不同納米復合材料油墨的電流體動力學（EHD）打印技術的介紹
高科技設備的快速發展需要使用高分辨率和低成本的制造技術，如絲網印刷、轉印、噴墨印刷和EHD噴墨打印等印刷技術，特別是EHD噴墨打印技術，由高壓電場驅動的非接觸式打印，具有高分辨率、卓越的精度、材料兼容性和成本效益。它可以使用由量子點、納米線、石墨烯、聚合物和金屬納米顆粒等材料制成的功能墨水，即使在高粘度情況下也能直接在平面或曲面上打印詳細的圖案。RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統 RD-EHDJET® 可實現點徑≥1μm，線寬≥0.5μm的圖形和結構。EHD噴墨打印技術涉及使用由各種功能材料制成的基于溶液的油墨來打印各種結構，材料的物理和化學特性對功能性油墨在基材上的打印質量和打印效果都有重大影響。因此，本文從用于EHD噴墨打印的納米復合材料入手，對EHD打印進行全面了解。
正文
EHD噴墨打印技術是通過在噴嘴尖端和基材之間使用電場力，使墨水產生泰勒錐來實現的，當泰勒錐內的庫侖力超過功能性油墨的表面張力時，通過EHD在基材上打印高分辨率的連續噴射線或液滴如圖1所示1a和b，使所得圖案的分辨率高于1μm，這種方法能夠生產出復雜的納米/微米尺寸設計，詳細原理可見睿度往期文章《Technology | 關于電流體動力學（EHD）噴墨打印的介紹》。
▲ 圖1 EHD噴射打印的示意圖和物理特性：（a）和（b）錐體射流模式和微滴落模式[2]；（c）作用在毛細管尖端上形成泰勒錐的力[3]
絕緣材料
絕緣材料的EHD噴墨打印受限于難以實現均勻圖案和光滑表面。然而，Tang[4]等研究人員嘗試了EHD打印絕緣材料，然后用來搭建電子器件，如柵極和薄膜晶體管（TFT）應用。當EHD將絕緣層完全打印覆蓋在底部柵極（BGL）后，繼續將頂部電極沉積在柵極絕緣層（GI）上，這個過程導致電容器的形成，如圖2a和b。與傳統的點膠工藝相比，即使長時間復雜打印，EHD也能打印出更精密的圖案[2]。
半導體材料
EHD噴墨能夠使有機和無機半導體應用于復雜和集成的高分辨率設備，如TFT應用的高分辨率錫酸鋅（ZTO）半導體的圖案化[9]，EHD打印的位置準確性和響應即時性優于旋涂和轉印。在另一項研究中，如圖2（d），EHD噴射打印應用于打印氧化銦（在In2O3）結構來制備具有良好電氣特性的器件穩定性提高的 TFT，在塑料基板上成功制造了TFT，作為高k電介質時，其表現出～230 cm2/V.s 的出色遷移率。
導電材料
除了常規可用于EHD打印的具有導電性能的各種金屬材料，如鎳、金、銅、銀和鈀之外，石墨烯、碳納米管和炭黑等碳基材料已被探索為打印工藝的潛在選擇。此外，聚丙烯酸（PAA）、聚己內酯（PCL）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）等導電聚合物也成為科學家們研究的重點。Thuy等人主要研究了EHD打印的銅（Cu）電極圖案，該圖案具有40μm的高分辨率，用于TFT應用，如圖2（e）。在另一項研究中，通過使用銀（Ag）電極的EHD噴射打印，制造了具有5μm高分辨率的接觸式有機薄膜晶體管（OTFT）。OTFT能夠產生高電流輸出，因為印刷過程具有極強的可重復性，并且單個設備之間存在微小差異。所得的OTFT表現出有效的電荷傳輸，并促進了邏輯電路的發展。PSS電極用于在OTFT中產生卓越的電氣特性，如圖2（f）。
▲ 圖2 不同材料的EHD打印：（a）和（b）EHD打印絕緣材料示意圖和光學顯微圖像[5]；（c）EHD打印半導體錫酸鋅圖案打印的ZTO顯微圖像[6]；（d）EHD打印的半導體材料PMMA溶液液滴[7]；（e）EHD在不同載物臺以1000至8000μm/s的速度打印導電材料銅漿的顯微圖像[4]；（f）使用導電材料聚苯乙烯磺酸鹽在襯底（Si/SiO2）上制備具有各種功函數（WFs）的互補非門電極的制造工藝示意圖[8]
生物材料
傳統的打印應用于許多生物領域，但在打印生物材料時，分辨率很差。因此，通過EHD噴墨打印技術嘗試各種生物材料（包括水凝膠、蛋白質和DNA）的高分辨率圖案，增加單位區域內的點密度來提高打印生物材料的分辨率[10]。研究人員應用EHD打印在DNA微陣列表面創建具有納升級液滴的DNA探針[11]，打印了各種復雜的單鏈和雙鏈DNA構型，以開發基于適配體的生物傳感器，能夠促進通過熒光分析檢測腺苷分子。Kim等人還研究了EHD噴射打印技術，該技術可在不影響細胞結構和功能的情況下將活細胞懸液沉積在表面上，保持細胞的完整性和功能[12]。EHD直接打印可以創建細胞粘附生物材料（如膠原蛋白）的3D結構，以及活細菌。文獻中還報道了將活細胞與不同的生物材料，如水凝膠、聚氨酯和聚（甲基倍半硅氧烷）聚合物以及聚二乙炔包埋的聚苯乙烯納米纖維共同打印。
結語
本文介紹了各種功能性納米復合材料作為EHD油墨在微納領域的前瞻性利用，EHD技術允許不同種類、應用的納米復合材料從到納米到微米尺度上生產復雜圖案，從而制造出具有高精度、廣覆蓋范圍的MEMs器件，預計EHD技術在多個方面取得的進步將加速未來微納印刷設備的商業化進展。
相關設備型號
RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統 RD-EHDJET®
RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統 RD-EHDJET®，是一套基于電流體動力學（electrohydrodynamic, EHD）原理的高精度納米材料沉積噴墨打印系統。現有桌面式（RD-EHD100）、立式（RD-EHD200）和量產型（RD-EHD300）打印系統可供選擇。
與傳統的噴墨打印技術相比，EHD電流體噴墨打印技術可以完成再高精度、再精細圖案的噴印，突破了現有噴印技術在高分辨率打印方面的局限，還可適應更大粘度范圍（0.5~10000cps）的材料。
RD-EHDJET®，在對噴印分辨率要求高的印刷電子（如柔性電極、MEMS氣體傳感器等）、顯示器件（如MicroLed、MiniLed等）、光學器件和微結構打印等領域都可以發揮準確準、穩定、快捷的作用。經RUIDU微納制造及生命科學交叉實驗測試中心打印測試，RD-EHDJET®可實現點徑≥1μm，線寬≥0.5μm的圖形和結構；適用于玻璃、PDMS、二氧化硅晶圓、PET等柔性聚合物、多孔基材、金屬涂層表面、金屬等基材。
RUIDU可持續為打印系統提供玻璃、金屬、陶瓷等類型的適用噴頭，以及經實際打印測試驗證的推薦墨水等相關耗材。
▲ 圖a RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統制備的氣體傳感器敏感材料膜層，沉積區域：200×200μm
▲ 圖b RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統打印的紅、綠量子點MicroLed，像素坑尺寸：65×75μm
▲ 圖c RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統打印的柔性印刷電子電路，min-width：10μm（參照物：五角硬幣）
▲ 圖d RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統打印的柔性印刷電子電路，min-width：2.3μm（參照物：回形針）
參考文獻：
[1] Lee J G, Cho H J, Huh N, et al. Electrohydrodynamic (EHD) dispensing of nanoliter DNA droplets for microarrays[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21(12): 2240-2247.
[2] Bae J, Lee J, Hyun Kim S. Effects of polymer properties on jetting performance of electrohydrodynamic printing[J]. Journal of applied polymer science, 2017, 134(35): 45044.
[3] Ali S, Hassan A, Hassan G, et al. Erratum to" All-printed humidity sensor based on graphene/methyl-red composite with high sensitivity"[Carbon (2016) 23-32][J]. Carbon, 2017, 112: 130-130.
[4] Tang X, Kwon H, Li Z, et al. Strategy for selective printing of gate insulators customized for practical application in organic integrated devices[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 13(1): 1043-1056.
[5] Liu M, Lin C, Ou W, et al. Electrohydrodynamic Printing of PCL@ CsPbBr3 Composite Fibers with High Luminescence for Flexible Displays[J]. Coatings, 2023, 13(3): 500.
[6] Jung E M, Lee S W, Kim S H. Printed ion-gel transistor using electrohydrodynamic (EHD) jet printing process[J]. Organic Electronics, 2018, 52: 123-129.
[7] Kwon H, Ye H, Shim K, et al. Newly synthesized nonvacuum processed high‐k polymeric dielectrics with carboxyl functionality for highly stable operating printed transistor applications[J]. Advanced Functional Materials, 2021, 31(5): 2007304.
[8] Kim S Y, Kim K, Hwang Y H, et al. High-resolution electrohydrodynamic inkjet printing of stretchable metal oxide semiconductor transistors with high performance[J]. Nanoscale, 2016, 8(39): 17113-17121.
[9] Lee Y G, Choi W S. Electrohydrodynamic jet-printed zinc–tin oxide TFTs and their bias stability[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(14): 11167-11172.
[10] Han Y, Dong J. Electrohydrodynamic printing for advanced micro/nanomanufacturing: Current progresses, opportunities, and challenges[J]. Journal of Micro-and Nano-Manufacturing, 2018, 6(4): 040802.
[11] Park J U, Lee J H, Paik U, et al. Nanoscale patterns of oligonucleotides formed by electrohydrodynamic jet printing with applications in biosensing and nanomaterials assembly[J]. Nano letters, 2008, 8(12): 4210-4216.
[12] Kim H S, Lee D Y, Park J H, et al. Optimization of electrohydrodynamic writing technique to print collagen[J]. Experimental techniques, 2007, 31: 15-19.
[13] Hassan R U , Sharipov M , Ryu W H .Electrohydrodynamic (EHD) printing of nanomaterial composite inks and their applications[J].micro and nano systems letters, 2024, 12(1).
正文
EHD噴墨打印技術是通過在噴嘴尖端和基材之間使用電場力，使墨水產生泰勒錐來實現的，當泰勒錐內的庫侖力超過功能性油墨的表面張力時，通過EHD在基材上打印高分辨率的連續噴射線或液滴如圖1所示1a和b，使所得圖案的分辨率高于1μm，這種方法能夠生產出復雜的納米/微米尺寸設計，詳細原理可見睿度往期文章《Technology | 關于電流體動力學（EHD）噴墨打印的介紹》。
絕緣材料
絕緣材料的EHD噴墨打印受限于難以實現均勻圖案和光滑表面。然而，Tang[4]等研究人員嘗試了EHD打印絕緣材料，然后用來搭建電子器件，如柵極和薄膜晶體管（TFT）應用。當EHD將絕緣層完全打印覆蓋在底部柵極（BGL）后，繼續將頂部電極沉積在柵極絕緣層（GI）上，這個過程導致電容器的形成，如圖2a和b。與傳統的點膠工藝相比，即使長時間復雜打印，EHD也能打印出更精密的圖案[2]。
半導體材料
EHD噴墨能夠使有機和無機半導體應用于復雜和集成的高分辨率設備，如TFT應用的高分辨率錫酸鋅（ZTO）半導體的圖案化[9]，EHD打印的位置準確性和響應即時性優于旋涂和轉印。在另一項研究中，如圖2（d），EHD噴射打印應用于打印氧化銦（在In2O3）結構來制備具有良好電氣特性的器件穩定性提高的 TFT，在塑料基板上成功制造了TFT，作為高k電介質時，其表現出～230 cm2/V.s 的出色遷移率。
導電材料
除了常規可用于EHD打印的具有導電性能的各種金屬材料，如鎳、金、銅、銀和鈀之外，石墨烯、碳納米管和炭黑等碳基材料已被探索為打印工藝的潛在選擇。此外，聚丙烯酸（PAA）、聚己內酯（PCL）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）等導電聚合物也成為科學家們研究的重點。Thuy等人主要研究了EHD打印的銅（Cu）電極圖案，該圖案具有40μm的高分辨率，用于TFT應用，如圖2（e）。在另一項研究中，通過使用銀（Ag）電極的EHD噴射打印，制造了具有5μm高分辨率的接觸式有機薄膜晶體管（OTFT）。OTFT能夠產生高電流輸出，因為印刷過程具有極強的可重復性，并且單個設備之間存在微小差異。所得的OTFT表現出有效的電荷傳輸，并促進了邏輯電路的發展。PSS電極用于在OTFT中產生卓越的電氣特性，如圖2（f）。
生物材料
傳統的打印應用于許多生物領域，但在打印生物材料時，分辨率很差。因此，通過EHD噴墨打印技術嘗試各種生物材料（包括水凝膠、蛋白質和DNA）的高分辨率圖案，增加單位區域內的點密度來提高打印生物材料的分辨率[10]。研究人員應用EHD打印在DNA微陣列表面創建具有納升級液滴的DNA探針[11]，打印了各種復雜的單鏈和雙鏈DNA構型，以開發基于適配體的生物傳感器，能夠促進通過熒光分析檢測腺苷分子。Kim等人還研究了EHD噴射打印技術，該技術可在不影響細胞結構和功能的情況下將活細胞懸液沉積在表面上，保持細胞的完整性和功能[12]。EHD直接打印可以創建細胞粘附生物材料（如膠原蛋白）的3D結構，以及活細菌。文獻中還報道了將活細胞與不同的生物材料，如水凝膠、聚氨酯和聚（甲基倍半硅氧烷）聚合物以及聚二乙炔包埋的聚苯乙烯納米纖維共同打印。
結語
本文介紹了各種功能性納米復合材料作為EHD油墨在微納領域的前瞻性利用，EHD技術允許不同種類、應用的納米復合材料從到納米到微米尺度上生產復雜圖案，從而制造出具有高精度、廣覆蓋范圍的MEMs器件，預計EHD技術在多個方面取得的進步將加速未來微納印刷設備的商業化進展。
相關設備型號
RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統 RD-EHDJET®
RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統 RD-EHDJET®，是一套基于電流體動力學（electrohydrodynamic, EHD）原理的高精度納米材料沉積噴墨打印系統。現有桌面式（RD-EHD100）、立式（RD-EHD200）和量產型（RD-EHD300）打印系統可供選擇。
與傳統的噴墨打印技術相比，EHD電流體噴墨打印技術可以完成再高精度、再精細圖案的噴印，突破了現有噴印技術在高分辨率打印方面的局限，還可適應更大粘度范圍（0.5~10000cps）的材料。
RD-EHDJET®，在對噴印分辨率要求高的印刷電子（如柔性電極、MEMS氣體傳感器等）、顯示器件（如MicroLed、MiniLed等）、光學器件和微結構打印等領域都可以發揮準確準、穩定、快捷的作用。經RUIDU微納制造及生命科學交叉實驗測試中心打印測試，RD-EHDJET®可實現點徑≥1μm，線寬≥0.5μm的圖形和結構；適用于玻璃、PDMS、二氧化硅晶圓、PET等柔性聚合物、多孔基材、金屬涂層表面、金屬等基材。
RUIDU可持續為打印系統提供玻璃、金屬、陶瓷等類型的適用噴頭，以及經實際打印測試驗證的推薦墨水等相關耗材。
▲ 視頻 RUIDU EHD電流體動力噴墨打印系統打印叉指電極
參考文獻：
[1] Lee J G, Cho H J, Huh N, et al. Electrohydrodynamic (EHD) dispensing of nanoliter DNA droplets for microarrays[J]. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21(12): 2240-2247.
[2] Bae J, Lee J, Hyun Kim S. Effects of polymer properties on jetting performance of electrohydrodynamic printing[J]. Journal of applied polymer science, 2017, 134(35): 45044.
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[6] Jung E M, Lee S W, Kim S H. Printed ion-gel transistor using electrohydrodynamic (EHD) jet printing process[J]. Organic Electronics, 2018, 52: 123-129.
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[12] Kim H S, Lee D Y, Park J H, et al. Optimization of electrohydrodynamic writing technique to print collagen[J]. Experimental techniques, 2007, 31: 15-19.
[13] Hassan R U , Sharipov M , Ryu W H .Electrohydrodynamic (EHD) printing of nanomaterial composite inks and their applications[J].micro and nano systems letters, 2024, 12(1).
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