Regionální inovační centrum elektrotechniky (RICE), výzkumné centrum Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, zakoupilo v loňském roce v červnu unikátní přístroj založený na technologii Aerosol Jet Printing, který umožnuje realizaci tištěných propojovací struktur, elektronických součástek (např. tranzistorů a senzorů), nanášení nanouhlíkových struktur a bioaktivních látek pro senzorové aplikace či systematické testování nově vyvinutých organických materiálů s vodivými, polovodivými a nevodivými vlastnostmi. Jedná se o jediné zařízení tohoto typu v České republice i v celé východní Evropě, které je pracovníky RICE využíváno pro aplikovaný výzkum.

 

 

Aerosol Jet Printing (AJP) je unikátní patentovaná tisková technologie v současnosti vyráběná pouze společností Optomec (USA - Nové Mexiko). Jedná se o aditivní, selektivní, depoziční techniku, která umožňuje miniaturizaci elektronických systémů, realizaci jemných vodivých motivů a integraci pasivních součástek bez nutnosti přípravy masek a filmových předloh. Patentované řešení selektivní depozice, které je zcela odlišné od principu inkoustové tiskárny, využívá aerodynamického proudu nosného plynu pro soustředění aerosolu deponovaného materiálu na přesně definovanou plochu substrátu.

 

 

Na obr. 1 je znázorněno celé schéma systému včetně stručného popisu jeho jednotlivých částí. Z použitého inkoustu je pomocí pneumatického nebo ultrazvukového atomizéru vytvořen inkoustový aerosol, který je transportován a fokusován dusíkem a dále bezkontaktně nanášen na substrát.

 

Na obr. 2 je zachycen celý systém Aerosol Jet Printing včetně tlakových lahví s dusíkem. V zařízení je integrován kamerový systém s možností měření a online kontroly depozice materiálu. Blízko tiskové hlavy je také umístěn 700 mW laser s vlnovou délkou 830 nm, který pracuje v kontinuálním režimu a slouží pro selektivní vytvrzování inkoustů. Je-li laser využíván pro sintrování, bude obsluha před laserovým paprskem chráněna speciálním sklem ve výplních dvířek (viz obr. 2).

 

 

Na obr. 3 a 4 jsou pak vyfoceny hlavní prvky systému, které máme popsány zkratkami a vysvětleny na obr. 1. Na těchto obrázcích je systém připraven k tisku v konfiguraci s pneumatickým atomizérem a širokou tryskou (obdélníkový otvor 1 500 x 500 µm). Celá sestava systému je z důvodů zajištění vysoké stability a odolnosti proti vibracím fixována na podkladové granitové desce.

 

 

Velkou předností zařízení AJP je jeho schopnost vytvářet velmi jemné motivy s šířkou dráhy od 8 µm. Dalšími výhodami budou potřeba malého vstupního množství inkoustu (1 ml), jeho nízká spotřeba a také bezkontaktní průchod inkoustu tryskou, který zajištuje, že téměř nedochází k jejímu ucpávání.

 

 

Na obr. 5 máme v detailu zachycenu keramickou trysku s otvorem o velikosti 150 µm při tisku interdigitálních elektrod stříbrným inkoustem. Velmi dobře je zde patrné stavítko, tzv. shutter, který umožňuje bezprostřední přerušení tisku u nespojitých motivů a ukládání přebytečného materiálu v případě přemisťování trysky na jinou pozici.

 

 

Na obr. 6 je detailně zachycena široká tryska s průměrem otvoru o velikosti 750 µm. Shutter u širokých trysek má jiný tvar a je odsávaný, aby se v něm nehromadil přebytečný materiál. Na obrázku si povšimněte proudu aerosolu stříbrného inkoustu, který je nanášen na PET fólii.

 

 

Výhoda oproti klasickým technologiím (sítotisk, šablonový tisk) spočívá v možnostech tisku funkčních materiálů ve formě inkoustů bez nutnosti příprav tiskových formulací. Lze přitom použít široké spektrum viskozit inkoustů a tudíž i nové perspektivní materiály jako jsou například uhlíkové nanotrubice nebo bioaktivní materiály.

 

 

Zařízení dovede bez problémů nanášet materiál i na velmi hrubé a flexibilní substráty či strukturované 3D objekty, viz obr. 7. Výškový rozdíl mezi nejvyšším a nejnižším bodem byl při tisku cca 1 cm. AJP umožňuje také tisknout miniaturní 3D struktury, viz natištěný kužel ze stříbrného inkoustu o výšce 150 µm, který je zobrazen na obr. 8. Na dalších obrázcích jsou pak zachyceny příklady elektronických struktur a prvků realizovaných pomocí AJP.

 

 

Návrh tiskového motivu je vytvářen v programu AutoCAD a do požadovaného formátu pro tiskárnu konvertován nástrojem Optomec VMTools. Na popsaném zařízení se v současné době nejčastěji používají následující inkousty:

 

 

 

Zařízení AJP je využíváno ve výzkumném centru RICE v mnoha projektech aplikovaného výzkumu se zaměřením na tištěnou elektroniku a smart textilie. Jedním z klíčových projektů je například FLEXPRINT, který zkoumá právě aplikace zaměřené na nízkonákladovou tištěnou flexibilní elektroniku, zejména pro oblasti inteligentních obalů, chytrých textilií a holografických bezpečnostních prvků. Zařízení je průmyslově využíváno i ve světě, např. pro tisk antén do mobilních telefonů.