전기수력학 (Electrohydrodynamic, EHD) 프린팅 기술은 전기장을 이용하여 일반 프린팅 기술보다 더 작은 크기의 액적을 분사하고 패터닝할 수 있는 장점을 갖고 있다. EHD 프린팅은 일반적으로 인쇄 노즐이나 기판을 X-Y 방향으로 움직여 패턴을 제작하는 방식으로 사용되어 왔으나 본 연구에서는 다중전극 어레이 (Multielectrode array, MEA)를 이용하여 원하는 기판위에 2차원의 패터닝이 가능함을 연구하였다. 특히, 약물전달장치 등의 바이오메디칼 디바이스로의 응용이 가능한 생분해성 고분자와 염료를 혼합한 잉크의 EHD 프린팅을 시도하였으며 노즐이나 기판의 움직임 없이 안정적으로 분사할 수 있는 2차원 범위에 대한 연구를 통해 최소 약 $6{\mu}m$ 크기를 갖는 패턴을 노즐 위치로부터 수평방향으로 약 1 mm 범위까지 안정적 패터닝이 가능함을 확인하였다. 또한, MEA 전극 간의 거리에 의한 패턴 조밀도의 한계를 극복하기 위해 MEA와 인쇄가 이루어지는 기판과의 상대적 이동을 통해 더 조밀한 패터닝이 가능함을 보여주었다.
In recent years, inkjet printing technology has received significant attention as a micro/nanofabrication technique for flexible printing of electronic circuits and solar cells, as well for biomaterial patterning. It eliminates the need for physical masks, causes fewer environment problems, lowers fabrication costs, and offers good layer-to-layer registration. To fulfill the requirements for use in the above applications, however, the inkjet system must meet certain criteria such as high frequency jetting, uniform droplet size, high density nozzle array, etc. Existing inkjet devices are either based on thermal bubbles or piezoelectric pumping; they have several drawbacks for flexible printing. For instance, thermal bubble jetting has limitations in terms of size and density of the nozzle array as well as the ejection frequency. Piezoelectric based devices suffer from poor pumping energy in addition to inadequate ejection frequency. Recently, an electrohydrodynamic (EHD) printing technique has been suggested and proposed as an alternative to thermal bubble or piezoelectric devices. In EHD jetting, a liquid (ink) is pumped through a nozzle and a strong electric field is applied between the nozzle and an extractor plate, which induce charges at the surfaces of the liquid meniscus. This electric field creates an electric stress that stretches the meniscus in the direction of the electric field. Once the electric field force is larger than the surface tension force, a liquid droplet is formed. An EHD inkjet head can produce droplets smaller than the size of the nozzle that produce them. Furthermore, the EHD nano-inkjet can eject high viscosity liquid through the nozzle forming tiny structures. These unique features distinguish EHD printing from conventional methods for sub-micron resolution printing. In this presentation, I will introduce the recent research results regarding the EHD nano-inkjet and the printing system, which has been applied to solar cell or thin film transistor applications.
잉크젯 기술은 가정용 프린터에서부터 제조 도구로 확대 되었다. 최근 인쇄전자 분야에서 고해상도 인쇄가 요구되고 있다. 기존의 잉크젯 인쇄 패터닝 방식을 향상 시키기 위해 전기수력학잉크젯 기술이 최근 주목을 받고 있는데 노즐 직경보다 작은 방울을 토출할 수 있고 넓은 점도 범위와 재료를 사용할 수 있기 때문이다. 본 논문에서는 미세 패터닝을 위한 EHD 프린팅 시스템이다. 요구 적출형 프린팅에 의해 다양한 패턴을 인쇄하고 벡터와 레스터 프린팅 알고리즘을 개발하였다. 내경이 $8{\mu}m$ 인 노즐을 이용하여 $7{\mu}m$ 이하의 미세 전도성 선폭을 EHD 방식을 통해 만들 수 있다.
Ni ink for electrohydrodynamic (EHD) continuous jet printing has been developed by using Ni nanoparticles mixed with conhesiveness provider. EHD continuous jet printing was used in order to realize $20{\mu}m$ pattern width. Ink stability was investigated by using Turbi-scan which monitors agglomeration and precipitation of nanoparticles in the ink for three days. The Turbi-scan results showed that the formulated Ni ink had been stable for 3 days without any indication of precipitation across the entire ink. Antireflection coating (ARC) layer in crystalline solar cell wafers was removed by laser ablation technique leading to the formation of 84 grooves where the Ni ink was printed by EHD continuous jet printing. The printability and microstructure of EHD-jet-printed Ni lines were investigated by using optical and electron microscopes. 84 Ni lines with the width less than $20{\mu}m$ were successfully printed by one-time printing without any misalignment and fill the laser-ablated ARC grooves.
Electrohydrodynamic (EHD) printing has gained significant interest after a direct writing with a resolution of a few tens nanometer was demonstrated using EHD. Basically, EHD use the electric field to generate droplet which is much smaller than nozzle diameter, so that high resolution printing is possible and the clogging problem can be alleviated as well. However, to adapt this technology to the real application, the fundamental studies are necessary to stabilize EHD jetting, to maximize jetting frequency, and to optimize the design of multi EHD nozzle, etc. In this study, by imaging EHD jetting using high speed camera and measuring the current, the effect of electric field intensity and back pressure on jetting frequency and jetting diameter were studied.
본 논문에서는 장치의 유연성과 소형화를 위해 EHD 잉크젯 프린팅 기술을 이용하여 은 나노 잉크의 굽힘 특성을 확인하였다. EHD 기술을 위한 최적조건을 도출하였고 은 나노 회로의 굽힘 특성을 파악하였다. EHD 프린팅을 위해서는 재료 특성, 밀도, 유량, 전압, 토출 높이 등 각 파라미터 별 최적점을 찾아내는 것이 필수적이므로 작동 높이와 인가 전압에 따른 각각의 최적점을 도출하였다. 또한, 제작한 굽힘 장치를 통해 각 곡률 반경 별 저항을 측정하여 굽힘 특성을 알아보았고, 곡률이 증가함에 따라, 저항변화율이 급격히 증가하는 것을 확인하였다.
The method for spraying of liquid through an electrical filed has become a printing method since it can make very small droplet. To increase the reliability using the electro-hydrodynamic (EHD) jet printing, the jetting status needs to be monitored. Vision measurement techniques using high speed camera has been used to visualize the jet images. However, it requires image processing of a lot of images after image acquisitions. So, it is difficult to understand jet behavior such as jetting frequency, jet repeatability etc. In this work, a low cost electrical current measurement method was developed to measure electrical current from EHD jet printing. To verify the jetting monitoring capability of developed circuit, images from high speed camera were processed for comparison purpose.
The method for spraying of liquids through an electrical field has become a printing method since it can make very small droplet. For electro-hydrodynamic jet printing to become a reliable jetting tool, the jetting performance should be characterized with respect to various jetting conditions. To optimize jetting conditions, the jetting behavior should be measured. In this study, we present a visualization techniques to measure jetting behavior from electro-hydrodynamic (EHD) inkjet head. Unlike most previous method, we use the CCD camera to measure the jetting behavior. For this purpose, LED light is synchronized with jetting signal and sequential image was obtained by adjusting the delay time of the LED light. Finally, merits and demerits of using CCD camera were discussed to measure jetting image from EHD inkjet head.
The specific role of current collectors was investigated at the electrolyte/electrode interface of solid oxide fuel cells (SOFCs). Ag grids were fabricated as current collectors using electrohydrodynamic (EHD) jet printing for precise control of the grid geometry. The Ag grids reduced both the ohmic and polarization resistances as the pitch of the Ag grids decreased from $400{\mu}m$ to $100{\mu}m$. The effective electron distribution along the Ag grids improved the charge transport and transfer at the interface, extending the active reaction sites. Our results demonstrate the applicability of EHD jet printing to the fabrication of efficient current collectors for performance enhancement of SOFCs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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