שליטה משוכללת במדפסת הזרקת דיו לייצור סופר-קבלים מבוססי שבבים
Summary
נייר זה מספק טכניקה לייצור סופר-קבלים מבוססי שבבים באמצעות מדפסת הזרקת דיו. מתודולוגיות מתוארות בפירוט כדי לסנתז דיו, להתאים פרמטרי תוכנה, ולנתח את התוצאות האלקטרוכימיות של supercapacitor המיוצר.
Abstract
ישנם מאמצים כבירים בתחומים שונים ליישם את שיטת הדפסת הזרקת הדיו לייצור התקנים לבישים, צגים והתקני אחסון אנרגיה. כדי לקבל מוצרים באיכות גבוהה, עם זאת, כישורי פעולה מתוחכמים נדרשים בהתאם למאפיינים הפיזיים של חומרי הדיו. בהקשר זה, אופטימיזציה של הפרמטרים הדפסת הזרקת דיו חשובה כמו פיתוח המאפיינים הפיזיים של חומרי הדיו. במחקר זה, אופטימיזציה של הפרמטרים של תוכנת הדפסת הזרקת דיו מוצג לייצור supercapacitor. סופר-קבלים הם מערכות אטרקטיביות לאחסון אנרגיה בשל צפיפות ההספק הגבוהה שלהם, תוחלת החיים הארוכה והיישומים השונים כמקורות כוח. Supercapacitors ניתן להשתמש באינטרנט של דברים (IoT), טלפונים חכמים, מכשירים לבישים, כלי רכב חשמליים (EVs), מערכות אחסון אנרגיה גדולות, וכו ‘. המגוון הרחב של יישומים דורש שיטה חדשה שיכולה לייצר מכשירים בקנה מידה שונה. שיטת ההדפסה של הזרקת הדיו יכולה לפרוץ את שיטת הייצור הקונבנציונלית בגודל קבוע.
Introduction
בעשורים האחרונים פותחו שיטות הדפסה מרובות עבור יישומים שונים, כולל מכשירים לבישים1, תרופות2 ורכיבי תעופה וחלל3. ניתן להתאים את ההדפסה בקלות למכשירים שונים פשוט על ידי שינוי החומרים לשימוש. יתר על כן, הוא מונע בזבוז של חומרי גלם. כדי לייצר התקנים אלקטרוניים, פותחו מספר שיטות הדפסה כגון הדפסת מסך4, ציפוי דחיפה5 וליתוגרפיה6. בהשוואה לטכנולוגיות הדפסה אלה, לשיטת הדפסת הזרקת הדיו יש יתרונות רבים, כולל פסולת חומרים מופחתת, תאימות עם מצעים מרובים7, עלות נמוכה8, גמישות9, עיבוד בטמפרטורה נמוכה10 וקלות בייצור המוני11. עם זאת, היישום של שיטת ההדפסה הזרקת דיו בקושי הוצע עבור התקנים מתוחכמים מסוימים. כאן, אנו מציגים פרוטוקול הקובע קווים מנחים מפורטים לשימוש בשיטת הדפסת הזרקת הדיו להדפסת התקן supercapacitor.
סופר-קבלים, כולל פסאודו-קפלקטורים וקבלים אלקטרוכימיים דו-שכבתיים (EDLCs), מתגלים כהתקני אגירת אנרגיה שיכולים להשלים סוללות ליתיום-יון קונבנציונליות12,13. במיוחד, EDLC הוא התקן אגירת אנרגיה מבטיח בגלל העלות הנמוכה שלו, צפיפות הספק גבוהה וחיי מחזור ארוכים14. פחמן פעיל (AC), בעל שטח פנים ומוליכות ספציפיים גבוהים, משמש כחומר אלקטרודה ב- EDLCs מסחריים15. מאפיינים אלה של AC מאפשרים EDLCs יש קיבוליות אלקטרוכימית גבוהה16. ל- EDLCs יש את אמצעי האחסון הפסיבי בהתקנים כאשר נעשה שימוש בשיטת הייצור הרגילה בגודל קבוע. עם הדפסת הזרקת דיו, ניתן לשלב את ה- EDLCs באופן מלא בעיצוב המוצר. לכן, ההתקן שנוצר בשיטת ההדפסה של הזרקת הדיו טוב יותר מבחינה פונקציונלית מזו שהומצאה על ידי מתודולוגיות קיימות בגודל קבוע17. הייצור של EDLCs באמצעות שיטת ההדפסה היעילה של הזרקת דיו ממקסם את היציבות ואריכות הימים של EDLCs ומספק גורם צורה חופשית18. דפוסי ההדפסה תוכננו באמצעות תוכנית PCB CAD והוסבו לקבצי גרבר. התבניות המעוצבות הודפסו באמצעות מדפסת הזרקת דיו מכיוון שיש בה שליטה מדויקת התומכת בתוכנה, תפוקת חומרים גבוהה ויציבות הדפסה.
Protocol
Representative Results
Discussion
השלבים הקריטיים בפרוטוקול זה מעורבים בהגדרת פרמטר התוכנה כדי להדפיס את התבנית המעוצבת על-ידי התאמה עדינה של ערכי הפרמטרים. הדפסה מותאמת אישית יכולה להוביל לאופטימיזציה מבנית ולהשגת תכונות מכניות חדשות19. ניתן להשתמש בשיטת הדפסת הזרקת הדיו עם בקרת פרמטרי תוכנה להדפסה מתוחכמת…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי חברת החשמל של קוריאה (מספר מענק: R21XO01-24), תוכנית פיתוח הכשירות למומחי התעשייה של MOTIE הקוריאני המופעלת על ידי KIAT (לא. P0012453), ומלגת המחקר לתארים מתקדמים באוניברסיטת צ’ונג-אנג 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).
