Impresión plana y tridimensional de tintas conductoras

1. Introducción Este trabajo demuestra la 1D, 2D, 3D e impresión de microelectrodos conductor a través de escritura directa de montaje. Escritura directa de la Asamblea es un método de construcción de 1D a 3D estructuras impresas por el depósito de tintas concentradas a través de boquillas finas. Nuestro sistema consiste en un ordenador controlado por la etapa de traducción de 3 ejes, un depósito de tinta y la punta, y 10x para imágenes telescópicas (Figura 1). Escritura directa de la Asamblea es un método de impresión filamentosas en el que las tintas concentradas son expulsados ​​a través de boquillas cilíndricas, cuyos diámetros oscilan desde 0,1 hasta 250 m (Figura 2). Cabe destacar que, debido a las características viscoelásticas de tinta, escritura directa de montaje permite el auto-apoyo que abarca características (Figura 3). Hasta la fecha, una amplia gama de tintas, incluidos los compuestos de cerámica de 6,7, 8-10 orgánicos, metálicos 11-15, 16,17 poliméricos y materiales sol-gel 18,19 han sidodesarrollado para este método de impresión (Figura 4). 2. Preparación de las tintas de nanopartículas de plata de alta concentración Tintas de nanopartículas de plata se prepara disolviendo en primer lugar una mezcla de 5.000 y 50.000 de peso molecular (ácido acrílico) poli en una mezcla de 50 g de agua y 40 g de dietanolamina (Video 2.1). El polímero actúa como un agente de recubrimiento para controlar el tamaño de las nanopartículas de plata. A continuación, una solución acuosa de nitrato de plata se inyecta en la solución de polímero. Después de la adición, una luz de solución transparente amarillo se obtiene (Video 2.2). Después de agitar durante 24 horas a temperatura ambiente, la solución se desarrolla un color rojizo-marrón (Video 2.3), que coincide con la formación de nanopartículas de plata con un diámetro de 5 nm, según lo determinado por microscopía electrónica de transmisión. A continuación, la solución se somete a sonicación a 65 ° C en un baño de agua durante 2 horas para el crecimiento de partículas aún más (Video 2.4). After sonicación, la solución se transfiere a un vaso de 500 ml y se enfrió a temperatura ambiente. Entonces, 300 ml de etanol se valora a razón de 30 ml / min. Dado que el etanol es un mal disolvente para el poli (ácido acrílico) limitación de agente, las partículas rápidamente coagulan y precipitan de la solución (Video 2.5). Después de decantar el sobrenadante, el precipitado se recoge en un tubo de centrífuga y se centrifuga a 9000 rpm durante 20 minutos (Video 2.6). Después de este paso, una tinta de nanopartículas de plata de alta concentración con una carga de sólidos de ~ 85% en peso, se obtiene (Video 2.7). Un mayor control de viscosidad de la tinta y el módulo de elasticidad se puede lograr mediante la dilución, seguido por la homogeneización. Por ejemplo, una solución humectante, tales como el etilenglicol, se puede agregar a la tinta y luego homogeneizada a 2000 rpm durante 3 minutos usando un mezclador de homogeneización Thinky. Después de este proceso, una tinta uniforme de azul a color magenta se obtiene (Video 2.8). La imagen TEM muestrananopartículas de plata obtenidas por este procedimiento de síntesis (Figura 5_left). Las partículas tienen un diámetro medio de 20 nm con una distribución de tamaño de 50-50 nm. Estructuras impresas requieren post-recocido para mejorar su conductividad. Después del recocido a 250 ° C durante menos de 30 minutos, la forma de las nanopartículas de plata microelectrodos conductor con una resistencia eléctrica se acerca a 10 -5 Ω • cm (figura de la derecha 5_bottom). La evolución microestructural de los microelectrodos de plata impresas en función de la temperatura de recocido se muestra en la figura de la derecha 5_top. A medida que la temperatura aumenta de 150 ° a 550 ° C, los microelectrodos someterse a la densificación con una contracción volumétrica total de ~ 30% 11. La reología de tinta, que depende fuertemente de su carga de sólidos, determina su capacidad de impresión. El aumento de viscosidad de la tinta con la carga cada vez mayor de sólidos (Figura 6). Debido a diluir las tintas con resultado de baja viscosidad en una importante difusión lateral, Concentrtintas cuencia a un carga de sólidos de 70 a 85% en peso son necesarias para la impresión de los filamentos de tinta plana y de expansión. La tinta módulo de elasticidad se incrementa con el aumento de carga de sólidos (Figura 7). En la región viscoelástica lineal, el módulo elástico se eleva casi tres órdenes de magnitud que la carga de sólidos aumentos de 60 a 75% en peso. Un módulo elástico mínimo de 2.000 Pa es necesaria para producir la auto-apoyo o que abarca características. 3. Escritura directa de la Asamblea Escritura directa de montaje se lleva a cabo por primera carga de la tinta en una jeringa. Después de fijar una boquilla de deposición, la tinta cargada jeringa está montado en la fase de impresión de 3 ejes (Video 3.1). Mediante un programa informático, los diseños arbitrarios, incluso lineal, plana, y el complejo de estructuras tridimensionales se pueden generar fácilmente (Video 3.2). A continuación, la altura de la boquilla se ajusta con la ayuda de la lente del telescopio, con un zoom de 10x (Video 3.3). </li> Después de aplicar la presión con un aire de propulsión de líquido del sistema de distribución, la tinta se deposita sobre el sustrato con una velocidad de impresión controlada (Video 3.4). La presión requerida depende de la reología de tinta, diámetro de la boquilla y la velocidad de impresión, pero los valores típicos de rango 10 a 100 psi a 20-500 m / s. Esta impresión se realiza en el aire a temperatura ambiente. El uso de este procedimiento de impresión, la impresión de microelectrodos de plata en diferentes formatos y escalas de tamaño se demuestra. Por ejemplo, la impresión de las redes conductoras de plata con un espaciado entre líneas de centro a centro de 100 micras, modelado por una boquilla de 5 micras sobre un sustrato de oblea de silicio se demuestra (Video 3.5). Además, este video se muestra cómo crear una estructura de relación de aspecto cilíndrico de alta por una boquilla de 30 micras utilizando un método de impresión capa a capa (Video 3.6). Además, la impresión omnidireccional de microelectrodos de plata entre dos sustratos de cristal compensado por una altura de 1 mm de diferenc se demuestra mediante una boquilla de 30 micras (Video 3.7). Totalmente independiente, vertical impresa microspikes de plata puede ser creada por una boquilla de 30 micras sobre un sustrato de la oblea de Si (Video 3.8). Finalmente, este video muestra la escritura directa de un microelectrodo de plata que abarca el uso de una boquilla de 10 micras (Video 3.9). La función de impresión pueden abarcar distancias de hasta un centímetro con un mínimo de caída o el pandeo. 4. Los resultados representativos: Hemos preparado una tinta de plata de alta concentración de nanopartículas y demostró las características conductoras impresas con motivos planas y 3D para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas con una resolución de impresión de ~ 2 a 30 micras. Por ejemplo, la figura 8 muestra la resolución de impresión de esta técnica. Características impresas con un ancho mínimo de electrodos de ~ 2 m (1,4 m de espesor) se obtienen en un solo paso utilizando una boquilla de 1 m 11. Figura 9 muestras transparentes las redes conductoras de plata, modelado por una boquilla de 5 micras en una película de poliamida flexible de 12. Los textos impresos debajo de las rejillas son claramente visibles. Estas rejillas de plata transparente podría ser una alternativa atractiva para la realización de óxido transparente (TCO) de materiales. Impresión de conformación a una sustratos no planos también se ha habilitado con este método. La figura 10 muestra la impresión de conformación de una antena en 3D eléctricamente pequeñas. Una boquilla de 100 micras de metal se utiliza para imprimir los patrones de línea serpenteante en la superficie de un vaso hemisferio 13. Este enfoque puede encontrar varias aplicaciones, incluidas las antenas implantable y portátiles, dispositivos electrónicos y sensores. Aplicaciones de micro-electrodos de plata de expansión en tres dimensiones la energía fotovoltaica y los diodos emisores de luz se muestran (Figura 11-14). En primer lugar, la Figura 11 es un ejemplo de silicio cubierta esférica. Esta película tenue con una t de 2 micrashickness puede ser de alambre unido a un circuito externo mediante la impresión de omnidireccional 14. Este método utiliza la presión de contacto mínimo, lo cual es muy ventajoso para dispositivos delicados. A continuación, figura 12 muestra un ejemplo de la impresión de una interconexión de expansión de una serie de microcélulas solares de silicio en el que los elementos de silicio microribbon están separados por 33 m distancia 15. A continuación, figura 13 muestra las interconexiones de plata para el arseniuro de galio con sede matriz de LED de 4 por 4 píxeles, donde cada píxel (500 x 500 x 2,5 m 3) está separada 200 micras aparte 11. La imagen inferior muestra la matriz de LED, que emiten luz de color rojo uniforme bajo una polarización aplicada de 6 V de un solo píxel. La posibilidad de imprimir los electrodos que abarca permite la interconexión de múltiples capas sin el uso de capas de soporte o de sacrificios (imágenes superiores). Como una demostración final, figura 14 muestra las imágenes SEM para el complejo de micro 3Dred roperiodic plata impreso por una boquilla de 5μm. Figura 1. Óptico de la imagen de los aparatos de la escritura directa de tinta. Figura 2. Escritura de tinta directa de una característica de filamento. Figura 3. Escritura de tinta directa de auto-apoyo a las características de expansión. Figura 4. Diseños de tinta para la escritura de tinta directa. Una amplia gama de tintas viscoelástico concentrados se han desarrollado para la escritura directa de las estructuras 3D de planos y complejos con las características de la microescala. Figura 5. (Izquierda) microscopía electrónica de transmisión (TEM) la imagen de nanopartículas de plata. (Arriba a la derecha) SEM imágenes de microelectrodos patrón de plata con una boquilla de 15 micras en función de la temperatura de recocido. (Abajo a la derecha) la resistividad eléctrica de microelectrodos de plata en función de la temperatura de recocido y el tiempo. Figura 6. Viscosidad aparente (η) de las tintas de nanopartículas de plata en función de la carga de sólidos. Figura 7. Shear módulo elástico (G ') en función del esfuerzo de corte para las tintas de nanopartículas de plata de diferentes carga de sólidos. Figura 8. SEM imágenes de matrices planas de microelectrodos de plata con dibujosen una oblea de silicio con una boquilla de 1-m. Figura 9. Óptico de la imagen de las redes de plata conductora transparente (izquierda) y las imágenes SEM de las redes de impresión en función de la densidad de líneas (derecha). Figura 10. Óptico de la imagen capturada durante la impresión de conformación de las antenas eléctricamente pequeñas sobre un sustrato de vidrio hemisférico. Figura 11. Óptico de la imagen obtenida durante la impresión de que abarca microelectrodos de plata sobre una delgada (2-m) cáscara de silicio esférico. Figura 12. Imagen de SEM de un microelectrodo de plata que abarca impresa en una de silicio paralar microcelular matriz. Figura 13. SEM imágenes (arriba) y óptica de la imagen (abajo) de un 4-por-4 matriz de chips LED conectados entre sí por microelectrodos de plata. Figura 14. Imagen SEM de la red 3D de plata microperiodic.