تحكم متقن في الطابعة النافثة للحبر لتصنيع المكثفات الفائقة القائمة على الرقائق
Summary
توفر هذه الورقة تقنية لتصنيع المكثفات الفائقة القائمة على الرقائق باستخدام طابعة نافثة للحبر. يتم وصف المنهجيات بالتفصيل لتوليف الأحبار ، وضبط معلمات البرامج ، وتحليل النتائج الكهروكيميائية للمكثف الفائق المصنع.
Abstract
هناك جهود هائلة في مختلف المجالات لتطبيق طريقة الطباعة النافثة للحبر لتصنيع الأجهزة القابلة للارتداء والشاشات وأجهزة تخزين الطاقة. ومع ذلك ، للحصول على منتجات عالية الجودة ، هناك حاجة إلى مهارات تشغيل متطورة اعتمادا على الخصائص الفيزيائية لمواد الحبر. وفي هذا الصدد، لا يقل تحسين معلمات الطباعة النافثة للحبر أهمية عن تطوير الخصائص الفيزيائية لمواد الحبر. في هذه الدراسة ، يتم تقديم تحسين معلمات برنامج الطباعة النافثة للحبر لتصنيع مكثف فائق. المكثفات الفائقة هي أنظمة تخزين طاقة جذابة بسبب كثافتها العالية للطاقة وعمرها الطويل وتطبيقاتها المختلفة كمصادر للطاقة. يمكن استخدام المكثفات الفائقة في إنترنت الأشياء (IoT) والهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء والمركبات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة الكبيرة وما إلى ذلك. تتطلب المجموعة الواسعة من التطبيقات طريقة جديدة يمكنها تصنيع الأجهزة بمقاييس مختلفة. يمكن لطريقة الطباعة النافثة للحبر اختراق طريقة التصنيع التقليدية ذات الحجم الثابت.
Introduction
في العقود الماضية ، تم تطوير طرق طباعة متعددة لمختلف التطبيقات ، بما في ذلك الأجهزة القابلة للارتداء1 والمستحضرات الصيدلانية2 ومكونات الفضاء الجوي3. يمكن تكييف الطباعة بسهولة لمختلف الأجهزة ببساطة عن طريق تغيير المواد المراد استخدامها. علاوة على ذلك ، فإنه يمنع إهدار المواد الخام. لتصنيع الأجهزة الإلكترونية، تم تطوير العديد من طرق الطباعة مثل طباعة الشاشة4 والطلاء بالدفع5 والطباعة الحجرية6. وبالمقارنة مع تقنيات الطباعة هذه، تتمتع طريقة الطباعة النافثة للحبر بمزايا متعددة، بما في ذلك تقليل نفايات المواد، والتوافق مع الركائز المتعددة7، والتكلفة المنخفضة8، والمرونة9، والمعالجة في درجات الحرارة المنخفضة10، وسهولة الإنتاج الضخم11. ومع ذلك ، بالكاد تم اقتراح تطبيق طريقة الطباعة النافثة للحبر لبعض الأجهزة المتطورة. هنا ، نقدم بروتوكولا يضع إرشادات مفصلة لاستخدام طريقة الطباعة النافثة للحبر لطباعة جهاز مكثف فائق.
تظهر المكثفات الفائقة، بما في ذلك المكثفات الزائفة والمكثفات الكهروكيميائية المزدوجة الطبقة (EDLCs)، كأجهزة لتخزين الطاقة يمكنها أن تكمل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية12,13. على وجه الخصوص ، EDLC هو جهاز تخزين طاقة واعد بسبب تكلفته المنخفضة وكثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويلة14. يستخدم الكربون المنشط (AC) ، الذي يحتوي على مساحة سطح محددة عالية وموصلية ، كمادة قطب كهربائي في EDLCs15 التجارية. تسمح خصائص التيار المتردد هذه ل EDLCs بأن يكون لها سعة كهروكيميائية عالية16. تحتوي EDLCs على الحجم السلبي في الأجهزة عند استخدام طريقة التصنيع التقليدية ذات الحجم الثابت. مع الطباعة النافثة للحبر، يمكن دمج EDLCs بالكامل في تصميم المنتج. ولذلك، فإن الجهاز الذي يتم تصنيعه باستخدام طريقة الطباعة النافثة للحبر أفضل وظيفيا من الجهاز الذي تم تصنيعه بواسطة المنهجيات الحالية ذات الحجم الثابت17. إن تصنيع EDLCs باستخدام طريقة الطباعة النافثة للحبر الفعالة يزيد من استقرار EDLCs وطول عمرها ويوفر عاملا حرا الشكل18. تم تصميم أنماط الطباعة باستخدام برنامج PCB CAD وتحويلها إلى ملفات Gerber. تمت طباعة الأنماط المصممة باستخدام طابعة نافثة للحبر لأنها تحتوي على تحكم دقيق ممكن من البرامج وإنتاجية عالية للمواد واستقرار الطباعة.
Protocol
Representative Results
Discussion
يتم تضمين الخطوات الهامة في هذا البروتوكول في إعداد معلمة البرنامج لطباعة النمط المصمم عن طريق ضبط قيم المعلمات بدقة. يمكن أن تؤدي الطباعة المخصصة إلى التحسين الهيكلي والحصول على خصائص ميكانيكية جديدة19. يمكن استخدام طريقة الطباعة النافثة للحبر مع التحكم في معلمات البرامج لل…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل الشركة الكورية للطاقة الكهربائية (رقم المنحة: R21XO01-24) ، وبرنامج تطوير الكفاءات لمتخصصي الصناعة في MOTIE الكورية التي تديرها KIAT (No. P0012453)، ومنحة جامعة تشونغ آنغ لأبحاث الدراسات العليا لعام 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 |
Referências
- 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).
