Høj opløsning mønster ved hjælp af to former for Electrohydrodynamic Jet: slip on Demand og i nærheden af feltet Electrospinning

Summary

Vi præsenterer her, en protokol for at producere høj opløsning ledende mønstre ved hjælp af electrohydrodynamic (EHD) jet trykning. Protokollen indeholder to former for EHD jet udskrivning: den kontinuerlige nær felt electrospinning (NFES) og dot-baserede drop-on-demand (DOD) EHD udskrivning.

Abstract

Electrohydrodynamic (EHD) jet udskrivning har henledt opmærksomheden på forskellige områder, fordi det kan bruges som en høj opløsning og lave omkostninger direkte mønster værktøj. EHD udskrivning bruger en fluidic leverandør til at opretholde den ekstruderede menisk ved at skubbe blæk ud af dysen tip. Det elektriske felt bruges derefter til at trække menisk ned til substrat til at producere høj opløsning mønstre. To former for EHD udskrivning har været brugt til fine mønstre: kontinuerlig nær felt electrospinning (NFES) og dot-baserede drop-on-demand (DOD) EHD udskrivning. Ifølge den udskrivning modes, vil kravene til trykning udstyr og blæk viskositeten variere. Selv om to forskellige tilstande kan gennemføres med en enkelt EHD printer, afviger realisering metoder væsentligt blæk, fluidic system og drivende spænding. Uden en ordentlig forståelse af jetting krav og begrænsninger, er det derfor vanskeligt at opnå de ønskede resultater. Formålet med dette oplæg er at præsentere en retningslinje, således at uerfarne forskere kan reducere trial and error bestræbelserne på at bruge for EHD jet til deres specifikke forsknings- og udviklingsformål. For at demonstrere bøde-mønstret gennemførelsen, bruger vi Ag nanopartikel blæk til den ledende mønstre i protokollen. Derudover præsenterer vi også de generaliserede udskrivning retningslinjer, der kan bruges til andre typer af blæk til forskellige programmer, fine-mønstre.

Introduction

EHD jet udskrivning har været meget anvendt i forskellige områder, såsom trykt elektronik, bioteknologi og avancerede materielle programmer, fordi den er habil i høj opløsning og billig direct mønster¹. Trykte linjebredde eller trykte dot størrelse kunne reduceres til 1 µm, hvilket er betydeligt mindre end for konventionelle piezo-baserede inkjet udskrivning¹.

I EHD udskrivning, er en lille del af blæk (eller menisk) skubbet ud af dysen tip og vedligeholdes ved at kontrollere flow sats^1,2,3,4,5 eller positive lufttrykket^{1 ,6,7}. Den ekstruderede menisk er opladet og kan nemt trækkes fra dysen tip til substratet af et elektrisk felt, som vist i figur 1. Den koniske menisk er dannet under jetting, producerer en blæk stream meget tyndere end den dyse størrelse.

Figur 1: EHD udskrivning. Figur viser princippet for EHD jet trykning. Blæk er skubbet via pres og trukket via et elektrisk felt for at danne en ekstruderet menisk fra dysen. Derefter kan de ladede blæk nemt paspolerede substrat via en DC eller puls spænding. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Selv om en enkelt EHD printer kan bruges til to forskellige modes, nær felt electrospinning (NFES) og drop-on-demand (DOD) EHD jet trykning, afviger realisering metoder væsentligt blæk, fluidic system og drivende spænding^{1 , 2 , 3}. NFES^4,5 bruger For eksempel en relativt høj-tyktflydende blæk [mere end 1.000 centipoises (cP)] til at danne sammenhængende mikro-stregmønstre med hurtig udskrivning op til 1 m/s. På den anden side DOD EHD jet trykning^6,7,8 bruger lav-viskøs blæk med en viskositet på omkring 10 cP til at udskrive dot-baserede komplekse mønstre med en lav udskrivning hastighed mindre end 10 mm/s.

Da kravet om, at hver tilstand er væsentligt forskellige, kan det være udfordrende for uerfarne forskere til at opnå de ønskede resultater. Den empiriske "knowhow" kunne være af betydning i praksis. For at hjælpe forskere med at vænne sig til udskrivningsmetoder, præsenterer vi EHD udskrivning protokoller for fine ledende mønstre ved hjælp af Ag nanopartikel blæk. Dog tilføjet vi kommentarer til protokollerne, således at de ikke er begrænset til en ledende mønstre ved hjælp af Ag nanopartikel blæk. Endelig er udskrivning og forberedelse retningslinjer præsenteret i afsnittet diskussion.

Protocol

For sundhed og sikkerhed formål, før ved hjælp af håndskrift og rengøring løsning, henvise til materielle sikkerhed dataark (MSDS).

1. Slip on demand Electrohydrodynamic Jet udskrivning med sølv nanopartikler blæk

1. Fylde de filtrerede sølv nanopartikler (AgNP) blæk i blæk reservoir for EHD udskrivningssystemet.
   Bemærk: Kommercielt tilgængelig AgNP ink kan bruges til inkjet formål. Blækket skal have en viskositet på omkring 10 cP og en overfladespænding 20 ~ 40 mN/m at få drop-on-demand jetting.
2. Foretage en dyse til DOD EHD udskrivning ved hjælp af en termisk puller.
   1. Placere et glas kapillær [indre diameter (ID) 1 mm] i den termiske puller.
   2. Angiv parametrene for den termiske puller; for eksempel, den varme temperatur i rækken af 580-590 ° C og en trække hastighed på omkring 18 mm/s.
      Bemærk: Parametrene for termisk puller bør varierer efter mål dyse ID og omgivende betingelser.
   3. Betjene den termiske aftrækker med de sæt parametre at anvende varme på midten af kapillær og træk på begge dets ender til at gøre en dyse med en ID af 5 µm.
      Bemærk: Bestemme størrelsen på dysen ID baseret på dot Målstørrelse på underlaget. For reference, kunne dyse-ID på 5 µm udskrive 5 µm mellemstore prikker.
   4. Justere glas mundstykke længde ved at skære glas dyse via et glas cutter.
3. Samle dyse til mundstykke indehaveren og stik, som er forbundet med blæk reservoir via polytetrafluorethylen (PTFE) slangen.
4. Anvende lufttryk til at levere blæk på dysen spidsen.
   1. Tænd for lufttryk controller og anvende lufttryk 15 ~ 20 kPa til blæk reservoir til at levere blæk på dysen spidsen. Overvåge blæk flow gennem gennemsigtig glas dyse og slanger til at sikre, at ingen luft er fanget inde i røret og dysen, når leverer blæk. Holde anvende lufttryk til blæk reservoir, indtil blæk vises på dysen spids.
      Bemærk: Ikke reducere presset inden blækket vises på dysen spidsen fordi der kunne forårsage luft boble entrapment på dysen spids.
   2. Reducere trykket til omkring 12 kPa at opretholde den ekstruderede menisk uden håndskrift dryp fra dysen tip.
      Bemærk: Det korrekte lufttryk afhænger dyse størrelse og blæk viskositet. Ikke forøge lufttryk til mere end 30 kPa at undgå overdreven luft komprimering, der er uønsket for opretholdelse af menisk i en stabil tilstand.
5. Fix forsamlede dyse hovedet i udskrivningssystemet.
6. Placer et glas substrat på vakuum chuck af indehaveren af substrat og tænde vakuumpumpe til at holde underlaget.
7. Flytte z-aksen scenen for at justere den stand-off distance (H) — kløften mellem dyse tip og substrat stilling — til ca. 100 µm. bruge side-se billedet erhvervet af den overvågnings kamera til at anslå stand-off distance ved hjælp af afstanden fra den dyse tip til sine overvejelser, som vist i figur 2.
   Bemærk: En mindre stand-off distance fører til en højere elektrisk felt, som kunne lette udskrivning med en lavere DC og puls spænding for jetting. Imidlertid kan en lavere stand-off distance føre til større dråber. Derfor bør omfanget af spændinger reduceres i overensstemmelse hermed for at opnå den ønskede dot størrelse. Generelt anbefales at anvende en lavere spænding at opnå mindre trykte prikker med mindre sprøjtning. Men en omhyggelig drift er påkrævet, hvis stand-off distance bliver mindre end 50 µm, på grund af den højere chance for dyse brud ved kollision med substratet. Overvejer trade-off forholdet mellem jetting evne og pålidelighed anbefaler vi brug af en stand-off distance på 100 µm.

Figur 2: Stand-off afstand justering ved hjælp af side Se kamerabilledet. Dyse billedet fra en side-view kamera kan bruges til at anslå stand-off distance. Stand-off afstanden (H) fra dysen tip til underlaget kan nemt estimeres som halve afstand fra dysen tip til sin skygge. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

8. Anvende DC og puls spændinger
   Bemærk: DC og puls spændinger kan blive kontrolleret via udskrivning software.
   1. Øge DC spænding gradvist indtil blæk drypper ud af dysen tip.
      Bemærk: Gælde ikke target spænding på én gang. Den trinvise spænding skal være mindre end 100 V ad gangen. Samlet set gælde ikke en DC spænding på mere end 600 V.
   2. Reducere DC spænding lidt fra starten DC spænding indtil ingen yderligere blæk dryp fra dysen er observeret.
      Bemærk: Efter justering af pneumatisk tryk og DC spænding, menisken bør i en passende form for jetting som vist i Supplerende figur S1.
   3. Angive en negativ puls spænding med parametrene for t_anledning = 0 ~ 100 µs, t_bo = 300 µs og t_falder = 0 µs⁷ (figur 3) i menuen software.
   4. Anvende negative puls spænding på indehaveren af substrat. Derefter, justere størrelsen af puls spænding, V_puls, til at producere en dråbe pr. enkelt puls spænding.
      Bemærk: Størrelsen af negative puls spænding, V_puls, bør være lavere end 600 V.
   5. Justere DC baggrund og puls spændinger for at opnå målet Dråbestørrelse på bærematerialet under iagttagelse af de jetted prikker på underlaget i side view kamerabillede.
      Bemærk: For at producere små prikker med mindre sprøjtning på bærematerialet, bør omfanget af pulse spænding, V_puls, være så lav som muligt.

Figur 3: puls spænding for DOD EHD jetting. Brugen af trapez bølgeform spænding anbefales at producere DOD EHD jetting⁷. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

9. Udskrive mønstre
   Bemærk: To forskellige former for mønstre kan bruges til DOD EHD udskrivning: bitmap billede og (CAD)-baserede vektor oplysninger. Bitmap-billede har været meget anvendt i DOD-baserede inkjet print. Dog i forbindelse med trykt elektronik applikationer har CAD-baserede vektor oplysninger fordele over DOD-baserede inkjet udskrivning, fordi det er effektiv i line-baseret udskrivning ved hjælp af en enkelt EHD hoved. På samme tid, kan vektor oplysninger omdannes til et bitmapbillede for bitmap-billede udskrivning.
   1. Bitmap-billede udskrivning
      1. Indlæse et bitmapbillede under fanen udskrivning i den udskrivning software og konvertere det til et binært billede.
      2. Angiv parametre for binært billede udskrivning. For eksempel, sæt drop interval (dvs., afstand mellem 2 sammenhængende pixel) på 10 µm.
         Bemærk: Bitmapbilledet ikke har nogen fysiske dimensioner. De fysiske dimensioner af det udskrevne billede vil være relateret til drop interval. For eksempel, bliver det udskrevne billede større, hvis en større dråbe interval er brugt. I konventionelle inkjet print, har dot pr. tomme (DPI) været almindeligt anvendt til dette formål. Dog skal det bemærkes, at en mindre DPI betyder en større dråbe interval. For at bestemme drop intervallet, bør trykte dot størrelse overvejes. Generelt er fald intervallet for EHD DOD udskrivning betydeligt mindre end for konventionelle inkjet print.
      3. Start udskrivning ved hjælp af den valgte bitmap på destinationsplaceringen i underlaget.
   2. Vektorudskrivning baseret på CAD-oplysninger
      1. Indlæse CAD oplysninger til udskrivning.
         Bemærk: Filformat DXF, som er tekstbaserede CAD oplysninger, kan bruges til udskriftsoplysningerne.
      2. Angiv parametre for vektorudskrivning; for eksempel, sæt drop interval på 3 µm og jetting frekvens på 10 Hz.
         Bemærk: For at udskrive de tilsluttede stregmønstre, drop interval bør være udvalgt, så adjacently deponeret dråber lidt overlapper. Dog kan for meget overlappende resultere i en større stregbredde. En overlapning af ca. 30% anbefales til enhver praktisk linje udskrivning. I tilfælde af vektor udskrivning, motion-hastighed (v) følgende ligning.
         v = d × f
         Her
         d = drop interval, og
         f = jetting frekvensen.
      3. Udskrive de indlæste mønstre på underlaget ved hjælp af forudbestemte udskriftsparametre, såsom drop interval, udskrivningshastigheden, spænding, osv.
         Bemærk: Efter udskrivning, en sintringen muligvis bedt om at opnå den ønskede ledningsevne af de trykte mønstre, som ligger uden for denne hvidbogs anvendelsesområde.

2. fine ledende linje mønstre ved hjælp af nær felt Electrospinning

1. Gøre nær felt electrospinning (NFES) blæk til ledende linje udskrivning.
   1. Bland ethanol og deioniseret vand (DI) vand med et volumen-forholdet på 3 (ethanol) til 1 (DI vand) til at forberede opløsningsmiddel 1. For eksempel, bland 9 ml ethanol og 3 ml af DI vand for at gøre 12 ml af opløsningsmidlet 1.
   2. Bland 0,3 g af poly (ethylenoxid) (PEO, M_wt = 400.000) og 9,7 g af den forberedte opløsningsmiddel 1 at gøre en polymer løsning med 3 wt % af PEO ved omrøring med en magnetomrører i mere end 6 timer ved stuetemperatur (25 ° C).
   3. Mix Ag nano indsætte håndskrift, som har en viskositet på omkring 11.000 cP, og rede polymer løsning, med en vægtforhold på 5 (Ag nano pasta blæk) til 1 (polymer løsning) ved hjælp af en vortex-mixer i 10 min. at anskaffe blæk til NFES. For eksempel, 10 g af Ag nano indsætte håndskrift og 2 g af polymer løsning kan blandes for at opnå NFES blæk.
      Bemærk: I denne protokol, forholdet mellem de blanding materialer er generelt vigtigere end de specifikke beløb af materialer. Kommercielt tilgængelige Ag nano indsætte blæk til udskrivning formål, skærm, som har Ag solid indholdet af omkring 85,5 wt %, kan bruges til dette formål. Bemærk at valg af opløsningsmiddel og polymeren kan variere baseret på sammensætningen af det blæk, der bruges.
2. Fylde de forberedte NFES blæk i sprøjten.
3. Tilslutte sprøjten med en dyse via de forbinder rør.
   Bemærk: En kommercielt tilgængelig sprøjte nål med en ID af 100 µm kan bruges til dysen.
4. Levere blæk til dysen ved at skubbe sprøjten manuelt.
5. Installer sprøjten i sprøjte-motor, der er knyttet til udskrivningssystemet.
6. Placer et substrat på vakuum chuck og tænde vakuumpumpe til at holde underlaget under udskrivningen.
7. Styre Z-position (fase) for at justere stand-off distance.
   Bemærk: Den anbefalede afstand afstand bør være omkring 2 mm, som er et væsentligt mindre stand-off afstand i forhold til den, der bruges med konventionelle electrospinning.
8. Justere flow
   1. Betjene sprøjten pumpe for at fylde NFES blæk i dysen forsamling og generere en blæk flow med en indledende gennemstrømningshastighed på 50 µL/min, hvilket er højere end målbeløbet flow.
   2. Angive en target strømningshastigheden af 1 µL/min, når blækket flyder ud af dysen tip.
      Bemærk: En mindre strømningshastighed kan resultere i en mindre mønster bredde. Dog kan det medføre linje brud. Trade-off mellem linjebredde og fortsættelse af linjen bør overvejes når målet strømningshastighed bestemmes.
9. Anvende spænding
   1. Tilslut DC spændingskilde til dyse stik og Tilslut jorden spænding til indehaveren af substrat.
   2. Øge DC spænding gradvist til 1,5 kV.
      Bemærk: Da stand-off distance er inden for rækkevidde af et par millimeter, DC spænding kunne øges til 2 kV, som er højere end at i DOD EHD jet trykning. Dog en DC spænding højere end 2 kV bør undgås, da det kan beskadige den funktionelle materiale, især Ag indsætte håndskrift, føjes til polymer løsning. Generelt anbefales et lavere DC spænding når en tyndere trykte linje er påkrævet. Dog kunne de trykte linier let afbrydes, når en lav spænding er anvendt, fordi trækkraft til kontinuerlig blæk udskrivning er relateret til spændingen, DC. I betragtning af afvejninger, anbefaler vi brug af en DC spænding fra 1 kV til 2 kV.
10. Start den tomgang udskrivning med en udskrivningshastighed på 300 mm/s for mere end 10 min at få en steady-state flow. Justere udskriftsparametre såsom DC spænding og strøm sats under tomgang udskrivning at få de ønskede udskriftsresultater.
    Bemærk: Inaktiv udskrivning af mere end 10 min er forpligtet til at opnå en steady-state flow, fordi den tyktflydende blæk kan komprimeres i den lange slange under blæk levering til dysen tip. Uden tomgang trykning, kan trykte linjebredden ændre sig med tiden. Tomgang udskrivningshastigheden bør således være den samme som den faktiske udskrivningshastighed så at jetting parametre kan indstilles under udskrivningen. På denne måde justeres DC spænding under tomgang trykning at opnå målet linjebredden. Bemærk at strømningshastighed og DC spænding bør være afbalanceret, således at mængden blæk skubbet af sprøjten pumpe er lig med mængden blæk trukket af det elektriske felt.
11. Vælg den trykning mønster, som en kontinuerlig linje og gitter mønstre.
    Bemærk: Da den producerede fiber kan nemt blive afbøjet og tilfældigt kan deponeres på grund af den afgift frastødning kraft genereret af de trykte linjer, udskrivningshastigheden skal være større end 300 mm/s for at justere mønsteret med udskrivning retninger, og den afstanden mellem linjerne trykte anbefales at være mere end 100 µm for at udskrive de binde eller linje mønstre.
12. Udskrive det markerede mønster på underlaget ved hjælp af forudbestemte udskriftsparametre.
    Bemærk: En sintringen muligvis bedt om at opnå målet funktionaliteter af de trykte mønstre, som ligger uden for denne hvidbogs anvendelsesområde.

Representative Results

Dot-baserede drop-on-demand udskrivning:
DOD udskrivning er baseret på en droplet jetting pr. én jetting udløser. CP bør anvendes til at producere DOD jetting, lav-viskøs blæk med en viskositet på ca. 10. Blæk krav for EHD DOD udskrivning er svarer til den konventionelle DOD inkjet, er metoden EHD udskrivning end de konventionelle DOD inkjet. I forbindelse med konventionelle inkjet print, har den raster teknik været meget anvendt, fordi det er egnet til bitmap billede udskrivning ved hjælp af multi dyse hoveder. Men i tilfælde af en EHD jet trykning, der er en grænse på gennemførelsen af multi dyse hovedet på grund af den elektriske cross-talk blandt dyser. Således er vektorudskrivning ved hjælp af en enkelt dyse almindeligt anvendt til CAD-baserede line udskrivning. Ikke desto mindre, enten raster eller vektor udskrivningstilstand bør vælges fra udskriftssoftware at udskrive forskellige typer af mønstre. Bemærk at den algoritme og gennemførelsen kan variere efter udskrivning-tilstande. I tilstanden vektor, simultan bevægelser i x, anvendes y retninger til at udskrive linjerne, hvorimod i raster udskrivning, en enkelt akse bruges til at udskrive prikker i den vigtigste retning og derefter flytte til den næste skår i retningen sub. Repræsentative udskriftsresultater ved hjælp af raster og vektor udskrivning er vist i figur 4.

Figur 4: typisk udskriftsresultater ved hjælp af DOD EHD jetting. (en) dette panel viser bitmapudskrivning (raster udskrivning). (b) dette panel viser vektorudskrivning baseret på CAD-oplysninger. Dot-baserede EHD jet trykning kan bruges til at udskrive både bitmapbilleder (raster udskrivning) og CAD-baserede linjer (vektorudskrivning). Her, blev DC spænding på 250 V og en puls spænding i-250 V brugt til at udskrive både mønstre. I panelet en, var drop interval indstillet til 10 µm for at adskille prikkerne. I panelet b, blev mønstret trykt med en frekvens på 10 Hz og en dråbe interval af 3 µm, så prikker er forbundet til at danne linjer.

I nærheden af feltet electrospinning:
NFES bruger meget tyktflydende blæk på mere end 1.000 cP til at udskrive mønstre løbende. Så, det kan ikke udskrive bitmapbilleder eller CAD oplysninger med udskrivning og trykfri steder. Som et resultat, i stedet for komplicerede mønstre er NFES velegnet til udskrivning lige linjer ved hjælp af en høj udskrivningshastighed. Gitter mønstre er almindeligt anvendt som vist i figur 5.

Figur 5: typisk udskrive resultatet af NFES. (en) dette panel viser en typisk gittermønster for electrospinning udskrivning. (b) dette panel viser effekten af udskrivningshastigheden på udskrive resultatet. NFES kræver en høj udskrivningshastighed til to formål: at reducere mønster bredde og at tilpasse de udskrivning mønstre med hensyn til udskriftsretningen. Da den jetting adfærd er uforudsigelig i regionen langsom udskrivning, bør hurtig udskrivning regionen anvendes ved at udelukke ikke-straight-line dele.

Hvis du vil udskrive løbende mønstre ved hjælp af NFES, bør udskrivningshastigheden være hurtigere end 300 mm/s til at justere de trykte mønstre med udskriftsretningen. En hurtig udskrivningshastighed hjælper også til at opnå en tynd mønster bredde¹¹. Reduktionsforholdet af mønster bredde med hensyn til dysen ID kunne være mere end 20 x, afhængigt af udskriftsbetingelser. For eksempel, kunne en dyse ID af 100 µm producere et mønster bredde mindre end 5 µm. Så er NFES en meget effektiv metode til at opnå meget fine mønstre ved hjælp af meget tyktflydende blæk. Men mønster rethed og bredde er let udskrivning hastighed varierer. Bemærk, at der er uundgåelige acceleration og deceleration regioner hvor udskrivningshastigheden kan blive meget lav (eller nul) til at ændre udskriftsretningen. I disse regioner, kunne de trykte mønstre bliver uensartet og neutralt med hensyn til de bevægelige retning. Derfor anbefaler vi brug af de trykte mønstre nær high-speed regionen kun. De trykte mønstre i nærheden af acceleration og deceleration regioner (de lave udskrivning hastighed regioner) skal kasseres, som vist i figur 5a. I nogle tilfælde, kan en lav jetting hastighed bruges til at generere en bølgemønster. Ved hjælp af en lav udskrivningshastigheden på mindre end 100 mm/s, kan mønstrene blive bølget, som vist i figur 6. Bølgemønster kan være nyttige i strækbart elektronik applikationer. Linjebredden kan imidlertid øge op til mere end 10 µm på grund af den lave udskrivningshastigheden.

Figur 6: eksempel på bølgede mønstre ved hjælp af lav udskrivningshastigheden. En lav udskrivningshastigheden (ca. 100 mm/s) kan producere bølgestreger. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I nogle udskrivning ansøgninger er meget fine mønstre bredde er mindre end 1 µm påkrævet. For at opnå sådan et fint mønster, en udskrivning hastighed så hurtigt som 1 m/s kan betragtes. Men en alt for høj udskrivningshastighed kan resultere i afbrudt (eller brudt) linjer. Så skal forskellige udskriftsbetingelser som strømningshastighed, stregtykkelse, udskrivningshastigheden og strækbarhed af polymeren optimeres for at udskrive fine mønstre uden nogen linje brud. For eksempel, figur 7 viser strømmen sats effekter på de udskriftsresultater når udskrivningshastigheden og DC spænding er 300 mm/s og 1.200 V, henholdsvis.

Figur 7: mønster bredde ifølge strømningshastigheden. Strømningshastigheden er relateret til mønster bredde. Med en lavere flow fås en finere mønster. For eksempel, hvis strømmen er høj med 50 µL/min, ville linewidth være stor med 34 µm. Når flowet reducerer til 1 µL/min og 0,1 µL/min, finere mønstre med en bredde på 8 µm og 1 µm, henholdsvis, kan opnås. Bemærk, at hvis flowet er for lille, stregmønster kan være brudt og afbrudt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur S1: Standby menisk form efter udskriftsbetingelser. Figuren ordentlig menisk bør opretholdes under hele udskrivningsprocessen gennem korrekt lufttryk og en DC baggrund spænding for at opnå stabil DOD jetting. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Figur S2: skematisk electrospinning udskrivning. Komponenter til electrospinning udskrivning er vist. Bemærk, at en høj DC spænding blev anvendt til dysen indehaveren til at levere elektrisk afgifter til blæk og producere det elektriske felt, der trækker trykfarven til substratet. I tilfælde af NFES, stand-off-afstanden fra dysen tip til underlaget skal være 1 ~ 3 mm for lineær udskrivning langs udskriftsretningen. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

I denne protokol, vi fokuserer på udskrivning af fine mønstre ved hjælp af AgNP blæk med to tilstande: DOD EHD udskrivning og NFES. For EHD jet udskrivning overførelse er imidlertid ikke begrænset til de ledende blæk ved hjælp af AgNP. Her diskuterer vi de generelle retningslinjer for udvælgelsen af blæk, systemkonfigurationen og andre udskriftsparametre skulle bruge EHD jet udskrivning til forskellige programmer, fine-mønster.

Det første og vigtigste skridt for EHD udskrivning er blæk udvælgelse og forberedelse. Den blæk, der bruges i den konventionelle inkjet print kan bruges i DOD EHD udskrivning. Viskositet af blæk DOD inkjet print er i intervallet 1 ~ 50 cP (typisk 10 cP)¹⁴. Dog skal det bemærkes, at metoden pneumatisk kontrol for DOD EHD udskrivning er anderledes end en konventionel DOD inkjet. Konventionelle inkjets bruge negative pres til at vedligeholde menisk placering inde i dysen overflade for at forhindre enhver blæk dryp og dyse befugtning. På den anden side bruger EHD DOD udskrivning overtryk, der kan skubbe blæk til at danne en ekstruderet menisk. Bemærk, at hvis blæk viskositet bliver mere end 100 cP, menisken er vanskeligt at kontrollere, fordi luften kan derefter nemt komprimeres i stedet for at skubbe blæk på dysen spidsen. Viskositet-intervallet jetting kan afhænge af dyse-ID. Hvis en mindre dyse-ID'ET bruges, bør viskositeten reduceres i overensstemmelse hermed for at levere blæk på dysen spidsen uden for meget luft komprimering.

Overfladespænding af blæk er også vigtigt for korrekt jetting. Overfladespænding af blækket skal være i intervallet 20-40 mN/m. Hvis overfladespænding er mindre end 20 mN/m, vil sprøjtning effekter dominere. Hvis overfladespænding er mere end 40 mN/m, vil det være svært at danne en konisk menisk, hvilket er nødvendig for korrekt EHD jetting.

Figur 8: overfladespænding virkninger for EHD jetting. Den anbefalede overfladespænding for blæk er inden for rækkevidde af 20-40 mN/m. Hvis overfladespænding bliver lav, vil sprøjtning virkningerne på underlaget dominere. På den anden side, hvis overfladespænding er for høj, er ordentlig EHD jetting usandsynlig, fordi den koniske menisk er vanskeligt at opnå. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Hvis overfladespænding en blæk er mere end 40 mN/m, kan en lille mængde af det overfladeaktive stof føjes til blæk til at reducere overfladespænding. Men brugen af overdreven overfladeaktivt stof kan forårsage sprøjtning af blæk på underlaget. Bemærk, at ladede blæk med nogle polariteten kan producere en frastødende kraft under jet flyvning, hvilket resulterer i sprøjtning på underlaget. For at reducere effekterne sprøjtning, kan reduktion af enten de drivende spænding eller stand-off distance betragtes.

En anden vigtig parameter for pålidelig jetting er kogepunktet. Da dysen ID er meget lille for en EHD jet, den ekstruderede menisk, på grund af overtryk, kan nemt tørres og tilstoppe dysen. For at reducere håndskrift, tørring på dysen spids, bør de vigtigste opløsningsmiddel vælges baseret på det faktum, at dens kogepunkt er højere end 150 ° C. For at forhindre enhver tilstopning på grund af partikel sammenlægning, overveje filtrering blæk med filtre med porer en størrelse mindre end dyse-ID. Desuden bør partiklerne i blækket være mindst 10 x mindre end dyse-ID. Generelt, kan de blæk, der er egnet til en konventionel piezo inkjet også bruges til DOD EHD udskrivning.

NFES blæk har højere viskositet sammenlignet med DOD EHD inkjet blæk. Viskositeten skal være inden for rækkevidde af flere tusinde cP. For en kontinuerlig udskrivning, er en polymer løsning blandet med funktionelle blæk. Anvendelsen af NFES er for nylig blevet udvidet fra fiber produktion^15,16 til forskellige applikationer ved at blande funktionelle materialer med polymer løsning¹⁷. Polymer løsninger, er PEO, og PVP (polyvinylpyrrolidon), etc.^4,5,17,18,19, som har en høj molekylvægt, almindeligt anvendt. Den største bekymring med NFES er at bevare den fortløbende udskrivning kapacitet ved hjælp af polymeren, mens blækket holder det materiale funktionalitet, såsom ledningsevne. Derfor udvælges blandingsforholdet af polymer løsning med hensyn til de funktionelle materialer omhyggeligt. Også, i modsætning til DOD, opløsningsmiddel med et lavere kogepunkt (mindre end 100 ° C) er typisk blevet brugt til gøre polymer løsning.

Selvom en konventionel inkjet blæk kan bruges i DOD EHD udskrivning, pres kontrolmetoder for EHD udskrivning er anderledes end en konventionel inkjet. EHD udskrivning bruger overtryk til at opretholde den ekstruderede menisk fra dysen, mens en konventionel inkjet bruger undertryk. For overtryk kontrol, to typer af pres styre metoder — hydrostatisk tryk og pressede luft — kunne bruges, afhængigt af de blæk viskositet og dyse ID som vist i figur 9. For en mindre dyse, skal lufttryk snarere end hydrostatisk tryk bruges til at skubbe blæk på dysen spidsen. Dog kan en ordentlig kontrol med luftens tryk være svært, når du bruger høj viskositet blæk eller en dyse med en ID mindre end 2 µm, da luften kan komprimeres nemt. På den anden side, hvis dyse størrelse er mere end 50 µm, kan en lille variation i lufttryk påvirke menisk placering. Hvis blæk viskositeten er lav og dysen er mere end 50 µm, bør hydrostatisk tryk ved hjælp af fluidic højde anvendes til at opretholde en konsekvent menisk placering.

Figur 9: trykstyring for DOD jetting. Overtryk er nødvendige for at opretholde den ekstruderede menisk på en standby status. Pres for menisken kan styres af enten det hydrostatiske tryk (ved hjælp af højdeforskellen mellem blæk reservoir og dyse tip) eller trykluft fra en kompressor. Udvælgelsen af metoderne, der skal variere alt efter dyse størrelse og blæk viskositet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

I tilfælde af NEFS, kan en sprøjten pumpe bruges til foder blækket til dysen, da den meget tyktflydende blæk kan blive skubbet af lufttryk. Bemærk at blækket kan Pressurised og komprimeret når den leveres på en konstant hastighed via en sprøjten pumpe. Lang tid kan også kræves for komprimeret blæk til at nå en steady-state flow på dysen spids. For at minimere effekterne blæk-komprimering på udskrivning, bør de forbinder rør indsat mellem sprøjten og dyse tip være så kort som muligt. De forbinder rør bør også svært at minimere ekspansion effekter forårsaget af den pressede tyktflydende blæk. For at minimere effekterne blæk kompression, skal sprøjten knyttes til trykkemidler (faser) at reducere længden af røret tilslutte sprøjten til dysen. Til dette formål brugte vi en sprøjten pumpe som skruen motor kan adskilles fra registeransvarlige, som vist i figur 10.

Figur 10: en Fluidic system for electrospinning. Fluidic systemet for electrospinning består af to dele: sprøjten pumpesystem og sprøjte-dyse forsamling. Sprøjten pumpesystem omfatter en strømningsregulator sats og en skrue motor. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

En af de vigtige parametre til at bestemme den dot størrelse eller mønster bredde er dyse-ID. I modsætning til konventionelle inkjet hoved kræver en EHD hoved ikke nogen aktuatorer eller komplekse flydende kanaler. Det kræver kun en dyse som en sprøjte nål eller et glas kapillær dyse, som er forbundet med en høj spændingskilde. Her, baseret den rigtige størrelse af dysen ID skal vælges på blæk viskositet samt mønster bredde. For eksempel, i tilfælde af en DOD udskrivning ved hjælp af en lavere end 100 viskositet cP, dyse-ID skal være mindre end 50 µm. For at opnå stabil og ensartet udskrivning, skal den ekstruderede menisk på standby status forblive på samme sted. Men når en dyse med en større end 50 µm ID er brugt, lille variationer i lufttrykket, køre spænding, og stand-off distance kan let påvirke menisk placeringen af lav-viskøs blæk. Bemærk at en menisken placering er tilknyttet jetting mængden: en lavere placering normalt producerer flere dråber. Derfor, når du bruger en dyse med en stor ID, det er meget vanskeligt at opnå dot ensartethed i hele DOD udskrivningsprocessen. Derfor udskrives dysen-ID skal være mindre end 10 µm at sikre dot-størrelse ensartethed. Brugen af en dyse med en mindre ID har fordelen ved udskrivning mindre prikker. For eksempel, en dyse ID med 3 µm kunne udskrive prikker så lille som 3 µm, og dot størrelse kan reduceres yderligere ved hjælp af en dyse med mindre ID. For at gøre en dyse med en lille ID, er et glas kapillær almindeligt anvendt, fordi mundstykke med målet ID kan være let foretages via et kommercielt tilgængelige termisk puller. På en anden hånd, NFES har brug for en dyse-ID, der er større end 50 µm, udskrive høj viskositet (større end 1.000 cP) blæk. Normalt, er en dyse med en ID af 100 µm almindeligt anvendt til fine-mønster udskrivning med mønster bredde på mindre end 5 µm. Her, kan et kommercielt tilgængelige sprøjte nål bruges til dette formål.

I både DOD EHD jet og NFES jetting, bør blæk viskositet overvejes at vælge dyse-ID. Også bør mængden af pres (eller strømningshastigheden) i det fluidic system bestemmes baseret på dysen ID og blæk viskositet. Figur 11 viser relationerne mellem tre vigtige faktorer: blæk viskositet, dyse størrelse, og luft pres (eller strømningshastigheden). Som vist i Figur 11, både højt tryk og en dyse med en stor ID bør anvendes ved brug af høj-tyktflydende blæk, lavt lufttryk og en dyse med en mindre ID bør anvendes til jetting lav-viskøs blæk.

Figur 11: dyse udvalg retningslinje viskositet og pres. Denne figur forklarer forholdet mellem dyse ID, viskositet og pneumatisk tryk. For eksempel, hvis en meget tyktflydende blæk bruges, et større mundstykke og/eller højere lufttryk er nødvendige, eller vice versa. På samme måde for menisk kontrol, er højere lufttryk nødvendig når du bruger en dyse med en mindre ID, eller vice versa. Ikke desto mindre højt lufttryk kan ikke skubbe blæk korrekt til dysen tip hvis dysen ID er meget lille eller viskositeten er for højt, fordi luften kunne nemt blive komprimeret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Under udskrivningen, kan den ydre del af dysen chloroformvædet af blæk strømme fra dysen tip. Ved tilstedeværelse af betydelige befugtning, kan ordentlig jetting kontrol være svært. Den mulige årsag til fugtning kan enten være fra forkert blæk egenskaber, såsom overfladespænding, eller fra en forkert indstilling af parametre såsom DC spænding og pres/flow sats. Hvis befugtning på dysen fortsætter, muligvis dyse overflade behandling påkrævet, således at dysen overflade kan have hydrofobe karakteristika med hensyn til blæk.

DOD udskrivning: to forskellige typer af spændingskilder er påkrævet^7,11: en DC baggrund spænding at opretholde standby menisk form og en puls spænding til at generere DOD jetting. Men NFES bruger kun DC spænding for at udskrive løbende mikro-line mønstre ved hjælp af meget meget tyktflydende blæk (mere end 1.000 cP). Den høje DC spænding fra 1 kV til 2 kV blev anvendt til metal stik indsættes mellem dysen og røret. Hvis du vil udskrive en lige linje, brugte vi den korte afstand afstand 1 ~ 3 mm, og det er grunden til, at metoden kaldes "nær-felt" electrospinning (NFES), som har forskellige funktioner i forhold til konventionelle langt-ager electrospinning^12,13 .

I denne protokol, et glas substrat blev brugt til eksperimenter, men forskellige typer af substrat kan anvendes ifølge ansøgningerne. Dog skal det bemærkes, at substrater, der har en høj isolering ejendom [for eksempel polyethylenterephthalatfolie (PET) folie] har brug for forbehandling, såsom en kemisk overfladebehandling, fjerne de elektriske statisk elektricitet, som kan være samlet sig på overfladen.

Hvis du vil bruge en EHD jet til forskellige applikationer, er retningslinjerne for udskrivning og forberedelse sammenfattet i tabel 1.

	DOD EHD jet trykning	I nærheden af feltet electrospinning (kontinuerlig udskrivning)
Blæk krav	Viskositet interval: 1 ~ 100 cP.	Viskositet: 100 cP ~ 10.000 cP.
	Overfladespænding: 20-40 mN/m.	Kogepunkt: mindre end 100 ° C.
	Kogepunkt opløsningsmiddel: mere end 150 ° C.
Fluidic system	Flydende højde (hydrostatisk kraft): dyse med en indre diameter på mere end 50µm.	Sprøjten pumpe med konstant strømningshastighed.
	Luft tryk: mundstykke med indvendige diameter er mindre end 10 µm.
Dyse indre diameter krav	Ikke mere end 10 µm er anbefalet for stabil jetting.	Mere end 100 µm kan bruges til tynd mønstret med bredde mindre 5µm.
	Generelt: indvendige diameter med 5 µm kan udskrive om prikker med størrelsen af 5µm.
Spænding krav	DC baggrund spænding: mindre end 600 V	DC spænding: mindre end 2 kV.
	Puls spænding for jetting: et par hundrede volt.
Udskrivning hastighed	Lav, mindre end 10 mm/s.	Hurtigere end 300 mm/s.
Software krav	Raster udskrivning (bitmapbillede).	Simpelt gitter mønstre.
	Vektorudskrivning (CAD baseret information).	Mønstre med tænd-sluk krav er umuligt på grund af jetting kontinuerlig karakter.

Tabel 1: oversigt over forberedelse og udskrivning retningslinjer for DOD og kontinuerlig EHD jet. I tabel opsummeres de krav og anbefalinger til fine mønstre ved hjælp af for EHD jet.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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