Högupplösta mönstring med två lägen av Electrohydrodynamic Jet: släpp på efterfrågan och nära-fält Electrospinning

Summary

Här presenterar vi ett protokoll för att producera högupplösta konduktiv mönster med electrohydrodynamic (EHD) jet utskrift. Protokollet innehåller två lägen av EHD jet utskrift: den kontinuerliga nära-fält electrospinning (NFES) och dot-baserade drop-on-demand (DOD) EHD utskrift.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) jet utskrift har uppmärksammat inom olika områden eftersom det kan användas som ett verktyg för hög upplösning och låg kostnad direkt mallning. EHD utskrift använder en fluidic leverantör för att upprätthålla den extruderade menisken genom att trycka bläck ur munstycksspetsen. Det elektriska fältet används sedan dra menisken ner till substratet att producera högupplösta mönster. Två lägen av EHD utskrift har använts för fina mönster: kontinuerlig nära-fält electrospinning (NFES) och dot-baserade drop-on-demand (DOD) EHD utskrift. Enligt de utskrift lägen varierar kraven för utskrift utrustning och bläck viskositeten. Även om två olika lägen kan genomföras med en enda EHD skrivare, varierar insikten metoderna avsevärt i termer av bläck, fluidic system och drivande spänning. Följaktligen, utan en ordentlig förståelse av bestyckningen krav och begränsningar, det är svårt att få önskat resultat. Syftet med denna uppsats är att presentera en riktlinje så att oerfarna forskare kan minska prova ansträngningar att använda EHD jet för deras specifika forsknings- och utvecklingsändamål. För att demonstrera böter-mallning genomförandet, använder vi Ag nanopartiklar bläck för det ledande mönstringen i protokollet. Dessutom presenterar vi även de generaliserade utskriva riktlinjer som kan användas för andra typer av bläck för olika böter-mallning applikationer.

Introduction

EHD jet utskrift har använts inom olika områden, såsom tryckt elektronik, bioteknik och avancerad materiella applikationer, eftersom den kan av hög upplösning och låg kostnad direkt mönstring¹. Den tryckta linjebredd eller tryckta dot storlek kan reduceras till 1 µm, vilket är betydligt mindre än för konventionella piezo-baserade inkjet printing¹.

I EHD utskrift, en liten del av bläck (eller menisk) skjuts ur munstycksspetsen och underhålls av styra flödet klassar^1,2,3,4,5 eller positiva lufttrycket^{1 ,6,7}. Extruderad menisken debiteras och kan lätt dras ner från munstycksspetsen till substratet av ett elektriskt fält, som visas i figur 1. Den koniska menisken bildas under den bestyckningen, producerar en bläck ström mycket tunnare än munstycke.

Figur 1: EHD utskrift. Figuren visar principen för EHD jet utskrift. Bläck trycks via tryck och drog via ett elektriskt fält för att bilda en extruderad menisken från munstycket. Sedan kan laddade bläcket vara enkelt passpoalerade till substratet via en DC eller puls spänning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Även om en enda EHD-skrivare kan användas för två olika lägen, nära-fält electrospinning (NFES) och drop-on-demand (DOD) EHD jet utskrift, insikten metoderna signifikant skiljer sig vad gäller bläck, fluidic system och drivande spänning^{1 , 2 , 3}. NFES^4,5 använder till exempel en relativt hög-trögflytande bläck [mer än 1 000 centipoises (cP)] att bilda kontinuerliga micro-line mönster med höghastighetståg utskrift upp till 1 m/s. Däremot, DOD EHD jet ut^6,7,8 använder låg viskös bläck med en viskositet på runt 10 cP ut dot-baserade komplexa mönster med en låg utskrift hastighet mindre än 10 mm/s.

Eftersom kravet på varje läge är betydligt olika, kan det vara utmanande för oerfarna forskare att uppnå önskat resultat. Den empiriska ”know-how” kan vara viktigt i praktiken. För att hjälpa forskare vänja tryckmetoder, vi presenterar EHD utskrift protokoll för fina konduktiv mallning Ag nanopartiklar bläck. Dock lagt vi kommentarer till protokollen så att de inte är begränsade till en ledande mallning Ag nanopartiklar bläck. Slutligen, utskrift och förberedelse riktlinjer presenteras i diskussionsavsnittet.

Protocol

För hälsa och säkerhet, innan du använder någon bläck och rengöring lösning, avser den materiella säkerhetsdatablad (MSDS).

1. drop-on-demand Electrohydrodynamic jetprinting med Silver nanopartiklar bläck

1. Fyll det filtrerade silver nanopartiklar (AgNP) bläcket i reservoaren bläck av EHD utskriftssystemet.
   Obs: Kommersiellt tillgängliga AgNP bläck kan användas för syftet inkjet. Bläcket ska ha en viskositet på runt 10 cP och en ytspänning 20 ~ 40 mN/m att få drop-on-demand bestyckningen.
2. Göra ett munstycke för DOD EHD utskrift med hjälp av en termisk avdragare.
   1. Placera ett glas kapillär [innerdiameter (ID) för 1 mm] i den termiska avdragare.
   2. Ange parametrarna för den termiska avdragare; till exempel värme temperaturen i spänna av 580-590 ° C och en dra hastighet på cirka 18 mm/s.
      Obs: Parametrar för den termiska avdragare bör skilja sig beroende på mål munstycke-ID och omgivningsförhållanden.
   3. Driva den termiska avdragare med de inställda parametrarna att applicera värme i mitten av kapillären och dra på båda dess ändar gör ett munstycke med ID 5 µm.
      Obs: Bestämma storleken på munstycket ID baserat på dot målstorleken på substratet. För referens, munstycke ID för 5 µm kunde skriva ut 5 µm-stora prickar.
   4. Justera glas munstycke längd genom att klippa glas munstycke via en glas fräs.
3. Montera munstycket till innehavaren av munstycket och kopplingen, som är anslutna till bläck reservoar via polytetrafluoreten (PTFE) slangen.
4. Gälla lufttrycket att leverera bläck till munstycksspetsen.
   1. Slå på lufttrycket handkontroll och tillämpa lufttrycket 15 ~ 20 kPa till reservoaren bläck att leverera bläck till munstycksspetsen. Övervaka bläck flödet genom genomskinligt glas, skummaren och slangen så att ingen luft är instängd inuti slangen och munstycket när de levererar bläck. Hålla tillämpa lufttrycket till reservoaren bläck tills bläcket visas på munstycksspetsen.
      Obs: Inte minska trycket innan bläcket visas på munstycksspetsen eftersom det kan orsaka luftinneslutning bubbla på munstycksspetsen.
   2. Minska trycket till runt 12 kPa att upprätthålla den extruderade menisken utan någon bläck droppande från munstycksspetsen.
      Obs: Korrekt lufttryck beror på Munstycke storlek och bläck viskositeten. Öka inte lufttrycket till mer än 30 kPa att undvika överdriven luft komprimering, vilket är önskvärt för att upprätthålla menisken i ett stabilt tillstånd.
5. Fixa den monterade munstycket i utskriftssystemet.
6. Placera ett glassubstrat på vakuum chucken av innehavaren av substrat och slå på vakuumpumpen att hålla underlaget.
7. Flytta z-stadiet att justera dödläge avståndet (H) — klyftan mellan munstycksspetsen och substrat position — till ungefär 100 µm. Använd sida Visa bilden förvärvats av övervakning kameran för att uppskatta dödläge avstånd med hjälp av avståndet från den munstycksspetsen till dess reflexion, som visas i figur 2.
   Obs: Ett mindre dödläge avstånd leder till ett högre elektriska fält, som kunde underlätta utskrift med en lägre DC och puls spänningar för bestyckningen. Ett lägre dödläge avstånd kan dock leda till större droppar. Omfattningen av spänningar bör därför minskas med detta för att erhålla önskad dot storlek. I allmänhet rekommenderas användning av en lägre spänning att erhålla mindre tryckta prickar med mindre besprutning. Dock krävs en noggrann drift om dödläge avstånd blir mindre än 50 µm, på grund av den högre risken för munstycke brott vid kollision med substratet. Med tanke på avvägning förhållandet mellan jetting förmåga och tillförlitlighet rekommenderar vi användning av en stand-off avstånd av 100 µm.

Figur 2: Stand-off avstånd justering med hjälp av side view kamerabild. Munstycke bilden från en sida Visa kamera kan användas för att uppskatta avståndet dödläge. Dödläge avståndet (H) från munstycksspetsen till substratet kan enkelt beräknas halva avståndet från munstycksspetsen till dess skugga. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

8. Applicera DC och puls spänningar
   Obs: DC och puls spänningar kan vara kontrollerad via utskrift programvaran.
   1. Öka den DC-spänningen gradvis tills de bläck droppar ur munstycksspetsen.
      Obs: Gäller inte mål spänningen på en gång. Inkrementell spänningen bör vara mindre än 100 V i taget. Sammantaget gäller inte en DC-spänning av mer än 600 V.
   2. Minska något på DC-spänning från början DC-spänning tills inget ytterligare bläck droppande från munstycket observeras.
      Obs: Efter justering av pneumatiska trycket och DC-spänning bör menisken i en lämplig form för bestyckningen som visas i Kompletterande figur S1.
   3. Ange en negativ puls spänning med parametrarna för t_upphov = 0 ~ 100 µs, t_{uppehålla mig} = 300 µs och t_falla = 0 µs⁷ (figur 3) i menyn programvara.
   4. Tillämpa negativa puls spänningen vid substratet innehavaren. Justera sedan omfattningen av puls spänning, V_puls, för att producera en droppe per enskild puls spänning.
      Obs: Omfattningen av negativa puls spänning, V_puls, bör vara lägre än 600 V.
   5. Justera DC bakgrund och puls spänningar för att få målet droppstorlek på substratet medan du observerar passpoalerade prickar på substratet i side view kamerabilden.
      Obs: För att producera små prickar med mindre besprutning på substratet, omfattningen av puls spänning, V_puls, bör vara så låg som möjligt.

Figur 3: puls spänning för DOD EHD bestyckningen. Användning av trapetsform vågform spänning rekommenderas att producera DOD EHD jetting⁷. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

9. Skriv ut mönster
   Obs: Två olika sorters mönster kan användas för DOD EHD utskrift: bitmap image och (CAD)-baserat vektorinformation. Bitmappsbild har allmänt använts i DOD-baserade bläckstråleutskrifter. När det gäller tryckt elektronik applikationer har CAD-baserade vektorinformation dock fördelar över DOD-baserade inkjet utskrifter, eftersom det är effektivt i linje-baserad utskrift med hjälp av en enda EHD huvud. Samtidigt, kan vektorinformation omvandlas till en bitmap-bild för bild bitmappsutskrift.
   1. Bitmap bildutskrift
      1. Ladda en bitmappsbild på fliken utskrift i programvaran utskrifter och omvandla den till en binär bild.
      2. Ställa in parametrar för binär bildutskrift. Till exempel ange droppe intervallet (dvs, avståndet mellan 2 på varandra följande pixlar) vid 10 µm.
         Obs: Bitmappsbilden inte har några fysiska dimensioner. De fysiska dimensionerna av den utskrivna bilden kommer att relateras till drop intervallet. Till exempel blir den utskrivna bilden större om ett större droppe intervall används. I konventionella bläckstråleskrivare, har dot per tum (DPI) ofta använts för detta ändamål. Det bör dock noteras att en mindre DPI betyder ett större droppe intervall. För att bestämma intervallet droppe, bör tryckta dot storlek övervägas. I allmänhet är droppe intervallet för EHD DOD utskrift betydligt mindre än för konventionella bläckstråleskrivare.
      3. Börja skriva ut med den valda bitmappen på målplatsen i substratet.
   2. Vektorutskrift utifrån CAD-information
      1. Ladda CAD informationen för utskrift.
         Obs: Filformatet DXF, som är textbaserad CAD-information, kan användas för utskriftsinformation.
      2. Ställa in parametrar för vektorutskrift; till exempel ange droppe intervallet på 3 µm och bestyckningen frekvens på 10 Hz.
         Obs: För att skriva ut de anslutna linjemönster, droppe intervallet bör väljas så att angränsande deponeras droppar något överlappar. Dock kan alltför överlappande resultera i en större bredd. Överlappning av ungefär 30% rekommenderas för någon praktisk linje utskrift. För vektor utskrift, rörelse hastighet (v) följande ekvation.
         v = d × f
         Här
         d = droppe intervall, och
         f = frekvensen bestyckningen.
      3. Skriva ut de inlästa mönsterna på underlagsmaterialet med hjälp av förutbestämda utskriftsparametrar, såsom droppe intervallet, utskriftshastigheten, spänning, osv
         Obs: Efter utskrift, en Sintringsprocessen kan behöva få önskad conductivityen av tryckta mönster, som är utanför ramen för denna uppsats.

2. ledande hårfin mönstring med nära-fält Electrospinning

1. Se nära-fält electrospinning (NFES) bläck för ledande linje utskrift.
   1. Blanda etanol och avjoniserat vatten (DI) vatten med en volymförhållandet 3 (etanol) till 1 (DI-vatten) att förbereda vätska 1. Till exempel blanda 9 ml etanol och 3 ml DI vatten för att göra 12 ml spädningsvätska 1.
   2. Blanda 0,3 g av poly (etylenoxid) (PEO, M_wt = 400.000) och 9,7 g av det beredda lösningsmedlet 1 göra en polymer lösning med 3 wt % av PEO genom omrörning, med en magnetomrörare för mer än 6 h i rumstemperatur (25 ° C).
   3. Blanda Ag nano klistra in bläck, som har en viskositet på ca 11.000 cP och beredda polymer lösningen, med ett viktförhållande av 5 (Ag nano klistra in bläck) till 1 (polymer lösning) med hjälp av en vortex mixer för 10 min att få bläcket för NFES. Exempelvis 10 g Ag nano klistra in bläck och 2 g polymer lösning kan blandas för att få NFES bläck.
      Anm: I detta protokoll, förhållandet av blandande material är allmänhet viktigare än specifika mängden material. Kommersiellt tillgängliga Ag nano klistra in bläck för skärm utskrift ändamål, som har Ag fast innehållet i ca 85,5 wt %, kan användas för detta ändamål. Observera att valet av lösningsmedel och polymeren kan skilja sig beroende på sammansättningen av bläcket som används.
2. Fyll det förberedda NFES bläcket i sprutan.
3. Anslut sprutan med ett munstycke via anslutningsröret.
   Obs: Ett kommersiellt tillgängliga sprutans nål med ID 100 µm kan användas för munstycket.
4. Leverera bläck till munstycket genom att trycka sprutan manuellt.
5. Installera sprutan i sprutan motorn, som är knuten till utskriftssystemet.
6. Placera ett substrat på vakuum chucken och slå på vakuumpumpen att hålla substratet under utskrift.
7. Kontrollera Z-position (steg) för att justera dödläge avstånd.
   Obs: Rekommenderat dödläge avstånd bör vara ca 2 mm, vilket är ett betydligt mindre dödläge avstånd jämfört med den som används med konventionella electrospinning.
8. Justera flödet
   1. Driva sprutpumpen för att fylla NFES bläcket i munstycket församling och generera en bläck flöde med en inledande flöde 50 µL/min, vilket är högre än målet flödet.
   2. Ange ett mål flöde 1 µL/min när bläcket rinner ut ur munstycksspetsen.
      Obs: Ett mindre flöde kan resultera i en mindre mönster bredd. Dock kan det orsaka linje går sönder. Avvägningen mellan linjebredd och fortsättningen av linjen bör övervägas när målet flödet bestäms.
9. Spänning
   1. Anslut DC spänning källan till munstycke kontakten och marken spänningen till innehavaren substrat.
   2. Öka DC spänningen gradvis till 1,5 kV.
      Obs: Eftersom dödläge avståndet är i spänna av några millimeter, DC spänningen ökas upp till 2 kV, vilket är högre än att av DOD EHD jet utskrift. Dock en DC-spänning som är högre än 2 kV bör undvikas eftersom det kan skada funktionsmaterialet, särskilt Ag klistra in bläck, tillsätts polymer lösningen. I allmänhet rekommenderas en lägre likspänning när en tunnare tryckta linje krävs. Dock kunde de utskrivna linjerna enkelt kopplas från när en låg spänning används, eftersom den dragande kraften för kontinuerlig bläck utskrift är relaterad till DC spänning. Med tanke på avvägningar, rekommenderar vi användning av en DC-spänning från 1 kV 2 kV.
10. Starta den tomgång utskriften med en utskriftshastighet på 300 mm/s för mer än 10 min att få en steady state-flöde. Justera utskrift parametrar såsom DC spänning och flöde graden under tomgång utskrift att erhålla de önskade utskriftsresultat.
    Obs: Inaktiv utskrift av mer än 10 min är skyldig att inhämta ett steady state flöde eftersom det trögflytande bläcket kan komprimeras i utdragna slangen under bläck leverans till munstycksspetsen. Utan tomgång utskrift, kan tryckta linjebredden ändras med tiden. Inaktiv utskriftshastigheten således bör samma som den faktiska utskriftshastigheten så att bestyckningen parametrar kan justeras under utskrift. På detta sätt justeras den DC-spänningen under tomgång utskriften till få målet linjebredd. Observera att de flöde och DC-spänning bör vara balanserad, så att mängden bläck trycks av sprutpumpen kan vara lika med mängden bläck som drog ner av det elektriska fältet.
11. Välj skriva ut mönstret, såsom en kontinuerlig linje och grid mönster.
    Obs: Eftersom den producerade fibern kan enkelt avlänkas och slumpmässigt kan deponeras på grund av den kostnad repulsion kraft som genereras av de utskrivna linjerna, utskriftshastigheten bör vara större än 300 mm/s att anpassa mönstret med de utskrift riktningarna, och den avståndet mellan de utskrivna linjerna rekommenderas vara mer än 100 µm för att skriva ut de omgjorda eller linje mönsterna.
12. Skriva ut valda mönstret på substratet med förutbestämda utskriftsparametrar.
    Obs: En Sintringsprocessen vara tvungna att skaffa mål funktionerna i de tryckta mönsterna, som är utanför ramen för denna uppsats.

Representative Results

Dot-baserad drop-on-demand utskrift:
DOD utskrift är baserad på en droplet jetting per en jetting utlösare. För att producera DOD bestyckningen, låg-trögflytande bläck med en viskositet av ungefärligt 10 bör cP användas. Kravet bläck för EHD DOD utskrift är liknande till det av den konventionella DOD bläckstråle, liksom den EHD utskriftsmetoden med den konventionella DOD bläckstråle. När det gäller konventionella bläckstråleskrivare, har den raster trycktekniken använts, eftersom den är lämplig för bitmap bildutskrift med flera munstycke huvuden. Dock när det gäller en EHD jet-utskrift finns det en gräns om genomförandet av de flera munstycket på grund av den elektriska överhörning bland munstycken. Således är vektorutskrift använder ett enda munstycke används vanligen för CAD-baserade linje utskrift. Dock bör antingen raster eller vektor utskrift läget kan väljas från programvaran utskrift för att skriva ut olika typer av mönster. Observera att algoritmen och genomförande kan varierar enligt lägena utskrift. I vector-läge, samtidiga rörelser i x, är y riktningar används för att skriva ut linjer, medan, i raster utskrift, en enda axel används för att skriva ut prickar i den huvudsakliga inriktningen och flytta sedan till nästa strängen i sub riktning. Representativa utskriftsresultat använder raster och vektor utskrift visas i figur 4.

Figur 4: typiska utskriftsresultat använder DOD EHD bestyckningen. (en) i denna panel visas bitmappsutskrift (raster utskrift). (b) i denna panel visas vektorutskrift utifrån CAD information. Dot-baserad EHD jet utskrift kan användas för att skriva ut både bitmappsbilder (raster utskrift) och CAD-baserade rader (vektorutskrift). DC-spänningar av 250 V och en puls spänning på-250 V användes här, skriva ut båda mönster. I panelen ensattes droppe intervallet till 10 µm för att separera prickar. I panelen btrycktes mönstret med en frekvens på 10 Hz och en droppe intervall 3 µm så att prickarna är anslutna till formuläret rader.

Nära-fält electrospinning:
NFES använder mycket trögflytande bläck på mer än 1000 cP att skriva ut mönster kontinuerligt. Så, inte det skriva ut bitmappsbilder eller CAD information med utskrift och icke-tryckområdena platser. Som ett resultat, i stället för komplicerade mönster är NFES lämplig för utskrift raka linjer med hjälp av en hög utskriftshastighet. Grid mönster används ofta som visas i figur 5.

Figur 5: typiska utskriftsresultat av NFES. (en) i denna panel visas ett typiskt rutmönster för electrospinning utskrift. (b) i denna panel visas effekten av utskriftshastigheten på skrivresultatet. NFES kräver en hög utskriftshastighet för två syften: att minska mönster bredd och justera utskrift mönster avseende utskriftsriktningen. Eftersom beteendet bestyckningen är oförutsägbara i regionen långsam utskrift, kan regionen snabb utskrift användas genom att utesluta de icke-rak-line delarna.

För att skriva ut fortlöpande mönster med hjälp av NFES, bör utskriftshastigheten vara snabbare än 300 mm/s för att justera de tryckta mönster med utskriftsriktningen. En snabb utskriftshastighet bidrar också till en tunn mönster bredd¹¹. Reduktionsförhållandet mönster bredd med avseende på munstycket ID kunde vara mer än 20 x, beroende på utskriftsvillkor. Exempelvis kunde ett munstycke ID 100 µm producera en mönster bredd mindre än 5 µm. Så är NFES en mycket effektiv metod att uppnå mycket fina mönster med mycket trögflytande bläck. De mönster rakhet och bredd omfattas emellertid enkelt utskrift hastighet variationen. Observera att det finns oundvikliga acceleration och retardation regioner där utskriftshastigheten kan bli mycket låg (eller noll) ändra utskriftsriktningen. I dessa regioner, kunde de tryckta mönsterna blir ojämn och alliansfria med avseende på de rörliga riktning. Därför rekommenderar vi användning av de tryckta mönsterna nära regionen höghastighetståg endast. De tryckta mönsterna nära acceleration och retardation regioner (de låg utskrift hastighet) ska kasseras, som visas i figur 5a. I vissa fall kan en låg jetting hastighet användas för att generera ett vågmönster. Genom att använda en låg utskriftshastighet på mindre än 100 mm/s, kan mönstren bli vågigt, som visas i figur 6. Det vågiga mönstret kan vara användbart i töjbar elektronik applikationer. Linjebredden kan dock öka upp till mer än 10 µm på grund av låg utskriftshastighet.

Figur 6: exempel på vågiga mönster med hjälp av låg utskriftshastighet. En låg utskriftshastighet (ca 100 mm/s) kan producera vågiga linjer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I vissa applikationer krävs extremt fina mönster med en bredd som är mindre än 1 µm. För att uppnå ett sådant fint mönster, en utskrift hastighet så fort 1 m/s kan övervägas. En överdrivet hög utskriftshastighet kan dock resultera i frånkopplade (eller trasiga) linjer. Så, olika utskriftsvillkor som flöde, linjebredd, utskriftshastigheten och töjbarhet av polymeren bör optimeras för att skriva ut fina mönster utan någon linje går sönder. Figur 7 visar exempelvis flödet klassar effekter på utskriftsresultat när utskriftshastigheten och DC-spänning är 300 mm/s och 1 200 V, respektive.

Figur 7: mönster bredd enligt flödet klassar. Flödet är relaterad till mönster bredd. Med lägre flöde, kan ett finare mönster erhållas. Till exempel om flödet är hög med 50 µL/min, vore linewidth stort med 34 µm. När flödet minskar till 1 µL/min och 0.1 µL/min, finare mönster med en bredd av µm 8 och 1 µm, respektive kan erhållas. Observera att om flödet är för litet, linjemönster kan brytas och frånkopplad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur S1: Standby menisken form enligt utskriftsvillkor. Formen rätt menisker bör bibehållas under hela tryckprocessen genom korrekt lufttryck och en likspänning bakgrund för att erhålla stabil DOD bestyckningen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Figur S2: Schematisk av electrospinning utskrift. Komponenter för electrospinning utskrift visas. Observera att en hög DC-spänning tillämpades i munstycket innehavaren att leverera elektriska laddningar att bläcket och producera det elektriska fält som drar bläcket till substratet. Vid NFES, stand-off avstånd från munstycksspetsen till substratet bör vara 1 ~ 3 mm för straight-line utskrift längs utskriftsriktningen. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Discussion

I detta protokoll, fokuserar vi på skriva ut fina mönster med AgNP bläck med två lägen: DOD EHD utskrift och NFES. EHD jet utskrift ansökan är dock inte begränsad till ledande bläcket med hjälp av AgNP. Här diskuterar vi de allmänna riktlinjerna för val av bläck, systemkonfigurationen och andra utskriftsparametrar som behövs för att använda EHD jet utskrift för olika tillämpningar, fine-mönster.

Det första och viktigaste steget för EHD utskrift är bläck urval och förberedelse. Handskriften som används i den konventionella bläckstråleskrivare kan användas i DOD EHD utskrift. Viskositeten hos bläck för DOD bläckstråleskrivare är i spänna av 1 ~ 50 cP (vanligtvis 10 cP)¹⁴. Det bör dock noteras att den pneumatiska kontroll metoden för DOD EHD utskrift är annorlunda än en konventionell DOD bläckstråle. Konventionella bläckstråleskrivare med undertryck underhålla menisken platsen inne i munstycket ytan att förhindra någon bläck droppande och munstycke vätning. Däremot, använder EHD DOD utskrift realiteten pressar, som kan driva bläcket att bilda en extruderad menisken. Observera att om bläck viskositeten blir mer än 100 cP, menisken är svår att kontrollera, eftersom luft kan sedan enkelt komprimeras snarare än push bläck till munstycksspetsen. Viskositet intervallet för jetting kan bero på det munstycke-ID. Om ett mindre munstycke ID används, minskas viskositet med detta ska kunna leverera bläcket till munstycksspetsen utan för mycket luft komprimering.

Ytspänningen i bläcket är också viktigt för korrekt bestyckningen. Ytspänningen av bläck bör vara i intervallet 20-40 mN/m. Om ytspänningen är mindre än 20 mN/m, kommer att sprutning effekter dominera. Om ytspänningen är mer än 40 mN/m, blir det svårt att bilda en konisk menisk, som är nödvändig för korrekt EHD bestyckningen.

Figur 8: ytspänning effekterna av EHD bestyckningen. Rekommenderade ytspänningen för bläck är i intervallet 20-40 mN/m. Om ytspänningen blir låg, kommer att bespruta effekterna på underlaget dominera. Däremot, om ytspänningen är för hög, är korrekt EHD bestyckningen osannolikt, eftersom den koniska menisken är svårt att uppnå. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Om ytspänningen i en bläck är mer än 40 mN/m, kan en liten mängd av det ytaktiva ämnet läggas till bläcket att minska ytspänningen. Användning av överdriven tensid kan dock orsaka sprutning av bläck på substratet. Observera att laddade bläck med vissa polaritet kan producera en repulsiv kraft under jet flyg, vilket resulterar i besprutning på substratet. För att minska besprutning effekterna, kan minskning av antingen drivande spänningar eller dödläge avstånd övervägas.

En annan viktig parameter för tillförlitlig bestyckningen är kokpunkten. Eftersom munstycke ID är mycket liten när det gäller en EHD jet, extruderad menisken, på grund av övertryck, kan enkelt torkas och täppa till munstycket. För att minska eventuella torkning på munstycksspetsen bläck, bör främsta lösningsmedlet väljas baserat på det faktum att dess kokpunkt är högre än 150 ° C. För att förhindra eventuella igensättning på grund av partikel aggregering, överväga filtrering bläcket med filter med porer en storlek mindre än den munstycke-ID. Partiklar i bläcket bör också vara minst 10 x mindre än det munstycke-ID. I allmänhet kan bläck som lämpar sig för en konventionell piezo bläckstråleskrivare också användas för DOD EHD utskrift.

NFES bläck har högre viskositet jämföras med DOD EHD bläckstråle bläck. Viskositet bör i spänna av flera tusen cP. För en kontinuerlig utskrift blandas en polymer lösning med funktionella bläck. Tillämpningen av NFES har nyligen utvidgats från fiber produktion^15,16 till olika applikationer genom att blanda funktionsmaterial med polymer lösning¹⁷. För polymerlösningar används PEO och PVP (polyvinylpyrrolidon), etc.^4,5,17,18,19, som har en hög molekylvikt, ofta. Viktigaste med NFES är att bevara kontinuerlig utskrift kapacitet med polymer medan bläcket håller materialets funktioner, till exempel ledningsförmåga. Mixningsförhållandet av polymer lösningen med avseende på de funktionella material bör därför väljas noggrant. Också, till skillnad från i fallet med DOD, ett lösningsmedel med en lägre kokpunkt (mindre än 100 ° C) har vanligtvis använts för att göra polymer lösning.

Även om en konventionell bläckstråle bläck kan användas i DOD EHD utskrift, metoderna för kontroll av trycket för EHD utskrift är annorlunda än en vanlig bläckstråleskrivare. EHD utskrift använder övertryck för att upprätthålla den extruderade menisken från munstycket, medan en konventionella bläckstråleskrivare använder undertryck. För positiva tryckreglering, två typer av tryck kontroll metoder — hydrostatiskt tryck och pressade luft — kunde användas, beroende på den bläck viskositet och munstycke ID som visas i figur 9. För ett mindre munstycke, bör lufttryck snarare än hydrostatiska trycket användas för att driva bläcket till munstycksspetsen. Dock kan en ordentlig kontroll av lufttryck vara svårt när high-viscosity bläck eller ett munstycke med ett ID mindre än 2 µm, eftersom luften enkelt kan komprimeras. Däremot, om munstycket är mer än 50 µm, kan en liten variant av lufttrycket påverka platsen menisken. Om bläck viskositet är låg och munstycket är mer än 50 µm, kan hydrostatiskt tryck använder fluidic höjd användas att upprätthålla en konsekvent menisken läge.

Figur 9: Tryck kontroll för DOD bestyckningen. Övertryck är nödvändigt att bibehålla den extruderade menisken på en standby status. Trycket för menisken kan styras av det hydrostatiska trycket (med höjdskillnaden mellan reservoaren bläck och munstycksspetsen) eller tryckluft från en kompressor. Urvalet av metoderna för kontroll bör skilja sig enligt Munstycke storlek och bläck viskositeten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

När det gäller NEFS, kan en sprutpump användas till foder bläck till munstycket eftersom mycket trögflytande bläck inte kan skjutas av lufttrycket. Observera att bläcket kan vara trycksatt och komprimeras när den levereras vid en konstant flödeshastighet via en sprutpump. Dessutom kan lång tid krävas för komprimerade bläcket att nå ett steady state flöde på munstycksspetsen. För att minimera bläck-komprimering effekterna på utskrift, bör anslutningsröret införas mellan sprutan och munstycksspetsen vara så kort som möjligt. Anslutningsröret bör också vara svårt att minimera expansion effekter orsakade av pressad trögflytande bläck. För att minimera bläck komprimering effekterna, ska sprutan kopplas till den typografisk utrustningen (stadier) att minska längden på slangen som ansluter sprutan till munstycket. För detta ändamål använde vi en sprutpump som skruv motorn kan separeras från registeransvarige, som visas i figur 10.

Figur 10: en Fluidic system för electrospinning. Fluidic systemet för electrospinning består av två delar: systemets pump spruta och spruta-munstycke församling. Sprutan pumpsystemet omfattar en flödesregulator ränta och en skruv motor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

En av de viktiga parametrarna att dot storlek eller mönster bredden är munstycke-ID. Till skillnad från konventionella bläckstråleskrivare huvudet kräver en EHD huvud inte någon ställdon eller komplexa flytande kanaler. Det krävs bara ett munstycke som en sprutans nål eller ett glas kapillär munstycke, som är ansluten till en hög spänningskälla. Här, utifrån rätt storlek på munstycket ID bör väljas bläck viskositet samt mönster bredd. Till exempel när det gäller en DOD utskrift med en viskositet som är lägre än 100 cP, munstycke ID bör vara mindre än 50 µm. För att få stabila och konsekventa utskrifter, bör extruderad menisken på standby status förbli på samma plats. När ett munstycke med ett ID som är större än 50 µm är dock användas, smärre variationer av lufttryck, körning spänning, och stand-off avstånd kan enkelt påverka menisken var låg-trögflytande bläck. Observera att en menisk läge är relaterad till mängden jetting: ett lägre läge ger vanligen fler droppar. Följaktligen, när du använder ett munstycke med en stor ID, det är mycket svårt att få dot enhetlighet i hela utskriftsprocessen DOD. Därför ut munstycket-ID bör vara mindre än 10 µm att säkerställa dot-storlek enhetlighet. Användning av ett munstycke med en mindre ID har fördelen av utskrift mindre prickar. Exempelvis ett munstycke-ID med 3 µm kunde skriva ut prickar så liten som 3 µm, och dot storlek kan minskas ytterligare med hjälp av ett munstycke med mindre ID. För att göra ett munstycke med ett litet ID, används en glas kapillär ofta, eftersom munstycket med målet-ID kan vara enkelt görs via en kommersiellt tillgänglig termisk avdragare. På en annan hand, NFES behöver ett munstycke-ID som är större än 50 µm, skriva ut hög viskositet (större än 1 000 cP) bläck. Normalt används ofta ett munstycke med ID 100 µm för böter-mönster utskrift mönster bredd är mindre än 5 µm. Här, kan ett kommersiellt tillgängliga sprutans nål användas för detta ändamål.

I både DOD EHD jet och NFES bestyckningen, bör bläck viskositet anses väljer du munstycke-ID. Även bör mängden tryck (eller flödeshastighet) i fluidic system fastställas baserat på munstycket ID och bläck viskositeten. Figur 11 visar relationerna mellan tre viktiga faktorer: bläck viskositet, Munstycke storlek, och luft tryck (eller flödeshastighet). I figur 11visas både högtryck och ett munstycke med en stor ID ska användas när du använder hög-trögflytande bläck, lågt lufttryck och ett munstycke med en mindre ID bör användas för jetting låg viskös bläck.

Figur 11: munstycke urval riktlinje avseende viskositet och trycket. Denna siffra förklarar förhållandet mellan de munstycke ID, viskositet och pneumatiska trycket. Till exempel, om en mycket trögflytande bläck används, en större munstycke och/eller högre lufttryck behövs, eller vice versa. För kontroll av menisken behövs högre lufttryck heller när ett munstycke med en mindre ID, eller vice versa. Dock kan inte högt lufttryck driva bläcket ordentligt till munstycksspetsen om munstycket ID är mycket liten eller viskositeten är för hög eftersom luften kunde enkelt komprimeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Under utskrift, kan den yttre delen av munstycket vara fuktad av bläck flödena från munstycksspetsen. I närvaro av betydande vätning, kan ordentlig jetting kontroll vara svårt. Möjlig orsak till vätning kan antingen vara från felaktig bläck egenskaper, t ex ytspänning, eller en felaktig inställning av parametrar såsom DC-spänning och tryck/flöde klassar. Om vätning på munstycket kvarstår, kan munstycke ytbehandling krävas så att munstycket ytan kan ha hydrofoba egenskaper med avseende på bläck.

För DOD utskrift, två olika sorters spänningskällor är krävs^7,11: en likspänning bakgrund att bibehålla formen standby menisken och en puls spänning att generera DOD bestyckningen. NFES använder dock endast likspänning ut fortlöpande micro-line mönster med mycket mycket trögflytande bläck (mer än 1000 cP). Den hög DC-spänning från 1 kV 2 kV tillämpades till metall connector införas mellan munstycket och röret. För att skriva ut en rak linje, vi använde kort dödläge avstånd 1 ~ 3 mm, och det är därför metoden kallas ”near-field” electrospinning (NFES), som har olika funktioner jämfört med den konventionella lång-fältet electrospinning^12,13 .

I detta protokoll, en glass substrate användes för experiment, men olika typer av substrat kan användas enligt program. Det bör dock noteras att substrat som har en hög isolering [exempelvis polyetentereftalat (PET) film] behöver förbehandling, såsom en kemisk beläggning, ta bort de statiska laddningar som kan ha ansamlats på ytan.

För att använda en EHD jet för olika applikationer, sammanfattas utskrift och förberedelse riktlinjer i tabell 1.

	DOD EHD jet utskrift	Nära fältet electrospinning (kontinuerlig utskrift)
Bläck krav	Viskositet utbud: 1 ~ 100 cP.	Viskositet: 100 cP ~ 10.000 cP.
	Ytspänning: 20-40 mN/m.	Kokpunkt: mindre än 100 ° C.
	Kokpunkt lösningsmedel: mer än 150 ° C.
Fluidic system	Vätska höjd (hydrostatiska kraft): munstycke med inre diameter av mer än 50 µm.	Sprutpumpen med konstant flöde.
	Lufttryck: munstycke med inre diameter mindre än 10 µm.
Munstycke innerdiameter krav	Mer än 10 µm rekommenderas för stabil bestyckningen.	Mer än 100 µm kan användas för tunn mönstring med bredd mindre än 5µm.
	I allmänhet: inre diameter med 5 µm kan skriva ut om prickar med storlek till 5µm.
Krav på spänning	Bakgrunden likspänning: mindre än 600 V	Likspänning: mindre än 2 kV.
	Puls-spänning för jetting: några hundra volt.
Utskriftshastigheten	Låg, mindre än 10 mm/s.	Snabbare än 300 mm/s.
Programvara krav	Raster utskrift (bitmappsbild).	Enkla grid mönster.
	Vektorutskrift (CAD based information).	Mönstra på-av krav är omöjligt på grund av bestyckningen kontinuerlig.

Tabell 1: sammanfattningen av förberedelse och utskrift riktlinjer för DOD och kontinuerlig EHD jet. Tabellen sammanfattar de krav och rekommendationer för fina mönster med hjälp av EHD jet.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
EHD integrated printing system	Psolution Ltd., South Korea	PS300
Harima Ag Nanoparticle ink	Harima Inc., Japan	Harima NPS-JL	Ag solid content: ~ 53 wt%, Viscosity: ~10 cP, Surface tension: ~30 mN/m
Glass capillary	Narishige Scientific Instrument Lab	G-1	Inner diameter: 1 mm; Used to make nozzle for DOD EHD jet printing using thermal puller
Nozzle thermal puller	Sutter Instrument, USA	Sutter P-1000
Microscope Slides (Glass subtrate)	Paul-Marienfeld & Co.KG, Germany	10 006 12	Dimension (L x W x T): 76 mm x 26 mm x 1 mm
Magnetic Stirrer	Barnstead Thermolyne Corp., USA	Cimarec SP131635
Vortex Stirrer	Jeiotech, South Korea	Lab Companion VM-96T
Ag nanopaste	NPK, South Korea	ES-R001	Ag solid content: ~85.5 wt%, Viscosity: ~11000 cP
Poly ethylene oxide (PEO)	Sigma-Aldrich, USA	372773-500G	Mw = 400000
Ethanol	Sigma-Aldrich, USA	459836-500ML