High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning

Thanh Huy Phung; Soobin Oh; Kye-Si Kwon

doi:10.3791/57846

JoVE Journal > Bioengineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Bioingegneria

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

Published: July 10, 2018

doi:

10.3791/57846

Thanh Huy Phung, Soobin Oh, Kye-Si Kwon

¹Department of Electronic Materials and Devices Engineering,Soonchunhyang University, ²Department of Mechanical Engineering,Soonchunhyang University

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 klassar¹^,²^,³^,⁴^,⁵ eller positiva lufttrycket¹ ^,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 spänning¹ ^, ² ^, ³. NFES⁴^,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 ut⁶^,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 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 dro…

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…

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 förbe…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna forskning var stöds av grundläggande vetenskap forskningsprogrammet genom den nationella forskning stiftelsen av Korea (NRF) av Korea, finansieras av undervisningsministeriet (2016R1D1A1B01006801), och delvis stöds av forskningsfonden Soonchunhyang universitet .

Materials

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

Riferimenti

Onses, M. S., Sutanto, E., Ferreira, P. M., Alleyne, A. G., Rogers, J. A. Mechanisms, Capabilities, and Applications of High-Resolution Electrohydrodynamic Jet Printing. Small. 11 (34), 4237-4266 (2015).
Jaworek, A., Krupa, A. Classification of the modes of EHD spraying. Journal of Aerosol Science. 30 (93), 873-893 (1999).
Lee, A., Jin, H., Dang, H. W., Choi, K. H., Ahn, K. H. Optimization of experimental parameters to determine the jetting regimes in electrohydrodynamic printing. Langmuir. 29 (44), 13630-13639 (2013).
Sun, D., Chang, C., Li, S., Lin, L. Near-field electrospinning. Nano Letters. 6 (4), 839-842 (2006).
Pan, C. -. T., Tsai, K. -. C., Wang, S. -. Y., Yen, C. -. K., Lin, Y. -. L. Large-Area Piezoelectric PVDF Fibers Fabricated by Near-Field Electrospinning with Multi-Spinneret Structures. Micromachines. 8 (4), (2017).
Mishra, S., Barton, K. L., Alleyne, A. G., Ferreira, P. M., Rogers, J. A. High-speed and drop-on-demand printing with a pulsed electrohydrodynamic jet. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20 (9), (2010).
Kwon, K. S., Lee, D. Y. Investigation of pulse voltage shape effects on electrohydrodynamic jets using a vision measurement technique. Journal of Micromechanics and Microengineering. 23 (6), (2013).
Chen, C. H., Saville, D. A., Aksay, I. A. Scaling laws for pulsed electrohydrodynamic drop formation. Applied Physics Letters. 89, (2006).
Sung, K., Lee, C. S. Factors influencing liquid breakup in electrohydrodynamic atomization. Journal of Applied Physics. 96 (7), 3956-3961 (2004).
Kim, J. H., Oh, H. C., Kim, S. S. Electrohydrodynamic drop-on-demand patterning in pulsed cone-jet mode at various frequencies. Journal of Aerosol Science. 39 (9), 819-825 (2007).
Phung, T. H., Kim, S., Kwon, K. S. A high speed electrohydrodynamic (EHD) jet printing method for line printing. Journal of Micromechanics and Microengineering. 27, (2017).
Teo, W. E., Ramakrishna, S. A review on electrospinning design and nano fiber assemblies. Nanotechnology. 17, R89-R106 (2006).
Tang, Y., et al. Highly relective nanofiber films based on electrospinning and their application on color uniformity and luminous efficacy. Optics Express. 25, 20598-20611 (2017).
Huebner, G., Zapka, W. Comparing inkjet with other printing processes and mainly screen printing. Handbook of Industrial Inkjet Printing – A Full System Approach. 1, 7-22 (2018).
Li, M., et al. Electrospun protein fibers as matrices for tissue engineering. Biomaterials. 26, 5999-6008 (2005).
Bhardwaj, N., Kundu, C. S. Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique. Biotechnology Advances. 28, 325-347 (2010).
He, X., et al. Near-Field Electrospinning: Progress and Applications. The Journal of Physical Chemistry C. 121, 8663-8678 (2017).
Yang, T. L., et al. Synthesis and fabrication of silver nanowires embedded in PVP fibers by near-field electrospinning process. Optical Materials. 39, 118-124 (2015).
Chang, C., Limkrailassiri, K., Lin, L. Continuous near-field electrospinning for large area deposition of orderly nanofiber patterns. Applied Physics Letters. 93 (12), (2008).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Citazione di questo articolo

Phung, T. H., Oh, S., Kwon, K. High-resolution Patterning Using Two Modes of Electrohydrodynamic Jet: Drop on Demand and Near-field Electrospinning. J. Vis. Exp. (137), e57846, doi:10.3791/57846 (2018).