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
Obsah přednášky y Princip inkoustového tisku y Historie technologie y Rozdělení inkoustového tisku y Kontinuální inkoustový tisk y Termální tisk DOD y Piezoelektrický tisk DOD y Využití technologie ve výzkumu a vývoji y Superfine InkJet
2
Ink-Jet Printing I.
Princip inkoustového tisku (InkJet) y 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
Ink-Jet Printing I.
Historie 19. stol – vytvořen koncept technologie 1867 – patentována lordem Kelvinem 1878 - Lord Rayleigh uveřejnil práci s názvem „On the instability of jets“. Popisuje v ní způsob dělení proudu kapaliny do kapek. 1951 - 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
Ink-Jet Printing I.
Rozdělení inkoustového tisku
5
Ink-Jet Printing I.
Kontinuální inkoustový tisk I. y nejstarší metoda (50. léta 20. stol.), y vychází ze zapisovačů fungujících na
principu galvanometru – Mingograph (místo ručičky je zde tryska) y inkoustová tryska je vychylována v magnetickém poli, velikost výchylky je úměrná napětí přivedenému na elektromagnety y zapisovač byl schopen sledovat signál o frekvenci v řádu kHz y nemohl však tisknout text a obrázky
6
Ink-Jet Printing I.
http://iaf.hs-heilbronn.de/ http://www.ferret.com.au
Kontinuální inkoustový tisk II. y pro tisk složitějších struktur (text, obrázky) bylo nutné vyřešit tvorbu kapek y y y
y y
7
uniformní velikosti z proudu inkoustu teoretický základ v Plateau-Rayleighově nestabilitě proud inkoustu 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 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
Ink-Jet Printing I.
Kontinuální inkoustový tisk III.
8
Ink-Jet Printing I.
Kontinuální inkoustový tisk IV.
y dnes používaná pro potisk výrobků (čárové kódy, data exspirace atd.) y existují různé typy inkoustů včetně barev, olejů, pryskyřic a lepidel y výhodná metoda pro tisk na nerovné povrchy (dno lahví, hrubé povrchy apod.) y 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
Ink-Jet Printing I.
Termální inkoustový tisk I. y levná metoda pro tisk inkoustem, vytvářející kapky na
vyžádání - Drop-on-Demand (DOD) y základem jsou trysky ve formě komůrek vybavených odporovým topením y ohřevem inkoustu v komoře vzniká pára, která zde zvyšuje tlak, následkem toho je z komory vypuzován proud kapek inkoustu y princip vynalezen v roce 1977 (Canon)
10
Ink-Jet Printing I.
Termální inkoustový tisk II.
11
Ink-Jet Printing I.
Termální inkoustový tisk III. inkousty jsou založeny na vodní bázi obarvené barvivy či pigmenty y 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) y technologie používaná v současných domácích a kancelářských tiskárnách y v současné době využíváno firmami HP, Canon či Lexmark y
12
Ink-Jet Printing I.
Piezoelektrický inkoustový tisk I. y 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 y trysky jsou dražší, je nutné používat piezoelektrický materiál např. Pb[ZrxTi1−x]O3 (PZT) y výhodou je možnost využití širšího spektra inkoustů (není v nich nutné používat těkavé rozpouštědlo)
13
Ink-Jet Printing I.
Piezoelektrický inkoustový tisk II.
Schematický průřez piezoelektrickou tiskovou hlavou společnosti Aprion
y obrácený piezoelektrický jev
14
Ink-Jet Printing I.
Piezoelektrický inkoustový tisk III. y velmi malé konzistentní tiskové body (objem kapky cca. 3-5
pl) y trysky mají větší trvanlivost a jejich výroba je nákladnější – pevná součást tiskárny y 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
Ink-Jet Printing I.
Výhody technologie inkoustového tisku y levná, ekologická metoda pro výrobu mikrostruktur y bezkontaktní depoziční technologie schopná deponovat
kovové a polymerní inkousty, biologické proteiny i buňky y mnoho experimentů je založeno na využití klasických domácích inkoustových tiskáren y nevyžaduje čisté prostory (clean rooms) y určena pro tisk 2D struktur, skládáním vrstev materiálu však lze získat i 3D struktury
16
Ink-Jet Printing I.
Nevýhody technologie inkoustového tisku y standardní technologie má nižší rozlišení než jiné technologie
(5 µm), fotolitografie (~ nanometry) y před vytisknutím materiálu je nutné prozkoumat jeho vhodnost použití jako inkoustu (může to být velmi složité) y nedosažení hodnot jakéhokoliv z parametrů kladených na inkoust (viz dále) může vést k ucpávání trysek y „coffe-ring effect“ – rozpíjení inkoustu
17
Ink-Jet Printing I.
Využití y elektronické značky zavazadel, y plynové senzory, senzory na bázi uhlíkových nanovláken, y y y y y y
18
mikrosenzory, RFID čipy, mikročočky, OLED, rychlé tenkovrstvé tranzistory na pružných substrátech, tranzistory na bázi tenkých polymerních vrstev, polymerní elektronické struktury, tkáňové inženýrství, biosenzory, biočipy
Ink-Jet Printing I.
Využití v základním výzkumu I. y pro výzkum a vývoj mikro a nanostruktur má největší význam zejména y y y
y
19
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).
Ink-Jet Printing I.
Inkoustový tisk vs. fotolitografie
20
Ink-Jet Printing I.
Využití v základním výzkumu II. y y y y y y y y y
21
nanášení kapalin (např. lubrikantů, leptacích kapalin), na miniaturní zařízení (ložiska, spoje) tisk nanočástic (Ag, Au, ITO, TiO2, 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
Ink-Jet Printing I.
Fyzikální vlastnosti inkoustu I.
22
Fyzikální charakteristika
Význam
Viskozita
Definuje formu a objem kapky. Nízká viskozita je příčinou tvorby přidružených kapek; vysoká zase může být příčinou ucpávání trysek.
Povrchové napětí
Určuje rychlost odtrhávání kapky; pokud je povrchové napětí vysoké je nutný delší puls k odtržení kapky. Vysoké povrchové napětí rovněž vede k ucpávání trysky.
Hustota
Pro odtržení kapky inkoustu s vyšší hustotou je nutný delší puls.
Rychlost odpařování
Určuje vypařování rozpouštědla z inkoustu
Ink-Jet Printing I.
Fyzikální vlastnosti inkoustu II.
23
Fyzikální charakteristika
Význam
Velikost částic
Vyšší velikost polymerů nebo nanočástic zvyšuje nebezpečí aglomerace a tím i možnost ucpání trysky.
Pevný obsah
Určuje vodivost nebo dielektrické vlastnosti filmu a také velikost vzniklého filmu. V případě špatné filtrace inkoustu hrozí opět ucpání trysek.
Rozpouštědlo
Kapalina vytvářející nosič pevných částic, nejčastěji deionizovaná voda, ethanol, or ethylen glykol.
Doba použitelnosti
Doba, po kterou si inkoust uchovává své vlastnosti.
Ink-Jet Printing I.
Typy substrátů pro tisk y sklo, ITO y polyester, polykarbonáty and polyimidy, optická vlákna y zpevněný epoxid, epoxid zpevněný uhlíkovými vlákny,
teflon y křemík, oxid hlinitý, hliník a další kovy y specializovaný i obyčejný papír
24
Ink-Jet Printing I.
Materiály vhodné pro tisk y Kapaliny a suspenze
stříbrný inkoust, izotropická vodivá adheziva (ICA), pájecí kapaliny, ITO, TiO2, latexové suspenze, kapalné krystaly, kvantové tečky CdTe, oleje, lubrikanty, vosky, rtuť, galium, brom atd.
y Další roztoky
organické a anorganické soli rozpustné v rozpouštědlech, roztoky stříbrných solí, roztoky proteinů, roztoky DNA, živé buňky
y Rozpuštěné polymery
PPE-PPV, PPV, PEDOT, polystyren, PMMA, PEG, disperze akrylátů, polysacharidy
25
Ink-Jet Printing I.
Typy rozpouštědel y y y y y y y y y y y y
26
acetofenon, anisol, benzylalkohol, butylacetát, cyklohexanol, diethylene glykol, 1,4-dioxan, DMA, DMF, DMSO, n-dodecan, ethylbenzen,
Ink-Jet Printing I.
• ethylen glykol, • hexylbenzen, • hexyliodid, • methyl-benzoát, • N-methyl-pyrrolidon, • 1-octanol • 1,3-propandiol • propylen carbonát • toluen • voda • p-xylen
Použitá literatura y http://iaf.hs-heilbronn.de/wiki/Tintendrucktechnologie y http://www.yourdictionary.com/computer/inkjet-printer y http://www.xennia.com/knowledgecentre/page.asp?ItemID=42 y http://www.microdrop.de y http://www.grafika.cz/art/tiskarny/inkjet.html y http://www.paladix.cz/serial/10074.html y http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/11/palm-sized-
superfine-inkjet-prints.html y http://www.aist.go.jp/aist_e/aist_today/2009_32/hot_line/hot_line_22.ht ml
27
Ink-Jet Printing I.
