Uitgebreide controle van inkjetprinter voor fabricage van chipgebaseerde supercondensatoren
Summary
Dit artikel biedt een techniek voor het vervaardigen van op chips gebaseerde supercondensatoren met behulp van een inkjetprinter. Methodologieën worden in detail beschreven om inkten te synthetiseren, softwareparameters aan te passen en de elektrochemische resultaten van de gefabriceerde supercondensator te analyseren.
Abstract
Er zijn enorme inspanningen op verschillende gebieden om de inkjetprintmethode toe te passen voor de fabricage van draagbare apparaten, displays en energieopslagapparaten. Om producten van hoge kwaliteit te krijgen, zijn echter geavanceerde bedieningsvaardigheden vereist, afhankelijk van de fysieke eigenschappen van de inktmaterialen. In dit opzicht is het optimaliseren van de inkjetprintparameters net zo belangrijk als het ontwikkelen van de fysieke eigenschappen van de inktmaterialen. In deze studie wordt optimalisatie van de parameters van de inkjetprintsoftware gepresenteerd voor het fabriceren van een supercondensator. Supercondensatoren zijn aantrekkelijke energieopslagsystemen vanwege hun hoge vermogensdichtheid, lange levensduur en verschillende toepassingen als krachtbronnen. Supercondensatoren kunnen worden gebruikt in het Internet of Things (IoT), smartphones, draagbare apparaten, elektrische voertuigen (EV’s), grote energieopslagsystemen, enz. Het brede scala aan toepassingen vereist een nieuwe methode die apparaten op verschillende schalen kan fabriceren. De inkjetprintmethode kan de conventionele fabricagemethode met vaste grootte doorbreken.
Introduction
In de afgelopen decennia zijn meerdere printmethoden ontwikkeld voor verschillende toepassingen, waaronder draagbare apparaten1, farmaceutische producten2 en lucht- en ruimtevaartcomponenten3. De bedrukking kan eenvoudig worden aangepast voor verschillende apparaten door eenvoudig de te gebruiken materialen te veranderen. Bovendien voorkomt het de verspilling van grondstoffen. Voor de productie van elektronische apparaten zijn verschillende drukmethoden ontwikkeld, zoals zeefdruk4, push-coating5 pt lithografie6. In vergelijking met deze printtechnologieën heeft de inkjetprintmethode meerdere voordelen, waaronder minder materiaalverspilling, compatibiliteit met meerdere substraten7, lage kosten8, flexibiliteit9, verwerking bij lage temperaturen10 en gemak van massaproductie11. De toepassing van de inkjetprintmethode is echter nauwelijks gesuggereerd voor bepaalde geavanceerde apparaten. Hier presenteren we een protocol met gedetailleerde richtlijnen voor het gebruik van de inkjetprintmethode voor het afdrukken van een supercondensatorapparaat.
Supercondensatoren, waaronder pseudocondensatoren en elektrochemische dubbellaagse condensatoren (EDLC’s), zijn in opkomst als energieopslagapparaten die conventionele lithium-ionbatterijen kunnen aanvullen12,13. EDLC is vooral een veelbelovend apparaat voor energieopslag vanwege de lage kosten, hoge vermogensdichtheid en lange levensduur14. Actieve kool (AC), met een hoog specifiek oppervlak en geleidbaarheid, wordt gebruikt als elektrodemateriaal in commerciële EDLC’s15. Deze eigenschappen van AC zorgen ervoor dat EDLC’s een hoge elektrochemische capaciteit hebben16. EDLC’s hebben het passieve volume in apparaten wanneer de conventionele fabricagemethode met vaste grootte wordt gebruikt. Met inkjetprinten kunnen de EDLC’s volledig worden geïntegreerd in het productontwerp. Daarom is het apparaat dat is vervaardigd met behulp van de inkjetprintmethode functioneel beter dan het apparaat dat is vervaardigd met bestaande methoden met een vast formaat17. De fabricage van EDLC’s met behulp van de efficiënte inkjetprintmethode maximaliseert de stabiliteit en levensduur van EDLC’s en biedt een vrije vormfactor18. De drukpatronen zijn ontworpen met behulp van een PCB CAD-programma en geconverteerd naar Gerber-bestanden. De ontworpen patronen zijn afgedrukt met behulp van een inkjetprinter omdat deze nauwkeurige softwaregestuurde controle, hoge materiaaldoorvoer en afdrukstabiliteit heeft.
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritieke stappen in dit protocol zijn betrokken bij het instellen van de softwareparameter om het ontworpen patroon af te drukken door de parameterwaarden nauwkeurig aan te passen. Afdrukken op maat kan leiden tot structurele optimalisatie en het verkrijgen van nieuwe mechanische eigenschappen19. De inkjetdrukmethode met softwareparameterregeling kan worden gebruikt voor geavanceerd afdrukken in verschillende industrieën door het geoptimaliseerde materiaal voor het drukproces te selecteren.</p…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Korea Electric Power Corporation (subsidienummer: R21XO01-24), het Competency Development Program for Industry Specialists van de Koreaanse MOTIE beheerd door KIAT (Nr. P0012453) en de Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 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).
