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Bioengineering

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

doi: 10.3791/3189 Published: December 9, 2011

Summary

Planar-und dreidimensionalen Drucken von leitfähigen metallischen Farben beschrieben wird. Unser Ansatz bietet neue Wege zur Herstellung von gedruckten elektronischen, optoelektronischen und biomedizinische Geräte in ungewöhnlichen Layouts auf der Mikroebene.

Abstract

Gedruckte Elektronik setzen auf kostengünstige, großflächige Herstellung Routen flexibel oder mehrdimensionale elektronische, optoelektronische und biomedizinische Geräte 1-3. In diesem Papier konzentrieren wir uns auf ein-(1D), zwei-(2D) und dreidimensionale (3D) Drucken von leitfähigen metallischen Farben in Form von flexiblen, dehnbaren und Spanning Mikroelektroden.

Direct-schreiben Montage 4,5 ist eine 1-zu-3D-Drucktechnik, die die Herstellung von Funktionen reichen von einfachen Linien bis hin zu komplexen Strukturen, die durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen (~ 0,1 bis 250 um) ermöglicht. Dieses Druckverfahren besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Visualisierung. Im Gegensatz zu Inkjet-Druck, ein Tröpfchen-basierten Prozess beinhaltet direkte Schreib-Montage der Extrusion von Tinte Filamente entweder in-oder out-of-plane. Die gedruckte Fäden in der Regel erfüllen die Düsengröße. Hence können mikro-Funktionen (<1 m) strukturiert und in größere Arrays und mehrdimensionale Architekturen aufgebaut werden.

In diesem Papier haben wir zunächst Synthese einer hoch konzentrierten Silber-Nanopartikel Tinte für ebene und 3D-Druck mittels direkter Schreib-Montage. Als nächstes ist ein Standardprotokoll für den Druck Mikroelektroden in multidimensionalen Motiven demonstriert. Schließlich werden Anwendungen gedruckter Mikroelektroden für elektrisch kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden markiert.

Protocol

1. Einführung

  1. Dieses Papier zeigt die 1D-, 2D-und 3D-Drucken von leitfähigen Mikroelektroden via Direct-Write-Montage.
  2. Direct-schreiben Montage ist eine Methode zum Aufbau 1D-zu 3D-gedruckten Strukturen durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen.
  3. Unser System besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Bildgebung (Abbildung 1).
  4. Direct-schreiben Assembly ist eine fadenförmige Druck Ansatz, bei dem konzentrierten Farben sind durch zylindrische Düsen mit Durchmessern von 0,1 bis 250 um (Abbildung 2) extrudiert. Insbesondere aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften Tinte, ermöglicht den direkten Schreib-Montage freitragend überspannt Funktionen (Abbildung 3). Bis heute haben eine breite Palette von Farben, einschließlich derjenigen aus Keramik 6,7 komponierte, organische 8-10, metallic 11-15, polymere 16,17 und Sol-Gel 18,19 Materialienentwickelt für dieses Druckverfahren Ansatz (Abbildung 4).

2. Herstellung von hochkonzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten

  1. Silber-Nanopartikel-Tinten sind indem zunächst eine Mischung aus 5.000 und 50.000 Molekulargewicht von Poly (acrylsäure) in einer Mischung aus 50 g Wasser und 40 g Diethanolamin (Video 2,1) vorbereitet.
  2. Das Polymer wirkt als Verkappungsmittel, um die Größe des Silber-Nanopartikeln zu steuern.
  3. Als nächstes wird eine wässrige Lösung von Silbernitrat in die Polymerlösung injiziert. Nach der Zugabe ist eine hellgelbe transparente Lösung erhalten (Video 2,2).
  4. Nach Rühren für 24 Stunden bei Raumtemperatur, entwickelt die Lösung eine rötlich-braune Farbe (Video 2,3), dass mit der Bildung von Silber-Nanopartikeln von 5 nm Durchmesser, durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt zusammenfällt.
  5. Anschließend wird die Lösung bei 65 ° C in einem Wasserbad für 2 Stunden für weitere Partikelwachstum (Video 2,4) beschallt.
  6. After Ultraschall ist die Lösung für ein 500 ml Becherglas überführt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wird 300 ml Ethanol mit einer Geschwindigkeit von 30 ml / min titriert. Da Ethanol ist ein schlechtes Lösungsmittel für das Poly (acrylsäure) Verkappungsmittel, die Partikel schnell gerinnt und aus der Lösung ausfällt (Video 2,5).
  7. Nach dem Dekantieren des Überstands wird der Niederschlag in ein Zentrifugenröhrchen gesammelt und zentrifugiert bei 9000 rpm für 20 Minuten (Video 2,6).
  8. Nach diesem Schritt ist eine hoch konzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte mit einem Festgehalt Laden von ~ 85 Gew.% erhalten (Video 2,7).
  9. Weitere Kontrolle über Viskosität und Elastizitätsmodul kann durch Verdünnung erreicht werden, gefolgt durch Homogenisierung. Ein Beispiel kann ein Feuchthaltemittel Lösung, wie Ethylenglykol, um die Tinte hinzugefügt werden und dann bei 2000 rpm für 3 Minuten mit einem Thinky Homogenisierung homogenisiert. Nach diesem Verfahren wird eine einheitliche Farbe von bläulich bis magenta Farbe erhalten (Video 2,8).
  10. Die TEM-Aufnahme zeigtSilber-Nanopartikel durch diese Synthese-Verfahren (Abbildung 5_left) erhalten. Die Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von 20 nm mit einer Größenverteilung von 5-50 nm. Gedruckt Strukturen erfordern post-Glühen auf ihre Leitfähigkeit zu verbessern. Nach dem Glühen bei 250 ° C für weniger als 30 min, bilden die Silber-Nanopartikel leitenden Mikroelektroden mit einem spezifischen elektrischen Widerstand nähert sich bis 10 -5 Ω • cm (Abbildung 5_bottom rechts). Die mikrostrukturellen Entwicklung der gedruckten Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur ist in Abbildung 5_top rechts dargestellt. Mit zunehmender Temperatur von 150 ° bis 550 ° C, unterzogen die Mikroelektroden Verdichtung mit insgesamt Volumenschrumpfung ~ 30%. 11
  11. Die Tinte Rheologie, die stark abhängig von seiner Feststoffe Laden, bestimmt seine Bedruckbarkeit. Die Tinte Viskosität mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 6). Da verdünnter Tinten mit niedriger Viskosität zu einer erheblichen seitliche Ausbreitung, konzentrEINZELNEN SEKTOREN Tinten mit einem Festgehalt Laden reicht von 70 bis 85 Gew.% sind für den Druck von planaren und Spanning Tinte Filamente benötigt.
  12. Die Tinte Elastizitätsmodul mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 7). In der linearen viskoelastischen Bereich, steigt der Elastizitätsmodul nahezu drei Größenordnungen wie die Feststoffe Laden steigt von 60 bis 75 Gew.%. Ein Minimum Elastizitätsmodul von 2000 Pa ist erforderlich, um freitragende oder Spanning Features zu produzieren.

3. Direct-schreiben Montage

  1. Direct-schreiben die Montage erfolgt, indem zunächst das Laden der Tinte in eine Spritze durchgeführt. Nach dem Anbringen einer Ablagerung Düse wird die Farbe beladene Spritze auf den 3-Achsen-Druckphase (Video 3,1) montiert.
  2. Mit Hilfe eines Computerprogramms, beliebige Designs, einschließlich linear, planar, und komplexe dreidimensionale Strukturen können einfach erzeugt werden (Video 3,2).
  3. Als nächstes wird die Düse Höhe mit Hilfe von Teleskop-Objektiv mit einem 10fach-Zoom (Video 3,3) eingestellt. Nach Anwendung von Druck mit Hilfe eines Druckluft-Fluid-Dosiersystem wird die Farbe auf das Substrat mit einer kontrollierten Druckgeschwindigkeit (Video 3,4) hinterlegt. Der erforderliche Druck hängt von Tinte Rheologie, Düsendurchmesser und Druckgeschwindigkeit, sondern typische Werte liegen im Bereich von 10 bis 100 psi bei 20-500 mu m / s. Dieser Druck ist in der Luft bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit diesem Druckverfahren wird das Drucken von Silber Mikroelektroden in verschiedenen Layouts und Größenskalen demonstriert.
  4. Ein Beispiel ist das Drucken von Leitsilber Gitter mit einer Mitte-zu-Mitte-Zeilenabstand von 100 um, von einem 5-um Düse auf einem Silizium-Wafer-Substrat strukturiert gezeigt (Video 3,5).
  5. Darüber hinaus zeigt dieses Video, wie man ein hohes Aspektverhältnis zylindrische Struktur mit einem 30-um Düse mit einem Layer-by-Layer-Druckverfahren (Video 3,6) zu schaffen.
  6. Darüber hinaus die omnidirektionale Druck von Silber Mikroelektroden zwischen zwei Glas-Substrate mit einem 1-mm Höhe di Offsetfference nachgewiesen wird mit einem 30-um-Düse (Video 3,7).
  7. Völlig frei stehend, kann vertikal gedruckt Silber microspikes von einem 30-Düse um auf einem Si-Wafer-Substrat (Video 3,8) erstellt werden.
  8. Schließlich zeigt dieses Video direktes Schreiben eines Spanning Silber Mikroelektroden mit einem 10-um-Düse (Video 3,9). Die gedruckte Feature kann Spannweiten bis zu einem Zentimeter mit minimalem hängenden oder Knicken.

4. Repräsentative Ergebnisse:

Wir bereiteten eine hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinten und demonstrierte gedruckten Leiterbahnen Funktionen in planaren und 3D-Motive für elektronische und optoelektronische Anwendungen mit Druck-Auflösung ~ 2 bis 30 um. Ein Beispiel, Abbildung 8 zeigt die Druckauflösung von dieser Technik. Gedruckt Funktionen mit einem Minimum an Elektrode Breite von ~ 2 pm (1,4 &mgr; m dick) werden in einem einzigen Durchlauf mit einem 1-Düse um 11 erhalten.

Abbildung 9 zeigts transparente leitfähige Silber Gitter, durch einen 5 um Düse auf eine flexible gemusterte Polyimid-Folie 12. Die Texte unter den gedruckten Netze sind deutlich sichtbar. Diese transparenten Silber Netze könnten attraktive Alternativen für transparente, leitfähige Oxide (TCO) Materialien.

Conformal Druck auf eine nicht-planaren Substraten wird auch durch diese Methode aktiviert. Abbildung 10 zeigt die konforme Drucken von 3D elektrisch kleine Antenne. A 100 um Metalldüse wird verwendet, um Mäander-Linienmuster auf der Oberfläche eines Glashalbkugel 13 Drucken. Dieser Ansatz kann sich mehrere Anwendungen wie implantierbare und tragbare Antennen, Elektronik und Sensorik.

Anwendungen von Spanning Silber Mikroelektroden in dreidimensionale Photovoltaik und Leuchtdioden sind nachgewiesen (Abb. 11-14).

Zuerst wird Abbildung 11 ein Beispiel für Silizium Kugelschale. Diese dürftige Film mit einer 2-um thickness werden kann, um einen äußeren Stromkreis durch omnidirektionale Druck 14 Draht-gebunden. Diese Methode verwendet geringem Anpressdruck, was sehr vorteilhaft für empfindliche Geräte.

Als nächstes zeigt Abbildung 12 ein Beispiel für das Drucken eines Spanning-Interconnect für einen Silizium-Solarzellen Mikrozelle Array, in dem Silizium-microribbon Elemente durch 33-um Spalt 15 voneinander getrennt sind.

Als nächstes Abbildung 13 zeigt Silber-Verbindungen für die Gallium-Arsenid-Basis LED-Array mit 4-by-4 Pixel, wobei jedes Pixel (500 x 500 x 2,5 mu m 3) ist 200 pm Abstand 11 beabstandet. Das untere Bild zeigt das LED-Array, emitting einheitliche rote Licht bei einer angelegten Vorspannung von 6 V von einem einzelnen Pixel. Die Fähigkeit, Spanning Elektroden print ermöglicht mehrschichtige Verbindung ohne den Einsatz von Stütz-oder Opferschichten (top Bilder).

Als letzte Demonstration, Abbildung 14 zeigt REM-Aufnahmen für die komplexen 3D-microperiodic silber Gitter durch einen 5 um Düse gedruckt.

Abbildung 1
Abbildung 1. Optical Image der direkten Tintenschreibgeräte Apparat.

Abbildung 2
Abbildung 2. Direkte Tinte Schreiben eines fadenförmigen Funktion.

Abbildung 3
Abbildung 3. Direkte Tinte Schreiben von freitragenden Spanning Funktionen.

Abbildung 4
Abbildung 4. Ink Designs für die direkte Tinte schreiben. Eine breite Palette von konzentrierten viskoelastischen Farben wurden für das direkte Schreiben von planaren und komplexe 3D-Strukturen mit mikro-Features entwickelt.

Abbildung 5
Abbildung 5 (links). Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme von Silber-Nanopartikeln. (Oben rechts) REM-Aufnahmen von Silber Mikroelektroden mit einem 15-um Düse als Funktion der Glühtemperatur gemustert. (Unten rechts) Elektrischer Widerstand von Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur und Zeit.

Abbildung 6
Abbildung 6. Scheinbare Viskosität (η) der Silber-Nanopartikel-Tinten als Funktion von Festkörpern loading.

Abbildung 7
Abbildung 7. Shear Elastizitätsmodul (G ') als Funktion der Schubspannung für Silber-Nanopartikel-Tinten unterschiedlicher Feststoffe loading.

Abbildung 8
Abbildung 8. REM-Aufnahmen von planaren Arrays aus Silber Mikroelektroden gemustertenauf einem Si-Wafer mit einem 1-Düse um.

Abbildung 9
Abbildung 9. Optical Image der transparenten leitfähigen Silber Gitter (links) und REM-Aufnahmen der Netze als Funktion der Zeilenabstand (rechts) gedruckt.

Abbildung 10
Abbildung 10. Optical Bild während konformen Druck von elektrisch kleine Antennen auf einer halbkugelförmigen Glassubstrat eingefangen.

Abbildung 11
Abbildung 11. Optical Image während des Druckens von Spanning Silber Mikroelektroden auf eine dünne (2-um) Silizium Kugelschale erhalten.

Abbildung 12
Abbildung 12. REM-Aufnahme eines Spanning Silber Mikroelektroden auf einem Silizium so gedrucktlar Mikrozelle Array.

Abbildung 13
Abbildung 13. REM-Bilder (oben) und optischen Bild (unten) eines 4-by-4 LED-Chip-Arrays durch Silber Mikroelektroden miteinander verbunden.

Abbildung 14
Abbildung 14. REM-Aufnahme von 3D-microperiodic silber Gitter.

Discussion

Konventionelle Tröpfchen-basiertes Drucken Ansätze, wie Tintenstrahldruck, sind die Herstellung von planaren Elektroden mit niedrigem Aspektverhältnis durch die verdünnte Natur und niedrige Viskosität der Druckfarben verwendet begrenzt. Vor kurzem haben Dip-Pen-Nanolithographie (DPN) 20-22 und e-Jet-Druck 23-25 ​​bis Pattern leitenden Funktionen eingesetzt. Diese Routen auch verdünnte, niedrige Viskosität Tinten. Pearton und Mitarbeiter verwendeten DPN mit einem kommerziell erhältlichen Silber-Nanopartikel Tinte schreiben Geschwindigkeiten von bis zu 1600 um s -1 und Linienbreiten von etwa 0,5 um 22 einzahlen. Allerdings hat die Herstellung von reproduzierbaren Mustern auf großen Flächen noch von diesem Ansatz nachgewiesen werden. Silber-Nanopartikel-Tinten sind auch per E-Jet-Druck hinterlegt worden, um Leiterbahnen mit Linienbreiten von ~ 1,5 um 25 zu bilden. Jedoch, wie mit Inkjet-Druck kann inhomogene gedruckten Funktionen entstehen durch Satelliten Tropfenbildung und ungleichmäßige drop drying 24,25.

Wie oben dargelegt, Direktwahltelefon, schreiben Montage von konzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten überwindet diese Einschränkungen durch eine fadenförmige-basiertes Drucken Ansatz. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von leitfähigen Mikroelektroden mit einem hohen Seitenverhältnissen (h / w ≈ 1,0) in einem einzigen geht, die die Erstellung von 1D-, 2D-und 3D-Architekturen. Die Größe der gedruckten Funktionen hängt von Düsendurchmesser, Tinte Feststoffe Laden, Anpressdruck und Druckgeschwindigkeit. Bis heute Leiterbahnen so klein wie ~ 2 pm wurden gemustert mit einem 1 um Düse zu moderaten Geschwindigkeiten (<2 mm s -1). Durch Anpassung der Farbzusammensetzung und Düsengeometrie, maximale Druckgeschwindigkeit von über 10 cm s -1 sind möglich. Allerdings bleibt Hochgeschwindigkeitsdruck der Verwendung von feinen Düsen (<5 um) eine große Herausforderung.

Um zu demonstrieren, Anwendungen der direkten Schreib-Montage, wir leitfähigen Gitter, el hergestelltectrically kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden mit planaren und Spanning gedruckten Elektroden (Abbildung 8-14). Bemerkenswert ist, dass unser Ansatz nicht zur Schaffung von metallischen Strukturen beschränkt. Die Verwendung anderer Tinte entwickelt, wie sie auf Seidenfibroin, Hydrogel und flüchtigen organischen Tinten basieren, haben wir 3D-Gerüsten und mikrovaskuläre Netzwerke für das Tissue Engineering und Zellkulturen mittels direkter Schreib-Montage 26-30 errichtet.

Blick in die Zukunft, es gibt viele Möglichkeiten und Herausforderungen. Weitere Fortschritte erfordern neue Tinte entwickelt, bessere Modellierung von Tinte fließen Dynamik und verbesserten Roboter-und Steuerungssysteme. Großflächige Herstellung von 1D bis 3D-Strukturen mit hohem Durchsatz und nanoskaliger Auflösung (<100 nm) bleibt eine große Herausforderung.

Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgments

Dieses Material ist auf der Arbeit von der US-Department of Energy, Materials Sciences and Engineering Division (Preis Nr. DEFG-02-07ER46471) und dem DOE Energy Research Center on Light-Material-Interaktion in Energy Conversion (unterstützt Basis-Preis Nr. DE-SC0001293 ) und profitiert vom Zugang zum Center for Mikroanalyse von Materialien innerhalb des Frederick Seitz Materials Research Laboratory (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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