Электрофокусирующее сопло для осаждения заряженных аэрозолей Российский патент 2024 года по МПК B82B3/00 B03C3/01 

Настоящее изобретение относится к области аддитивных нанотехнологий, в частности к устройствам управления траекторией заряженных аэрозольных наночастиц, предназначенных для прямой печати. Традиционные методы печати такие как струйная и аэрозольная печать имеют существенные трудности с формированием структур размером менее 10 мкм [1, 2] так как для печати с высоким разрешением требуются сопла меньшего размера, но сопла меньшего размера с большей вероятностью засорятся [3]. Методика аэродинамической фокусировки также имеет недостатки из-за большого потока газа, выходящего вместе с пучком наночастиц на подложку. Данное изобретение дополнительно относится к системе безмасочной литографии одиночным пучком заряженных частиц с предварительным выделением заряженных частиц из воздушного потока. Такие устройства основаны на фокусировке заряженных наночастиц электрическим полем, что позволяет подавить броуновское смещение частиц и уменьшить ширину печатной линии. Предлагаемое решение найдет применения в прозрачных сетках электродов для LED-панелей [4], оптоэлектронных устройствах [5] и прозрачных нагревателях [6].

Эффект фокусировки аэрозольного потока заряженных наночастиц с помощью электростатического поля обеспечен следующими протекающими при этом процессами.

Заряженные частицы имеют значительное броуновское движение, так, в течение 1 сек при температуре 20°C аэрозольная частица размером 100 нм имеет случайное броуновское смещение траектории порядка 37 мкм [7], следовательно, для печати узких линий эффект от броуновского движения подавляется в подобных устройствах силами электростатического отталкивания заряженных частиц от фокусирующего элемента. При прохождении аэрозольного потока через электростатическое поле, каждая заряженная наночастица испытывает силу кулоновского отталкивания, направленную в сторону области с большей напряженностью электрического поля. Это приведет к тому, что заряженные наночастицы будут смещаться в направлении сильнее заряженной области, что приведет к их фокусировке в заданной области пространства. Электростатическая сила используется для направления наночастиц в желаемое место, так как она действует на заряженные частицы на дальних расстояниях и доминирует над импульсом броуновского движения в области высоких напряженностей электрического поля. Однако, из-за наличия в потоке аэрозоля незаряженных частиц, ионов, молекул несущего газа процесс осаждения на подложку становится сложно прогнозируемым.

Наиболее близким аналогом является способ и оборудование аддитивного изготовления трехмерных микроструктур посредством взаимодействия заряженных наночастиц с диэлектрической заряжаемой маской, описанный в патенте US9321633B2 [11]. Устройство состоит из камеры печати, в которую подается заряженный аэрозоль, диэлектрической маски и подложки. Данный способ предполагает получение печатных структур с помощью маски, имеющей перфорацию, соответствующую предполагаемому рисунку на подложке. Для получения электростатической фокусирующей системы на подложку подается потенциал, противоположный знаку заряда частиц, в то время как диэлектрическая маска заряжается при помощи бомбардировки ее потоком ионов. В предложенном способе выявлены следующие недостатки: большие потери наночастиц, электрическая подвижность которых на несколько порядков ниже, чем у ионов, ввиду напыления поверх маски, необходимость изготовления маски под каждую следующую задачу печати, плохая управляемость зарядом маски, а также сложность ее позиционирования без деформации.

Прототипом изобретения является устройство для печати сфокусированным при помощи электростатической линзы, описанное в патенте CN117103669A [10]. Устройство содержит устройство распыления, устройство зарядки аэрозоля и печатную головку с электростатической фокусировкой, которые последовательно сообщаются друг с другом. Распылительное устройство используется для получения наночастиц печатного материала с помощью электрической эрозии материала в искровом разряде. Устройство для зарядки аэрозоля используется для зарядки распыляемого материала. Распылительная головка с электростатической фокусировкой выполнена в виде камеры, имеющей фокусирующие пластинчатые электроды, контактно связанные друг с другом, позволяющие модулировать фокусирующее поле. Электрод фокусирующей линзы имеет отверстия, соответственно, печатный материал, распыляемый через них, образует рисунок на поверхности подложки. Недостатками данного устройства являются неизбирательное напыления из-за отсутствия концентрирующей части и сложность конструкции ввиду раздельного расположения фокусирующей системы и выходного сопла. Таким образом, в данном изобретении не предусмотрена система отвода лишнего воздуха и незаряженных частиц, а как следствие, на выходе печатной головки остается значительное дополнительное давление несущего газа, а также не удаляются из области печати незаряженные и несфокусированные наночастицы.

Технической задачей, решаемой в представленном изобретении, является обеспечение управляемого осаждения заряженных наночастиц на подложку с их электростатической фокусировкой в центре сопла.

Техническим результатом будет расширение арсенала технических средства и обеспечение получения методом аэрозольной печати заряженными частицами структур с размером 0,5-10 мкм, чего не удается получить классическим методом печати.

Поставленная задача решена за счет электрофокусирующего сопла для обеспечения электрической фокусировки и дальнейшего осаждения заряженных наночастиц на подложку, состоящего из сообщенной с источником аэрозоля проводящей концентрирующей камеры, имеющей входное и выходное отверстия и выполненной в виде цилиндра с круглыми сквозными отверстиями для отвода излишков несущего газа и незаряженных частиц выполненной с возможностью обеспечения напряжения, по знаку равного знаку заряда частиц аэрозоля, фокусирующего сопла в форме полого конуса, выполненной с возможностью обеспечения напряжения, по знаку равного знаку заряда частиц аэрозоля, диэлектрической прокладки в форме кольца, расположенной между концентрирующей камерой и фокусирующим соплом, расположенного на концевой части сопла диэлектрического наконечника с круглым защитным экраном для обеспечения защиты подложки от незаряженных частиц и отверстием для вывода сфокусированного пучка аэрозоля и находящейся на расстоянии 0,1-2 мм под соплом подложки с приложенным к ней притягивающим потенциалом, при этом все указанные выше составляющие, кроме подложки, расположены соосно.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена общая схема строения представляемого изобретения. Электрофокусирующее сопло для печати заряженными наночастицами состоит из проводящей концентрирующей камеры 1 с втулкой для аэрозольного шланга с входным и выходным отверстиями с приложенным к ней отталкивающим потенциалом от источника высокого напряжения 2, а также с перфорацией 3 для отвода воздуха вместе с незаряженными наночастицами. Выход из концентрирующей камеры соединен через диэлектрическую прокладку 4 с проводящим фокусирующим соплом 6 в форме конуса, находящимся под отталкивающим потенциалом от источника высокого напряжения 5, которое обеспечивает позиционирование заряженных наночастиц в центре сопла. Под соплом на некотором расстоянии расположена подложка 8, предназначенная для осаждения частиц, с приложенным к ней притягивающим потенциалом от источника высокого напряжения 9. В целях предупреждения электрического пробоя с сопла на подложку, на сопло надет диэлектрический наконечник 7, также позволяющий избежать попадания на подложку незаряженных частиц и потока воздуха.

На фиг. 2 изображена трехмерная модель изготовленного изобретения в общем виде. Диэлектрические прокладка между корпусом концентрирующей камеры и соплом, а также накладка на сопло в процессе работы изобретения заряжаются до соответствующего потенциала, поданного на сопло, что позволяет дополнительно сфокусировать поток заряженного аэрозоля.

На фиг. 3 представлено численное физическое моделирование для определения траекторий частиц при заданных параметрах.

Устройство работает следующим образом. Заряженные наночастицы подаются вместе с воздушным потоком в концентрирующую камеру, к которой приложен отрицательный потенциал HV1(-), благодаря чему большая часть воздуха и незаряженных частиц удаляется через перфорации в концентрирующей камере. Без удаления воздуха через перфорации поток аэрозоля через сопло будет иметь скорость, близкую к скорости звука, что негативно влияет на возможности дальнейшей фокусировки, поэтому критически важно удалить лишний воздух, а также незаряженные частицы, не поддающиеся электростатической фокусировке. Далее оставшиеся заряженные частицы под действием отталкивающего воронкообразного электрического поля, создаваемого потенциалом
HV2(-), приложенным к собирающей части сопла, проходят через ось сопла к подложке. За счет использования диэлектрического наконечника, размещенного на фокусирующем сопле, обеспечивается, во-первых, отсутствие искрового разряда между подложкой и соплом из-за пробоя воздуха, а во-вторых, не допускается попадание незаряженных частиц и несущего газа, вылетающих в перфорацию в процессе концентрации потока аэрозоля. Для обеспечения наиболее эффективной фильтрации и концентрации потока в первой камере сопла потенциал HV1(-) выбирается достаточным, чтобы силы электростатического отталкивания удерживали заряженные частицы внутри сопла, но при этом не допускающим пробоя между верхней и нижней камерами сопла, к которой приложен также управляемый фокусирующий потенциал, выбираемый также с учетом недопустимости создания условий для возникновения искрового разряда, стекающего с сопла на подложку.

Пример применения

В рамках моделирования, результаты которого представленной на фиг.3, рассматривалось данное изобретение со следующими параметрами: напряжение на концентрирующей камере U₁=-500 В, напряжение на фокусирующем сопле U₂=-100 В, напряжение на подложке U₃=500 В, заряд частиц q=10e, размер частиц d_p=60 нм, высота фокусирующего сопла H=2 см, диаметры входного и выходного отверстия сопла D=1 мм и d=0.1 мм соответственно, расстояние от сопла до подложки h=0.5 мм. Как можно увидеть из результатов моделирования, данные (или близкие по значениям) параметры обеспечивают хорошую фокусировку при использовании данного устройства.

Источники информации

1. Rao C.H. et al. A review on printed electronics with digital 3D printing: fabrication techniques, materials, challenges and future opportunities // Journal of Electronic Materials. - 2022. - Т. 51. - №. 6. - С. 2747-2765.

2. Huang Q., Zhu Y. Printing conductive nanomaterials for flexible and stretchable electronics: A review of materials, processes, and applications // Advanced Materials Technologies. - 2019. - Т. 4. - №. 5. - С. 1800546.

3. Liang H. et al. A Strategy toward Realizing Narrow Line with High Electrical Conductivity by Electrohydrodynamic Printing // Membranes. - 2022. - Т. 12. - №. 2. - С. 141.

4. Li Z. et al. Directly printed embedded metal mesh for flexible transparent electrode via liquid substrate electric-field-driven jet // Advanced Science. - 2022. - Т. 9. - №. 14. - С. 2105331.

5. Jeong H.Y. et al. 3D and 4D printing for optics and metaphotonics // Nanophotonics. - 2020. - Т. 9. - №. 5. - С. 1139-1160.

6. Wagner K. et al. Towards sustainable transparent flexible heaters: Integration of a BNNT interlayer using green solvent substitution // Flexible and Printed Electronics. - 2023. - Т. 8. - №. 2. - С. 025005.

7. Hinds W.C., Zhu Y. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. - John Wiley & Sons, 2022.

8. Rusinque H. et al. Numerical study of the controlled electrodeposition of charged nanoparticles in an electric field // Journal of Aerosol Science. - 2019. - Т. 129. - С. 28-39.

9. Park J. et al. Deposition of charged aerosol particles on a substrate by collimating through an electric field assisted coaxial flow nozzle // Aerosol Science and Technology. - 2013. - Т. 47. - №. 5. - С. 512-519.

10. Патент CN117103669A, опубл. 24.11.2024, МПК B05B17/06, Electrostatic lens focusing aerosol printing system.

11. Патент US9321633B2, опубл. 26.04.2016, МПК B81C1/00031, Process for producing 3-dimensional structure assembled from nanoparticles.

12. Патент CN110001057B, опубл. 15.09.23, МПК B29B13/10, Aerosol printing jetting device and printer.

Электрофокусирующее сопло для печати заряженными наночастицами может быть использовано для уменьшения ширины печатной линии, образующейся при использовании аддитивных технологий изготовления микро- и наноструктур. Такое уменьшение ширины необходимо для создания массивов сеток электродов для LED-панелей, оптоэлектронных устройств, прозрачных нагревателей, 3D-межсоединений и оптических метаматериалов. Способ основан на подавлении броуновского движения наночастиц за счет эффекта электростатической фокусировки потока заряженных частиц в отклоняющем поле. При подаче на входную группу, содержащую концентрирующую камеру с перфорацией, потенциала того же знака, что и заряд используемых наночастиц, последние, влетая в камеру, отклоняются образовавшимся полем и фокусируются в центре камеры вдоль ее оси, в то время как лишний несущий газ и незаряженные частицы отводятся в специализированные отверстия. После прохождения концентрирующей камеры наночастицы попадают через диэлектрическую кольцевую прокладку в собирающую часть сопла, находящуюся также под отталкивающим потенциалом. Данный потенциал создает воронкообразное поле внутри конуса сопла, позволяющее сфокусировать поток частиц и направить его по центру оси сопла, подавляя броуновское смещение наночастиц. Далее для изоляции сопла и обеспечения отсутствия искрового разряда между соплом и подложкой за счет разности потенциалов между ними на концевую часть сопла помещен диэлектрический наконечник, также имеющий защитный экран для ограничения попадания на подложку незаряженных частиц, вылетевших в перфорацию в концентрирующей камере. Предложенный метод позволяет добиться повышения концентрации наночастиц в потоке и дополнительно извлечь из него незаряженные частицы, не поддающиеся электростатической фокусировке. 3 ил.

Электрофокусирующее сопло для осаждения заряженных аэрозолей, состоящее из сообщенной с источником аэрозоля проводящей концентрирующей камеры, имеющей входное и выходное отверстия и выполненной с круглыми сквозными отверстиями для отвода излишков несущего газа и незаряженных частиц, выполненной с возможностью обеспечения напряжения, по знаку равного знаку заряда частиц аэрозоля, фокусирующего сопла в форме полого конуса, выполненного с возможностью обеспечения напряжения, по знаку равного знаку заряда частиц аэрозоля, диэлектрической прокладки в форме кольца, расположенной между концентрирующей камерой и фокусирующим соплом, и расположенного на концевой части сопла диэлектрического наконечника с круглым защитным экраном для обеспечения защиты подложки от незаряженных частиц и отверстием для вывода сфокусированного пучка аэрозоля и находящегося на расстоянии 0.1–2 мм под соплом подложки с приложенным к ней притягивающим потенциалом, при этом все указанные выше составляющие, кроме подложки, расположены соосно.