チップベースのスーパーキャパシタ製造のためのインクジェットプリンタの精巧な制御
Summary
本稿では、インクジェットプリンタを用いてチップベースのスーパーキャパシタを製造する技術を提供する。インクの合成、ソフトウェアパラメータの調整、製造されたスーパーキャパシタの電気化学的結果の分析を行うための方法論が詳細に説明されています。
Abstract
インクジェット印刷法をウェアラブル機器、ディスプレイ、蓄電デバイスの製造に応用するために、様々な分野で多大な努力が払われています。しかし、高品質な製品を得るためには、インク材料の物性に応じて高度な操作能力が必要です。この点で、インクジェット印刷パラメータを最適化することは、インク材料の物理的特性を開発することと同じくらい重要である。この研究では、スーパーキャパシタを製造するためのインクジェット印刷ソフトウェアパラメータの最適化が提示される。スーパーキャパシタは、その高い電力密度、長寿命、および電源としての様々な用途のために、魅力的なエネルギー貯蔵システムである。スーパーキャパシタは、モノのインターネット(IoT)、スマートフォン、ウェアラブルデバイス、電気自動車(EV)、大型エネルギー貯蔵システムなどで使用できます。幅広い用途には、さまざまなスケールでデバイスを製造できる新しい方法が必要です。インクジェット印刷法は、従来の固定サイズ作製法を突破することができる。
Introduction
過去数十年間、ウェアラブルデバイス1、医薬品2、航空宇宙部品3など、さまざまなアプリケーション向けに複数の印刷方法が開発されてきました。印刷は、使用する材料を変更するだけで、さまざまなデバイスに簡単に適合できます。また、原材料の無駄を防ぎます。電子機器を製造するために、スクリーン印刷4、プッシュコーティング5、リソグラフィー6 などのいくつかの印刷方法が開発されている。インクジェット印刷方式は、これらの印刷技術と比較して、材料廃棄物の削減、複数の基材との互換性7、低コスト8、柔軟性9、低温処理10、大量生産の容易さなど、複数の利点があります11。しかしながら、インクジェット印刷法の適用は、特定の高度なデバイスに対してはほとんど示唆されていない。ここでは、スーパーキャパシタ装置の印刷にインクジェット印刷法を使用するための詳細なガイドラインを確立するプロトコルを提示する。
擬似コンデンサや電気化学二重層キャパシタ(EDLC)などのスーパーキャパシタは、従来のリチウムイオン電池を補完するエネルギー貯蔵デバイスとして浮上しています12,13。特に、EDLCは、低コスト、高出力密度、および長いサイクル寿命のために有望なエネルギー貯蔵デバイスです14。高い比表面積と導電性を有する活性炭(AC)は、市販のEDLCs15において電極材料として使用されている。ACのこれらの特性により、EDLCは高い電気化学的容量を持つことができます16。EDLCは、従来の固定サイズ製造法が使用される場合、デバイス内でパッシブボリュームを有する。インクジェット印刷では、EDLCを製品設計に完全に統合することができます。したがって、インクジェット印刷法を用いて作製されたデバイスは、既存の固定サイズ法によって作製されたものよりも機能的に優れている17。効率的なインクジェット印刷法を用いたEDLCの製造は、EDLCの安定性と寿命を最大化し、フリーフォームファクターを提供します18。印刷パターンは、PCB CADプログラムを使用して設計され、ガーバーファイルに変換されました。デザインされたパターンは、正確なソフトウェア対応制御、高い材料スループット、および印刷安定性を備えているため、インクジェットプリンタを使用して印刷されました。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルの重要なステップは、パラメータ値を微調整して設計パターンを印刷するためのソフトウェアパラメータ設定に関係しています。カスタマイズされた印刷は、構造の最適化と新しい機械的特性の取得につながる可能性があります19。ソフトウェアパラメータ制御によるインクジェット印刷方式は、印刷プロセスに最適な材料を選択することで、さまざまな業?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作業は、韓国電力公社(助成番号:R21XO01-24)、KIAT(No.P0012453)、および忠安大学大学院研究奨学金2021。
Materials
| 2” x 3” FR4 board | Voltera | SKU: 1000066 | PCB substrate |
| Activated carbon | MTI | Np-Ag-0530HT | |
| Eagle CAD | Autodesk | PCB CAD program | |
| Ethyl cellulose | Sigma Aldrich | 46070 | 48.0-49.5% (w/w) ethoxyl basis |
| Flex 2 conductive ink | Voltera | SKU: 1000333 | Flexible Ag ink |
| Lithium perchlorate | Sigma Aldrich | 634565 | |
| Propylene carbonate | Sigma Aldrich | 310328 | |
| PVDF | Sigma Aldrich | 182702 | average Mw ~534,000 by GPC |
| Smart Manager | ZIVE LAB | ver : 6. 6. 8. 9 | Electrochemical analysis program |
| Super-P | Hyundai | ||
| Terpineol | Sigma Aldrich | 432628 | |
| Thinky mixer | Thinky | ARE-310 | Planetary mixer |
| Triton-X | Sigma Aldrich | X100 | |
| V-One printer | Voltera | SKU: 1000329 | PCB printer |
| ZIVE SP1 | Wonatech | Potentiostat device |
References
- Valentine, A. D., et al. Hybrid 3D printing of soft electronics. Advanced Materials. 29 (40), 1703817 (2017).
- Liang, K., Carmone, S., Brambilla, D., Leroux, J. -. C. 3D printing of a wearable personalized oral delivery device: A first-in-human study. Science Advances. 4 (5), (2018).
- Joshi, S. C., Sheikh, A. A. 3D printing in aerospace and its long-term sustainability. Virtual and Physical Prototyping. 10 (4), 175-185 (2015).
- Wang, S., et al. Paper-based chemiluminescence ELISA: Lab-on-paper based on chitosan modified paper device and wax-screen-printing. Biosensors and Bioelectronics. 31 (1), 212-218 (2012).
- Vohra, V., et al. Low-cost and green fabrication of polymer electronic devices by push-coating of the polymer active layers. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (30), 25434-25444 (2017).
- Schüffelgen, P., et al. Selective area growth and stencil lithography for in situ fabricated quantum devices. Nature Nanotechnology. 14 (9), 825-831 (2019).
- Karim, N., Afroj, S., Tan, S., Novoselov, K. S., Yeates, S. G. All inkjet-printed graphene-silver composite ink on textiles for highly conductive wearable electronics applications. Scientific Reports. 9 (1), 8035 (2019).
- Singh, M., Haverinen, H. M., Dhagat, P., Jabbour, G. E. Inkjet printing-Process and its applications. Advanced Materials. 22 (6), 673-685 (2010).
- An, B., et al. Three-dimensional multi-recognition flexible wearable sensor via graphene aerogel printing. Chemical Communications. 52 (73), 10948-10951 (2016).
- Ko, S. H., Chung, J., Hotz, N., Nam, K. H., Grigoropoulos, C. P. Metal nanoparticle direct inkjet printing for low-temperature 3D micro metal structure fabrication. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (12), 125010 (2010).
- Li, J., et al. Efficient inkjet printing of graphene. Advanced Materials. 25 (29), 3985-3992 (2013).
- Burke, A. Ultracapacitors: why, how, where is the technology. Journal of Power Sources. 91 (1), 37-50 (2000).
- Qorbani, M., Khajehdehi, O., Sabbah, A., Naseri, N. Ti-rich TiO2 tubular nanolettuces by electrochemical anodization for all-solid-state high-rate supercapacitor devices. ChemSusChem. 12 (17), 4064-4073 (2019).
- Areir, M., Xu, Y., Harrison, D., Fyson, J. 3D printing of highly flexible supercapacitor designed for wearable energy storage. Materials Science and Engineering: B. 226, 29-38 (2017).
- Fialkov, A. S. Carbon application in chemical power sources. Russian Journal of Electrochemistry. 36 (4), 345-366 (2000).
- Pandolfo, A. G., Hollenkamp, A. F. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal of Power Sources. 157 (1), 11-27 (2006).
- Egorov, V., Gulzar, U., Zhang, Y., Breen, S., O’Dwyer, C. Evolution of 3D printing methods and materials for electrochemical energy storage. Advanced Materials. 32 (29), 2000556 (2020).
- Seol, M. -. L., et al. All-printed in-plane supercapacitors by sequential additive manufacturing process. ACS Applied Energy Materials. 3 (5), 4965-4973 (2020).
- Park, S. H., Kaur, M., Yun, D., Kim, W. S. Hierarchically designed electron paths in 3D printed energy storage devices. Langmuir. 34 (37), 10897-10904 (2018).
- Sajedi-Moghaddam, A., Rahmanian, E., Naseri, N. Inkjet-printing technology for supercapacitor application: Current state and perspectives. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (31), 34487-34504 (2020).
- Komuro, N., Takaki, S., Suzuki, K., Citterio, D. Inkjet printed (bio)chemical sensing devices. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 405 (17), 5785-5805 (2013).
- Kim, J., Kumar, R., Bandodkar, A. J., Wang, J. Advanced materials for printed wearable electrochemical devices: A review. Advanced Electronic Materials. 3 (1), 1600260 (2017).
- Calvert, P. Inkjet printing for materials and devices. Chemistry of Materials. 13 (10), 3299-3305 (2001).
- Zhou, Z., et al. High-throughput characterization of fluid properties to predict droplet ejection for three-dimensional inkjet printing formulations. Additive Manufacturing. 29, 100792 (2019).
- Ebnesajjad, S., Ebnesajjad, S. . Handbook of Adhesives and Surface Preparation. , 21-30 (2011).
