Využití technologie inkoustového tisku pro přípravu mikro a nanostruktur I.

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Využití technologie inkoustového tisku pro přípravu mikro a nanostruktur I."

Hynek Toman
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Ústav fyziky a měřicí techniky Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Využití technologie inkoustového tisku pro přípravu mikro a nanostruktur I. Princip funkce, rozdělení a potenciál pro výzkum

2 Obsah přednášky Princip inkoustového tisku Historie technologie Rozdělení inkoustového tisku Kontinuální inkoustový tisk Termální tisk DOD Piezoelektrický tisk DOD Využití technologie ve výzkumu a vývoji Superfine InkJet 2

inkoustový tisk Termální tisk DOD Piezoelektrický tisk

3 Princip inkoustového tisku (InkJet) Tisková barva je kontinuálně dodávána do tiskové hlavy, odkud je vystřelována ve formě mikroskopických kapiček na potiskované médium, kde inkoust zasychá a vytváří tisknutou strukturu 3

vystřelována ve formě mikroskopických kapiček na

4 Historie 19. stol vytvořen koncept technologie 1867 patentována lordem Kelvinem Lord Rayleigh uveřejnil práci s názvem On the instability of jets. Popisuje v ní způsob dělení proudu kapaliny do kapek Siemens patentuje první tiskovou hlavu, která tiskla pomocí proudu inkoustu rozděleného do jednotlivých kapiček. 70. léta 20. stol. systémy s řízenou generací inkoustových kapek tzv. drop-on-demand systémy 80. léta masové rozšíření inkoustové technologie do kanceláří, domácností a do oblasti fotografické reprodukce. 4

of jets. Popisuje v ní způsob dělení proudu kapaliny do kapek.

5 Rozdělení inkoustového tisku 5

6 Kontinuální inkoustový tisk I. nejstarší metoda (50. léta 20. stol.), vychází ze zapisovačů fungujících na principu galvanometru Mingograph (místo ručičky je zde tryska) inkoustová tryska je vychylována v magnetickém poli, velikost výchylky je úměrná napětí přivedenému na elektromagnety zapisovač byl schopen sledovat signál o frekvenci v řádu khz nemohl však tisknout text a obrázky 6

inkoustová tryska je vychylována v magnetickém poli, velikost výchylky je úměrná napětí přivedenému na

7 Kontinuální inkoustový tisk II. pro tisk složitějších struktur (text, obrázky) bylo nutné vyřešit tvorbu kapek uniformní velikosti z proudu inkoustu teoretický základ v Plateau-Rayleighově nestabilitě proud inkoustu z trysky je rozmítán pomocí piezoelektrického krystalu (lze vytvořit až kapek za sekundu) proud kapek je dále nabíjen a vychylován elektrostatickým polem pomocí vychylovací elektrody, vychýlený paprsek dopadá na tiskový substrát (papír, sklo, kovy, plasty atd.) řízením velikosti elektrostatického pole na vychylovací elektrodě lze řídit výchylku proudu kapek a tím docílit tisku textu či obrázků nevychýlený proud kapek dopadá do sběrného zařízení a přes filtr se vrací zpět do zásobníku výrazná úspora inkoustu 7

z trysky je rozmítán pomocí piezoelektrického krystalu (lze vytvořit až 165 000 kapek za sekundu) proud kapek je dále nabíjen a vychylován elektrostatickým polem pomocí vychylovací

8 Kontinuální inkoustový tisk III. 8

9 Kontinuální inkoustový tisk IV. dnes používaná pro potisk výrobků (čárové kódy, data exspirace atd.) existují různé typy inkoustů včetně barev, olejů, pryskyřic a lepidel výhodná metoda pro tisk na nerovné povrchy (dno lahví, hrubé povrchy apod.) nevýhodou jsou velké rozměry zařízení, vysoké pořizovací náklady, neustálá nutnost čištění recyklovaného inkoustu při málo rozsáhlém tisku nejsou vhodné pro domácí použití či kanceláře 9

10 Termální inkoustový tisk I. levná metoda pro tisk inkoustem, vytvářející kapky na vyžádání - Drop-on-Demand (DOD) základem jsou trysky ve formě komůrek vybavených odporovým topením ohřevem inkoustu v komoře vzniká pára, která zde zvyšuje tlak, následkem toho je z komory vypuzován proud kapek inkoustu princip vynalezen v roce 1977 (Canon) 10

základem jsou trysky ve formě komůrek vybavených odporovým topením ohřevem inkoustu v

11 Termální inkoustový tisk II. 11

12 Termální inkoustový tisk III. inkousty jsou založeny na vodní bázi obarvené barvivy či pigmenty výhodou je velmi levná výroba trysek pomocí fotolitografie (piezoelektrické trysky či hlavice na kontinuální inkoustový tisk jsou složené z mnoha dílů), nevýhodou je pak menší výdrž (jsou proto součástí zásobníku, který se po vyčerpání inkoustu likviduje) technologie používaná v současných domácích a kancelářských tiskárnách v současné době využíváno firmami HP, Canon či Lexmark 12

fotolitografie (piezoelektrické trysky či hlavice na kontinuální inkoustový tisk jsou složené z mnoha dílů), nevýhodou

13 Piezoelektrický inkoustový tisk I. tisk využívá komor, které místo topného tělíska obsahují piezoelektrické elementy schopné vložením napětí měnit objem komory a tedy tlak působící na inkoust (fungují jako miniaturní pumpička), proud kapek je z komory vystřelován působením tlaku trysky jsou dražší, je nutné používat piezoelektrický materiál např. Pb[Zr x Ti 1 x ]O 3 (PZT) výhodou je možnost využití širšího spektra inkoustů (není v nich nutné používat těkavé rozpouštědlo) 13

komory a tedy tlak působící na inkoust (fungují jako miniaturní pumpička), proud kapek je z komory vystřelován

14 Piezoelektrický inkoustový tisk II. Schematický průřez piezoelektrickou tiskovou hlavou společnosti Aprion obrácený piezoelektrický jev 14

15 Piezoelektrický inkoustový tisk III. velmi malé konzistentní tiskové body (objem kapky cca. 3-5 pl) trysky mají větší trvanlivost a jejich výroba je nákladnější pevná součást tiskárny z hlediska využití technologie InkJet ve výzkumu mikro a nanostruktur má tento typ největší potenciál materiál není tepelně namáhán (nanášení je mechanické), nanášet lze široké spektrum materiálů 15

hlediska využití technologie InkJet ve výzkumu mikro a nanostruktur má tento typ největší

16 Výhody technologie inkoustového tisku levná, ekologická metoda pro výrobu mikrostruktur bezkontaktní depoziční technologie schopná deponovat kovové a polymerní inkousty, biologické proteiny i buňky mnoho experimentů je založeno na využití klasických domácích inkoustových tiskáren nevyžaduje čisté prostory (clean rooms) určena pro tisk 2D struktur, skládáním vrstev materiálu však lze získat i 3D struktury 16

experimentů je založeno na využití klasických domácích inkoustových tiskáren nevyžaduje čisté prostory

17 Nevýhody technologie inkoustového tisku standardní technologie má nižší rozlišení než jiné technologie (5 µm), fotolitografie (~ nanometry) před vytisknutím materiálu je nutné prozkoumat jeho vhodnost použití jako inkoustu (může to být velmi složité) nedosažení hodnot jakéhokoliv z parametrů kladených na inkoust (viz dále) může vést k ucpávání trysek coffe-ring effect rozpíjení inkoustu 17

jeho vhodnost použití jako inkoustu (může to být velmi složité) nedosažení hodnot jakéhokoliv z

18 Využití elektronické značky zavazadel, plynové senzory, senzory na bázi uhlíkových nanovláken, mikrosenzory, RFID čipy, mikročočky, OLED, rychlé tenkovrstvé tranzistory na pružných substrátech, tranzistory na bázi tenkých polymerních vrstev, polymerní elektronické struktury, tkáňové inženýrství, biosenzory, biočipy 18

tenkovrstvé tranzistory na pružných substrátech, tranzistory na bázi tenkých

19 Využití v základním výzkumu I. pro výzkum a vývoj mikro a nanostruktur má největší význam zejména piezoelektrický inkoustový tisk protože je méně vázán na materiál inkoustu levná a přesná metoda, výsledky pomocí ní dosažené mají velký potenciál pro masovou produkci většího uplatnění již nabyla při výrobě buněk solárních panelů v současné době se zkoumá tvorba tenkých vrstev, tištěných drátů a elektrosoučástek včetně transistoru snaha nahradit fotolitografický proces, vhodné pro přípravu senzorů alternativní využití při tisku živých buněk na poškozené tkáně (Armed Forces Institute of Regenerative Medicine s Wake Forest lab). 19

metoda, výsledky pomocí ní dosažené mají velký potenciál pro masovou produkci většího uplatnění již nabyla při výrobě buněk solárních panelů v současné době

20 Inkoustový tisk vs. fotolitografie 20

21 Využití v základním výzkumu II. nanášení kapalin (např. lubrikantů, leptacích kapalin), na miniaturní zařízení (ložiska, spoje) tisk nanočástic (Ag, Au, ITO, TiO 2, atd.) a vodivých adheziv výzkum a vývoj senzorů a diagnostických čipů (elektronické nosy) nanášení vosků a tavenin výzkum polymerů výzkum v oblasti leteckého inženýrství usazování mikročoček a optických vláken meteorologický výzkum (kalibrace velikosti částic) tisk DNA, proteinů, enzymů a buněk 21

22 Fyzikální vlastnosti inkoustu I. Fyzikální charakteristika Viskozita Povrchové napětí Hustota Rychlost odpařování Význam Definuje formu a objem kapky. Nízká viskozita je příčinou tvorby přidružených kapek; vysoká zase může být příčinou ucpávání trysek. Určuje rychlost odtrhávání kapky; pokud je povrchové napětí vysoké je nutný delší puls k odtržení kapky. Vysoké povrchové napětí rovněž vede k ucpávání trysky. Pro odtržení kapky inkoustu s vyšší hustotou je nutný delší puls. Určuje vypařování rozpouštědla z inkoustu 22

23 Fyzikální vlastnosti inkoustu II. Fyzikální charakteristika Velikost částic Pevný obsah Rozpouštědlo Doba použitelnosti Význam Vyšší velikost polymerů nebo nanočástic zvyšuje nebezpečí aglomerace a tím i možnost ucpání trysky. Určuje vodivost nebo dielektrické vlastnosti filmu a také velikost vzniklého filmu. V případě špatné filtrace inkoustu hrozí opět ucpání trysek. Kapalina vytvářející nosič pevných částic, nejčastěji deionizovaná voda, ethanol, or ethylen glykol. Doba, po kterou si inkoust uchovává své vlastnosti. 23

24 Typy substrátů pro tisk sklo, ITO polyester, polykarbonáty and polyimidy, optická vlákna zpevněný epoxid, epoxid zpevněný uhlíkovými vlákny, teflon křemík, oxid hlinitý, hliník a další kovy specializovaný i obyčejný papír 24

25 Materiály vhodné pro tisk Kapaliny a suspenze stříbrný inkoust, izotropická vodivá adheziva (ICA), pájecí kapaliny, ITO, TiO 2, latexové suspenze, kapalné krystaly, kvantové tečky CdTe, oleje, lubrikanty, vosky, rtuť, galium, brom atd. Další roztoky organické a anorganické soli rozpustné v rozpouštědlech, roztoky stříbrných solí, roztoky proteinů, roztoky DNA, živé buňky Rozpuštěné polymery PPE-PPV, PPV, PEDOT, polystyren, PMMA, PEG, disperze akrylátů, polysacharidy 25

26 Typy rozpouštědel acetofenon, anisol, benzylalkohol, butylacetát, cyklohexanol, diethylene glykol, 1,4-dioxan, DMA, DMF, DMSO, n-dodecan, ethylbenzen, ethylen glykol, hexylbenzen, hexyliodid, methyl-benzoát, N-methyl-pyrrolidon, 1-octanol 1,3-propandiol propylen carbonát toluen voda p-xylen 26

27 Použitá literatura ml 27

Podobné dokumenty

Využití technologie Ink-jet printing pro přípravu mikro a nanostruktur II.

Ústav fyziky a měřicí techniky Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Využití technologie Ink-jet printing pro přípravu mikro a nanostruktur II. Výrobci, specializované technologie a aplikace Obsah