponible dans le commerce des nanoparticules à des vitesses d'écriture allant jusqu'à 1600 um largeurs s -1 et une ligne d'environ 0,5 um 22. Toutefois, fabrication de modèles reproductibles sur de grandes surfaces n'a pas encore été démontrée par cette approche. Encres de nanoparticules d'argent ont également été déposés par e-impression à jet pour former des traces conductrices avec des largeurs de ligne de ~ 1,5 um 25. Cependant, comme avec l'impression jet d'encre, inhomogène caractéristiques imprimées peuvent survenir en raison de la formation de gouttes satellites et non uniforme Drop Drying 24,25.

Comme démontré ci-dessus, écriture directe assemblage de nanoparticules d'argent concentrée encres surmonte ces limitations par une approche basée sur l'impression filamenteux. Cette technique permet la fabrication de microélectrodes conducteur avec un aspect ratio élevé (h / w ≈ 1,0) en un seul passage permettant la création de codes 1D, 2D, 3D et des architectures. La taille des caractéristiques imprimées dépend de diamètre de la buse, l'encre solide de chargement, la pression appliquée et la vitesse d'impression. À ce jour, des traces conductrices aussi petit que ~ 2 um ont été modelée en utilisant une buse de 1 um à une vitesse modérée (<2 mm s -1). En adaptant la composition d'encre et de géométrie de la tuyère, des vitesses d'impression maximales supérieures à 10 cm -1 s sont possibles. Toutefois, l'impression haute vitesse de l'utilisation de buses fines (<5 um) reste un défi important.

Pour démontrer les applications de montage écriture directe, nous avons fabriqué des grilles conductrices, elantennes ectrically petites cellules solaires, et des diodes électroluminescentes avec des surfaces planes et couvrant les électrodes imprimées (figure 8-14). Notamment, notre approche n'est pas limitée à la création de structures métalliques. L'utilisation d'encre conçoit d'autres, telles que celles basées sur la fibroïne de soie, d'hydrogel et fugitives des encres organiques, nous avons construit des échafaudages 3D et des réseaux microvasculaires pour l'ingénierie tissulaire et de culture cellulaire par écriture directe Assemblée 26-30.

En regardant vers l'avenir, il ya de nombreuses opportunités et de défis. D'autres avancées exigent une conception nouvelle encre, une meilleure modélisation de la dynamique des flux de l'encre, et le renforcement des systèmes robotisés et de contrôle. Grande surface de fabrication de structures 1D à 3D avec un débit élevé et résolution nanométrique (<100 nm) demeure un défi important.

Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgments

Ce matériau est basé sur le travail soutenu par le Département américain de l'Énergie, des Sciences et Génie des Matériaux Division (n ° Prix DEFG-02-07ER46471) et le DOE Energy Research Center sur la lumière-Matériaux Interactions en conversion d'énergie (Prix n ° DE-SC0001293 ), et a bénéficié de l'accès au Centre de microanalyse des matériaux dans le Frederick Seitz Matériaux Laboratoire de recherche (FSMRL).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Poly(acrylic acid) Polysciences, Inc. 06519 m.w. 5,000 g/mol
Poly(acrylic acid) Polysciences, Inc. 00627 m.w. 50,000 g/mol
Silver nitrate Sigma-Aldrich 209139 Silver source
Diethanolamine Sigma-Aldrich D8885 Solvent/Reducing agent
Ethylene glycol Sigma-Aldrich 102466 Humectant
Sonicater Fisher Scientific FS30H -
Centrifuge Beckman Coulter Inc. AvantiTM J-25 I -
Robotic stage Aerotech Inc. ABL 900010 3-axis motion
Syringe barrel EFD Inc. 5109LBP-B 3 ml
Nozzle EFD Inc. - i.d. = 0.1 - 250 μm
Dispenser EFD Inc. 800 Air-powered
Design software Custom Made - Mingjie Xu

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