струйная печать функциональными чернилами с наночастицами

Формула изобретения

1. Способ нанесения чернил на носитель, включающий:

приготовление чернил, содержащих жидкий разбавитель и пигментные частицы, диспергированные в разбавителе, причем по меньшей мере пигментные частицы электрически заряжены;

приложение первого потенциала к выходному соплу для чернил;

приложение по меньшей мере второго потенциала к одному или более вспомогательным электродам, расположенным вблизи выходного сопла;

выброс капель чернил из выходного сопла в направлении целевой зоны на носителе,

причем один или несколько вспомогательных электродов размещают с возможностью приложения электрического поля к капле чернил, выходящей из сопла, а конфигурацию выходного сопла, одного или нескольких вспомогательных электродов и величины первого и второго потенциалов выбирают с обеспечением электрофоретического концентрирования пигментных частиц в направлении центра капли чернил, выходящей из сопла, по мере ее падения, и тем самым осаждения определенного количества пигментных частиц в целевой зоне с более высокой концентрацией, чем концентрация пигментных частиц в чернилах.

2. Способ по п.1, в котором пигментные частицы имеют постоянный заряд.

3. Способ по п.1, в котором пигментные частицы имеют наведенный заряд.

4. Способ по п.1, в котором используют приложенные потенциалы для возникновения радиального, направленного внутрь электрофоретического движения пигмента в ходе процесса осаждения для обеспечения концентрации пигментных частиц в направлении центра капли чернил и, соответственно, в целевой зоне.

5. Способ по п.1, в котором используют приложенные потенциалы для генерирования электрогидродинамических сил на жидком разбавителе капли чернил для рассеивания жидкого разбавителя из целевой зоны.

6. Способ по п.1, в котором один или несколько вспомогательных электродов вблизи выходного сопла расположены коаксиально вокруг электрода, образованного соплом.

7. Способ по п.1, в котором носитель поддерживают при определенном потенциале при выбросе капель чернил из сопла в направлении целевой зоны.

8. Способ по п.7, в котором носитель поддерживают при потенциале земли.

9. Способ по п.1, в котором разность потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами по меньшей мере равна разности потенциалов между выходным соплом и носителем.

10. Способ по п.9, в котором разность потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами находится в диапазоне от 1 до 100 В.

11. Способ по п.1, включающий расположение по меньшей мере одного вспомогательного электрода за носителем на общей оси с электродом, образуемым соплом.

12. Способ по п.11, в котором используют подложку для носителя, которую поддерживают при определенном потенциале.

13. Способ по п.12, в котором подложку поддерживают при потенциале земли.

14. Способ по п.12, в котором подложку размещают за носителем, причем носитель размещают между соплом и подложкой.

15. Способ по п.12, в котором подложку размещают между носителем и соплом.

16. Способ по п.11, в котором сопло и упомянутый по меньшей мере один вспомогательный электрод за носителем выполняют подвижными относительно носителя, причем движения сопла и по меньшей мере одного вспомогательного электрода синхронизированы.

17. Способ по п.11, в котором ряд электродов и соответствующие отверстия в подложке поддерживают в абсолютно фиксированных позициях.

18. Способ по п.11, в котором сопло и вспомогательные электроды поддерживают в фиксированной позиции и носитель движется относительно них.

19. Способ по п.12, в котором потенциал на вспомогательном электроде поддерживают на уровне, который в большей степени притягивает заряженные наночастицы, чем потенциал на сопле.

20. Способ по п.19, в котором соотношение потенциалов на вспомогательном электроде и сопле поддерживают на более высоком уровне, чем соотношение радиуса отверстия в подложке вблизи вспомогательного электрода и радиуса сопла.

21. Устройство для нанесения чернил на подложку, включающее:

сопло, образующее выход для чернил, причем по меньшей мере часть сопла выполнена электропроводной;

первый источник напряжения для приложения первого потенциала к выходному соплу;

один или несколько вспомогательных электродов, расположенных вблизи выходного сопла с возможностью приложения электрического поля к капле чернил, выходящей из сопла;

второй источник напряжения для приложения второго потенциала к одному или более вспомогательному электроду;

средства для выбрасывания капель чернил из сопла в направлении целевой зоны на носителе, содержащих жидкий разбавитель и пигментные частицы, диспергированные в растворителе, причем по меньшей мере пигментные частицы электрически заряжены,

при этом конфигурация сопла и одного или нескольких вспомогательных электродов и величины первого и второго потенциалов выбраны с возможностью обеспечения электрофоретического концентрирования пигментных частиц в направлении центра капли чернил, выходящей из сопла по мере ее падения, и тем самым осаждения определенного количества пигментных частиц в целевой зоне с более высокой концентрацией, чем концентрация пигментных частиц в чернилах.

22. Устройство по п.21, в котором один или несколько вспомогательных электродов вблизи выходного сопла размещены коаксиально вокруг электрода, образованного соплом.

23. Устройство по п.22, в котором источники напряжения размещены для поддержания разности потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами по меньшей мере равной разности потенциалов между выходным соплом и носителем.

24. Устройство по п.23, в котором источники напряжения размещены для поддержания разности потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами в диапазоне от 1 до 100 В.

25. Устройство по п.21, включающее по меньшей мере один вспомогательный электрод, расположенный за соплом, на общей оси с электродом, образованным соплом, так что носитель находится между соплом и по меньшей мере одним используемым вспомогательным электродом.

26. Устройство по п.25, в котором используется подложка для носителя, которую поддерживают при определенном потенциале.

27. Устройство по п.26, в котором источники напряжения размещены для обеспечения поддержания потенциала на вспомогательном электроде на уровне, который в большей степени притягивает заряженные наночастицы, чем потенциал на сопле.

28. Устройство по п.27, в котором источники напряжения размещены для обеспечения поддержания потенциалов на вспомогательном электроде и сопле на более высоком уровне, чем соотношение радиуса отверстия в подложке вблизи вспомогательного электрода и радиуса сопла.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способу струйной печати чернил, содержащих наночастицы, и печатному устройству для выполнения этого способа.

Уровень техники

Способ и устройство, в частности, но не исключительно, предназначены для печати функциональных чернил, используемой в электронике, где требуются высокая плотность межсоединенных частиц и малый топологический размер отпечатанного изображения.

Печать на основе функциональных чернил имеет продолжительную традицию в области электроники. Например, чернила на основе пигментов используют для трафаретных оттисков межсоединений и резисторов на печатных платах с печатной схемой. В этих областях используемые пасты для толстопленочной технологии состоят из разбавителя (связующего), пигментов серебра и углерода, соответственно, причем пигментные частицы имеют размер в диапазоне нанометра. Более поздние разработки направлены на печать не только пассивных компонентов схемы, но также активных компонентов. Одним из примеров является раскрытие печатных наночастиц кремния в Международной патентной заявке WO 2004/068536 от настоящего заявителя, обеспечивающих полупроводниковые слои в устройствах, подобных солнечным элементам и транзисторам.

Традиционно большинство функциональных материалов печатают с помощью стандартной техники печати, такой как трафаретная печать и флексография, оба этих способа требуют изготовления мастер-модели (например, трафарета или печатной формы) для каждого печатного изображения. Обычно считают предпочтительным использование цифровых методов печати, таки как струйная печать, благодаря их гибкости и высокой точности в пространстве. Однако, для предотвращения забивания сопел для струйной печати требуются относительно диспергированные растворы частиц и чернила с низкой вязкостью. Это делает способ неприемлемым для некоторых использований в области электроники, где высокая плотность частиц должна обеспечиваться в определенной позиции на носителе (подложке) для достижения требуемой функциональности отпечатанного изображения.

Что касается осаждения малых топологических элементов, известна струйная печать на основе растворов, содержащих наночастицы, которые обеспечивают функциональные свойства печатной структуры. Чаще всего используют струйную печать проводящих отпечатков схем с использованием проводящих наночастиц, например, наночастиц серебра, диспергированных в чернилах. При подобных использованиях тепловой обработкой получают низкое сопротивление с эффектом удаления диспергатора и с последующим спеканием наночастиц. Более поздней разработкой в осаждении функционального слоя является струйная печать на основе наночастиц прозрачного проводящего оксида, при которой структуру изображения и уплотнение частиц регулируют обработкой электромагнитным излучением в процессе сушки.

Другим способом увеличения точности формирования изображения в печатных структурах струйной печати, состоящих из функциональных чернил, включая чернила, содержащие наночастицы, является электрогидродинамическая струйная печать, описанная Jang-Ung Park и др. (Nature, vol.6 (2007). В этом случае разрешение отпечатанного изображения усилено электростатическим полем, приложенным к микрокапиллярному соплу устройства для струйной печати, которое формирует и регулирует движение капель, выбрасываемых из сопла. Однако, электрогидродинамическая струйная печать не влияет на плотность или расположение частиц в печатной структуре и необходима последующая обработка для достижения требуемых свойств.

В некоторых областях функциональность осажденного слоя, содержащего частицы в общем и наночастицы в частности, обеспечивают схемой соединения этих частиц. Для достижения компактности этих слоев Tuck в GB2355338 раскрыл модификацию электрофоретического осаждения для дисплеев с автоэлектронной эмиссией. Эта работа описывает форсированное осаждение частиц из разбавленного раствора связующего материала с помощью приложенного электрического поля. Количество связующего в растворе точно рассчитывают, так что после испарения растворителя осадок остается на месте на дне микроскопической лунки. Что касается других традиционных способов электрофоретического осаждения, используемых для покрытия из ванны с раствором, в них отсутствует формирование изображения или регулирование потока жидкой среды в ходе процесса.

Сущность изобретения

Предлагаемый в изобретении способ нанесения чернил на носитель, включает:

приготовление чернил, содержащих жидкий разбавитель и пигментные частицы, диспергированные в разбавителе, по меньшей мере пигментные частицы электрически заряжены;

приложение первого потенциала к выходному соплу для чернил;

приложение по меньшей мере второго потенциала к одному или более вспомогательным электродам, расположенным вблизи выходного сопла, и

выброс капель чернил из выходного сопла в направлении целевой зоны на носитель,

конфигурацию выходного сопла и одного или нескольких вспомогательных электродов и величины первого и второго потенциалов выбирают для обеспечения концентрации пигментных частиц в целевой зоне и тем самым осаждения определенного количества пигментных частиц в целевой зоне, имеющей более высокую концентрацию, чем концентрация пигментных частиц в чернилах.

Пигментные частицы имеют постоянный или наведенный заряд. В последнем случае заряд на частицы может быть наведен приложенными потенциалами.

Способ предпочтительно предназначен для использования приложенных потенциалов для обеспечения электрофоретического движения пигментов в ходе процесса осаждения для концентрации пигментных частиц в целевой зоне.

Кроме того, способ предпочтительно предназначен для использования приложенных потенциалов для генерирования электрогидродинамических сил на жидком разбавителе чернил для рассеяния жидкого разбавителя из целевой зоны.

Один или несколько вспомогательных электродов, расположенных вблизи выходного сопла, размещают коаксиально вокруг электрода, образованного соплом.

Носитель поддерживают при определенном потенциале во время выброса капель чернил из сопла в направлении целевой зоны.

Предпочтительно, носитель поддерживают при потенциале земли.

Предпочтительно, разность потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами по меньшей мере равна разности потенциалов между выходным соплом и носителем.

В предпочтительном варианте осуществления способа, представленного в изобретении, разность потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами находится в диапазоне от 1 до 100 В.

Предложенный в изобретении способ включает размещение по меньшей мере одного вспомогательного электрода за носителем на общей осевой линии с электродом, образованным соплом

В одном варианте осуществления способа, предложенного в изобретении, дополнительную подложку для носителя поддерживают при определенном потенциале.

Предпочтительно, подложку поддерживают при потенциале земли.

В одном варианте осуществления изобретения подложку размещают за носителем, т.е. носитель размещают между соплом и подложкой.

В другом варианте осуществления изобретения подложку размещают между носителем и соплом.

Если по меньшей мере один вспомогательный электрод размещают за носителем, сопло и указанный по меньшей мере один вспомогательный электрод за носителем являются подвижными относительно носителя, причем движение сопла и по меньшей мере одного вспомогательного электрода синхронизированы.

В другом варианте осуществления изобретения, ряд электродов и соответствующие отверстия в подложке поддерживают в абсолютно фиксированных позициях.

Еще в одном варианте осуществления изобретения сопло и вспомогательные электроды поддерживают в фиксированной позиции и носитель движется относительно их.

Предпочтительно, потенциал на вспомогательном электроде поддерживают на уровне, который в большей степени притягивает заряженные наночастицы, чем потенциал на сопле.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения соотношение потенциалов на вспомогательном электроде и сопле поддерживают на более высоком уровне, чем соотношение радиуса отверстия в подложке вблизи вспомогательного электрода и радиуса сопла.

Кроме того, согласно настоящему изобретению, предлагается устройство для осаждения чернил на носителе, включающее:

сопло, определяющее выход для чернил, причем по меньшей мере часть сопла является электропроводной;

первый источник напряжения для приложения первого потенциала к выходному соплу;

один или несколько вспомогательных электродов, расположенных вблизи выходного сопла;

второй источник напряжения для приложения второго потенциала к одному или более вспомогательному электроду; и

средства для выброса чернил из сопла в направлении целевой зоны на носитель, содержащих жидкий разбавитель и пигментные частицы, диспергированные в разбавителе, по меньшей мере пигментные частицы электрически заряжены;

конфигурацию сопла и одного или нескольких вспомогательных электродов и величины первого и второго потенциалов выбирают для обеспечения концентрации пигментных частиц в целевой зоне и таким образом осаждения определенного количества пигментных частиц в целевой зоне, имеющей более высокую концентрацию, чем концентрация пигментных частиц в чернилах.

В одном варианте осуществления изобретения один или несколько вспомогательных электродов, расположенных вблизи выходного сопла, помещают коаксиально вокруг электрода, образованного соплом.

Источники напряжения располагают для поддержания разности потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами, по меньшей мере равной разности потенциалов между выходным соплом и носителем.

Предпочтительно, источники напряжения располагают для поддержания разности потенциалов между выходным соплом и одним или несколькими вспомогательными электродами в диапазоне от 1 до 100 В.

В другом варианте осуществления изобретения, по меньшей мере один вспомогательный электрод размещают за соплом, т.е. с носителем, расположенным между соплом и подложкой, на общей оси с электродом, образованным соплом, так что носитель находится между соплом и по меньшей мере одним используемым вспомогательным электродом.

Устройство может включать подложку для носителя, которую поддерживают при определенном потенциале.

Источники напряжения располагают для поддержания потенциала на вспомогательном электроде на уровне, который в большей степени притягивает заряженные наночастицы, чем потенциал сопла.

Предпочтительно, источники напряжения располагают для поддержания на более высоком уровне соотношение потенциалов на вспомогательном электроде и сопле, чем соотношение радиуса отверстия в подложке вблизи вспомогательного электрода и радиуса сопла.

Предлагаемое изобретение относится к способу разделения и уплотнения пигментных частиц в ходе струйной печати путем комбинирования электрофоретического и электрогидродинамического эффектов, которые достигаются приложением нелинейных и неоднородных фокусирующих электрических полей. Двумя задачами подобного процесса во-первых является обеспечение печати малых площадей с высокой плотностью упаковки частиц и во-вторых получение изображения высокого разрешения с малым топологическим размером. Частными областями использования являются печать электронных компонентов и схем, которая требует плотных слоев межсоединенных полупроводниковых наночастиц. Варианты осуществления изобретения, раскрытые в настоящей заявке, кроме того, включают специфические аспекты печатных систем, которые требуются для создания надлежащих электрических полей. Эти варианты описаны со ссылкой на два предпочтительных варианта осуществления изобретения.

Для подобного использования чернила считают состоящими из двух компонентов, пигмента, который состоит из мелких частиц, и разбавителя, представляющего собой жидкость, состоящую из связующего, растворителя и любых других подходящих жидких или растворимых добавок, таких как поверхностно-активные вещества, смачивающие средства или сиккативы. Предпочтительно, пигментные частицы представляют собой наночастицы с характеристическим размером от 1 нм до 1 мкм, хотя можно использовать и большие частицы. При струйной печати обычно считают, что пигмент должен быть равномерно диспергирован в разбавителе без агломерации, и что вязкость чернил должна быть относительно низкой для предотвращения забивания печатных сопел.

Как правило, эти соображения несовместимы со свойствами печатных слоев электронных материалов, которые должны быть высоко агломерированными для обеспечения переноса заряда между отдельными частицами. Следовательно, необходимы дополнительные стадии обработки, такие как спекание или пиролиз связующего материала, для обеспечения надлежащей связи между частицами. Если частицы можно соединить в печатном процессе и отделить от большей части разбавителя, последующих стадий можно избежать и такие элементы могут быть непосредственно отпечатаны. В способе и устройстве, предлагаемых в настоящем изобретении, этого достигают комбинацией электрофореза для придания движения пигменту и электрогидродинамики для распространения жидкой фазы капли.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схематическая секционная диаграмма сопла для разбрызгивания чернил в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, включающая коаксиальные трубки;

на фиг.2 показана схематическая секционная диаграмма сопла для разбрызгивания чернил в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, включающая единичную трубку и связанный игольчатый электрод;

на фиг.3 показана схематическая иллюстрация транзисторной контрольной структуры, созданной при использовании принципа предлагаемого изобретения;

на фиг.4 показан график, сравнивающий характеристики исток-сток транзистора, полученного с помощью представленного в изобретении способа, с характеристиками другого подобного транзистора, полученного без использования представленного в изобретении способа;

на фиг.5 показана упрощенная схематическая диаграмма устройства струйной печати в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

на фиг.6 показана фотография капель чернил, содержащих кремниевые наночастицы, осажденные из сопла на бумажный фильтр, с электрическим потенциалом, приложенным к соплу, в соответствии с принципом предлагаемого изобретения и методом уровня техники.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Хотя, как уже упоминалось, электрофоретическое осаждение и электрогидродинамическая струйная печать хорошо известны, однако сочетание обоих методов в одном процессе является парадоксальным и необычным для достижения этой цели. Метод основан на том, что пигментные частицы должны нести на себе определенный заряд, и разбавитель должен нести на себе противоположный заряд или оставаться нейтральным. Эти заряды могут быть постоянными или наведенными путем использования электрических потенциалов в ходе процесса печати или питания печатающей головки.

В ситуации, когда как частицы, так и разбавитель заряжены, приложенное электрическое поле будет вызывать абсолютное движение частиц и жидкости. В случае, если частицы заряжены, а разбавитель нет, несмотря на то, что электрическое поле не будет воздействовать на жидкий разбавитель, твердое вещество все еще будет испытывать на себе это воздействие. Однако, в обоих случаях будет наблюдаться относительное движение обоих компонентов с концентрацией пигмента в определенной области. Предпочтительно, концентрация частиц должна наблюдаться в центре капли, непосредственно на одной линии с осью сопла для выброса чернил. Чтобы это произошло, электрическое поле должно иметь радиальный компонент в пространстве между соплом и носителем. Следовательно, в зависимости от заряда частиц электрическое поле должно быть расходящимся или сходящимся по мере приближения капли к носителю. Каким образом это положение достигается, описано со ссылкой на следующие предпочтительные варианты осуществления изобретения.

На фиг.1 схематически показано устройство в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, включающее структуру сопла для выброса чернил. Устройство включает средства (не показанные на этом чертеже) для выброса чернил из сопла, которые могут использовать, например, термическую или пьезоэлектрическую технологию, как хорошо известно специалистам в области струйной печати. Чернила, включающие жидкий разбавитель 10 и наночастицы пигмента 12, печатают на носителе 14. Наночастицы пигмента должны нести на себе определенный электрический заряд, который является отрицательным для целей, преследуемых в этом примере. Жидкий разбавитель может быть нейтральным или нести на себе противоположный заряд, который в этом случае является положительным. Заряд может быть получен в результате естественного разделения заряда в чернилах или может быть наведен приложением потенциала V₁ к первой внутренней трубке 16 из двух коаксиальных токопроводящих трубок 16 и 18. Трубка 16 служит в качестве электрода и определяет сопло 20 у его нижнего конца для подачи чернил к носителю.

Потенциал V ₁ противоположен заряду наночастиц и для цели, преследуемой в примере, является положительным. Полагают, что носитель 14 образует эквипотенциальную плоскость, которая предпочтительно имеет потенциал земли. Это обычно имеет место, когда сам носитель является проводящим или состоит из тонкого диэлектрического материала, установленного на проводящем держателе. В случае толстых слоев изолирующих носителей можно использовать ряд известных методов для поддержания постоянного потенциала.

Вторую внешнюю коаксиальную трубку 18, которая простирается под нижним концом сопла 20, поддерживают при потенциале V₂, и она служит в качестве электрода Wehnelt. Потенциал V₂ должен быть таким, чтобы отталкивать заряженные наночастицы, и в этом случае оно является отрицательным. В другой модификации этого варианта осуществления изобретения, для создания электрического поля, кроме того, используют ряд подобных коаксиальных электродов. Альтернативно, один из указанных электродов имеет форму плоской пластины с отверстием, которое является коаксиальным относительно других электродов, и располагается между носителем и соплом 20.

На правой половине фиг.1 показан потенциал и электрические поля, возникающие в подобной ситуации. Сразу ниже сопла 20 электрическое поле Е₁, возникшее под воздействием приложенного потенциала V₁, выстраивается в линию с осью сопла 20 и направляется к носителю и таким образом не влияет на траекторию жидких чернил, выходящих из сопла, или наночастиц пигментов внутри них. Однако на небольшом расстоянии от центра частицы испытывают электрофоретическое смещение в направлении оси сопла из-за влияния поперечной компоненты расходящегося по радиусу электрического поля Е₂, возникшего под воздействием приложенного потенциала V₂. Для возникновения высоко расходящегося электрического поля разность потенциалов между V₂ и V₁ должна быть по меньшей мере равна разности потенциалов между V₁ и носителем для одного и того же расстояния. Если жидкий разбавитель несет на себе противоположный заряд, он испытывает электрогидродинамическое радиальное смещение наружу. Конечным результатом является концентрация частиц сразу под соплом с намного более высоким соотношением частица/разбавитель (или частица/связующее), чем в исходной смеси чернил.

Таким образом, к коаксиальным электродам 16 и 18 прилагают противоположные электрические потенциалы для формирования неоднородного электрического поля, которое направляет пигментные частицы радиально внутрь к центру зоны печати и концентрирует их с помощью техники электрофореза, тогда как жидкий разбавитель одновременно направляется наружу от центра зоны печати. Как видно из примеров, для обеспечения интенсивного электрофоретического движения частиц требуются электрические поля порядка вольт на микрон. Следовательно, типичные значения V₁ и V ₂ будут находиться в диапазоне от 1 до 100 В и предпочтительно в диапазоне от 5 до 50 В.

Во втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, в струйном печатном устройстве используют лишь единичную трубку 16, определяющую сопло 20, а геометрию с фокусирующим действием электрического поля обеспечивают присутствием игольчатого электрода 24 сразу за носителем 14. К трубке 16 также прилагают потенциал V₁, тогда как к игольчатому электроду 24 прилагают потенциал V₂. Потенциал V₂ на игольчатом электроде должно в большей степени притягивать заряженные наночастицы, чем потенциал V ₁ на сопле.

В этом варианте осуществления изобретения электрическое поле должно проникать сквозь носитель 14. Следовательно, предпочтительны относительно тонкие диэлектрические носители. Игольчатый электрод 24 может быть единственным компонентом, смонтированным на подставке, и движущимся с помощью механических средств, следуя за позицией печатающей головки, включающей сопло 16. Альтернативно, в отверстиях при фиксированных позициях можно смонтировать ряд подобных электродов и переключать их потенциалы. Другим вариантом является сохранение фиксированных позиций электродов и сопел и обеспечение движения носителя. Во всех этих случаях необязательно использовать соединительную плату 26 для одновременной поддержки носителя и определения его позиции и увеличения конвергенции электрического поля в печатном положении. Альтернативно, в случае толстого слоя носителя, соединительную плату можно разместить между носителем и соплом. Как показано, соединительная плата имеет отверстие с радиусом r₂ причем кончик игольчатого электрода 24 расположен в центре или вблизи центра этого отверстия.

В указанном случае, при отрицательно заряженных пигментных частицах 12 в положительно заряженном разбавителе 10 потенциалы V₁ и V₂ являются положительными, причем V₂ предпочтительно больше V₁, и соединительную плату 26 поддерживают при потенциале земли. Как и в первом варианте осуществления изобретения, воздействие электрического поля, полученного подобным образом, заключается в электрофоретическом смещении частиц внутрь к центру зоны печати и действии наружной электрогидродинамической силы на жидкую фазу, вызванном поперечной составляющей расходящегося электрического поля Е₃. Как описано в нижеследующем примере, этот вариант осуществления изобретения будет функционировать, как предусматривалось, при всех потенциалах V₂, больших или равных потенциалу соединительной платы, однако второй электрод будет иметь большее воздействие, если соотношение его величины (V₂) к величине (V₁) первого электрода больше, чем соотношение радиуса отверстия (r₂) к радиусу сопла (r₁). В идеальном случае это соотношение должно быть V₂/V₁>2r₂/r₁ .

На упрощенной схематической диаграмме на фиг.5, не предназначенной для масштабирования, показаны главные компоненты одного варианта устройства струйной печати, представленного в изобретении. На фиг.5 резервуар 40 содержит определенное количество чернил 42, которые включают в себя жидкий разбавитель 10 и наночастицы пигмента 12, как описано выше. С резервуаром 40 соединено сопло 20, определенное у самого нижнего конца токопроводящей внутренней трубки 16, окруженной коаксиальной токопроводящей внешней трубкой 18, как описано выше со ссылкой на фиг.1. Во внутренней трубке 16 находится пьезоэлектрический или термический исполнительный механизм 44, соединенный со схемой управления 46 посредством проводника 48. Способом, известным специалистам, короткий электрический импульс передается исполнительному механизму 44, вызывая мгновенную деформацию (в случае пьезоэлектрического исполнительного механизма) или нагрев и испарение небольшого количества жидкого разбавителя 10 чернил (в случае термического исполнительного механизма) и таким образом выброс капли 50 чернил из сопла 20, определенного у открытого конца трубки 16.

Как лучше всего видно на увеличенной детали на фиг.5, распределение наночастиц пигмента 12 в жидком разбавителе 10 по существу является однородным, и таким образом распределение наночастиц внутри капли 50, по мере того как она появляется из сопла, по существу однородно. Однако, из-за воздействия электрических полей, образованных потенциалами V₁ и V₂, приложенными к трубкам 16 и 18, соответственно, из соответствующих источников напряжения, наночастицы пигмента 12 концентрируются электрофоретически в направлении центра капли по мере ее падения, как показано на падающей капле 52.

Пример 1

В предварительном примере смоделировали влияние включения электрофореза в процесс струйной печати с использованием отдельных капель, осажденных вручную на транзисторную контрольную структуру, как показано на фиг.3. Структура была образована на носителе 30, включающем полиметилметакрилат, и приняла форму полевого транзистора (FET Field Effect Transistor), имеющего электрод истока 32, электрод стока 34 и электрод затвора 36, осажденного на тонком диэлектрическом слое 38.

Для создания структуры транзистора были получены разбавленные маловязкие чернила без связующего путем диспергирования наночастиц кремния в воде тройной дистилляции. Наночастицы кремния были получены помолом в соответствии с процессом, описанным в патентной заявке ЮАР 2008/02727, озаглавленной "Способ получения терминизированных стабильным кислородом полупроводниковых наночастиц". Для обеспечения заряда на частицах, была приложена разность потенциалов в три вольта между электродами истока и затвора. Электрофоретическое смещение частиц в направлении положительного электрода показало, что заряд на частицах был отрицательным.

Уплотнение или концентрация частиц было достигнуто приложением положительного напряжению смещения в 20V к электроду затвора, подобным образом к игольчатому электроду вышеописанного второго варианта осуществления изобретения, с изолятором затвора 36, замещающим тонкий диэлектрический носитель 14. Потенциалы поддерживали до полного высушивания капли. Для сравнения было проведено осаждение тех же чернил на подобной структуре без электрических полей.

На фиг.4 показаны характеристики исток-сток двух транзисторов (т.е. идентичных транзисторов, полученных с приложенным потенциалом и без него в процессе осаждения) для разных приложенных потенциалов затвора. Нижняя кривая построена для транзистора, полученного без приложения потенциалов и верхняя кривая - для транзистора, полученного в соответствии со способом, предложенным в изобретении.

Первое важное отличие заключается в том, что электрические токи сток-исток в транзисторе, содержащем уплотненные наночастицы, более чем в десять тысяч раз больше, чем соответствующие токи в слое, осажденном без приложенного электрического поля. Во-вторых, подобное увеличение наблюдалось в токе сток-исток, который был переключен приложением напряжения смещения на затворе.

Пример 2

Была создана макроскопическая модель вышеописанного второго варианта осуществления изобретения с целью исследования электрофоретического и электрогидродинамического эффектов в ходе осаждения капли. В этой модели тупоконечную стальную иглу 23 калибра (0,6 мм), представляющую собой единичную трубку 16 на фиг.2, поместили на 1,5 мм выше твердой алюминиевой задней стенки, поддерживаемой при потенциале земли. Эта конфигурация эквивалентна фиксации потенциала V₂ на вспомогательном игольчатом электроде 24 и подложке 26 при потенциале земли. Поэтому полученное электрическое поле было однородным вдоль оси сопла и отклонялось при радиальных расстояниях больших, чем радиус сопла, тем самым фактически более напоминая конфигурацию поля, показанную на фиг.1, чем на фиг.2.

Разбавленные чернила с низкой вязкостью без связующего были получены диспергированием наночастиц кремния в воде тройной дистилляции. Наночастицы кремния были получены помолом кремниевых пластин р-типа в соответствии с процессом, описанным в патентной заявке ЮАР 2008/02727, озаглавленной "Способ получения терминизированных стабильным кислородом полупроводниковых наночастиц". На плохо абсорбирующих носителях, таких как обычная офисная бумага, капли одного размера, осажденные в этой системе, остаются в жидком виде в течение нескольких десятков минут, делая возможным перераспределение составных частей в чернилах. Поэтому для исследования распределения материала по мере осаждения капли предпочтительнее, чем использование электрофоретического движения нанопорошка кремния в стационарной жидкости на носителе, использовать в качестве материала носителя фильтровальную бумагу с высокой абсорбционной способностью.

Приложение отрицательного потенциала в 1,5 кВ к игле в ходе осаждения индуцировало как электрогидродинамические воздействия на жидкий разбавитель, так и электрофоретическое движение наночастиц кремния относительно жидкости. Оба этих воздействия иллюстрируются на фиг.6, которая представляет собой фотографию высушенных капель чернил, осажденных с приложением электрического поля и без него. Без приложения электрического поля капля (1) является крупной, и осажденный материал равномерно распределен. Когда к игле приложен электрический потенциал, водный разбавитель и, следовательно, капля притягиваются к носителю, что приводит к образованию более мелких капель у кончика иглы. Однако, что более важно, радиальный компонент электрического поля вызывает электрофоретическое движение частиц в капле в ходе осаждения и концентрацию твердого материала в центре капли (2).

Из-за крупных размеров экспериментальной модели к игле приходится прикладывать высокий электрический потенциал в сравнении с таковым, требуемым в двух вариантах осуществления изобретения. Номинальная напряженность электрического поля, требуемая для электрофоретического движения частиц в обоих примерах, имеет порядок 1 кВ/мм. При масштабировании до фактических размеров двух вариантов осуществления изобретения потребуются разности потенциалов между V₂ и V₁ и землей в диапазоне от 1 до 100 В и предпочтительно в диапазоне от 5 до 50 В.