不同纳米复合材料油墨的电流体动力学（EHD）打印技术的介绍
高科技设备的快速发展需要使用高分辨率和低成本的制造技术，如丝网印刷、转印、喷墨印刷和EHD喷墨打印等印刷技术，特别是EHD喷墨打印技术，由高压电场驱动的非接触式打印，具有高分辨率、卓越的精度、材料兼容性和成本效益。它可以使用由量子点、纳米线、石墨烯、聚合物和金属纳米颗粒等材料制成的功能墨水，即使在高粘度情况下也能直接在平面或曲面上打印详细的图案。RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统 RD-EHDJET® 可实现点径≥1μm，线宽≥0.5μm的图形和结构。EHD喷墨打印技术涉及使用由各种功能材料制成的基于溶液的油墨来打印各种结构，材料的物理和化学特性对功能性油墨在基材上的打印质量和打印效果都有重大影响。因此，本文从用于EHD喷墨打印的纳米复合材料入手，对EHD打印进行全面了解。
正文
EHD喷墨打印技术是通过在喷嘴尖端和基材之间使用电场力，使墨水产生泰勒锥来实现的，当泰勒锥内的库仑力超过功能性油墨的表面张力时，通过EHD在基材上打印高分辨率的连续喷射线或液滴如图1所示1a和b，使所得图案的分辨率高于1μm，这种方法能够生产出复杂的纳米/微米尺寸设计，详细原理可见睿度往期文章《Technology | 关于电流体动力学（EHD）喷墨打印的介绍》。
▲ 图1 EHD喷射打印的示意图和物理特性：（a）和（b）锥体射流模式和微滴落模式[2]；（c）作用在毛细管尖端上形成泰勒锥的力[3]
绝缘材料
绝缘材料的EHD喷墨打印受限于难以实现均匀图案和光滑表面。然而，Tang[4]等研究人员尝试了EHD打印绝缘材料，然后用来搭建电子器件，如栅极和薄膜晶体管（TFT）应用。当EHD将绝缘层完全打印覆盖在底部栅极（BGL）后，继续将顶部电极沉积在栅极绝缘层（GI）上，这个过程导致电容器的形成，如图2a和b。与传统的点胶工艺相比，即使长时间复杂打印，EHD也能打印出更精密的图案[2]。
半导体材料
EHD喷墨能够使有机和无机半导体应用于复杂和集成的高分辨率设备，如TFT应用的高分辨率锡酸锌（ZTO）半导体的图案化[9]，EHD打印的位置准确性和响应即时性优于旋涂和转印。在另一项研究中，如图2（d），EHD喷射打印应用于打印氧化铟（在In2O3）结构来制备具有良好电气特性的器件稳定性提高的 TFT，在塑料基板上成功制造了TFT，作为高k电介质时，其表现出～230 cm2/V.s 的出色迁移率。
导电材料
除了常规可用于EHD打印的具有导电性能的各种金属材料，如镍、金、铜、银和钯之外，石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳基材料已被探索为打印工艺的潜在选择。此外，聚丙烯酸（PAA）、聚己内酯（PCL）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）等导电聚合物也成为科学家们研究的重点。Thuy等人主要研究了EHD打印的铜（Cu）电极图案，该图案具有40μm的高分辨率，用于TFT应用，如图2（e）。在另一项研究中，通过使用银（Ag）电极的EHD喷射打印，制造了具有5μm高分辨率的接触式有机薄膜晶体管（OTFT）。OTFT能够产生高电流输出，因为印刷过程具有极强的可重复性，并且单个设备之间存在微小差异。所得的OTFT表现出有效的电荷传输，并促进了逻辑电路的发展。PSS电极用于在OTFT中产生卓越的电气特性，如图2（f）。
▲ 图2 不同材料的EHD打印：（a）和（b）EHD打印绝缘材料示意图和光学显微图像[5]；（c）EHD打印半导体锡酸锌图案打印的ZTO显微图像[6]；（d）EHD打印的半导体材料PMMA溶液液滴[7]；（e）EHD在不同载物台以1000至8000μm/s的速度打印导电材料铜浆的显微图像[4]；（f）使用导电材料聚苯乙烯磺酸盐在衬底（Si/SiO2）上制备具有各种功函数（WFs）的互补非门电极的制造工艺示意图[8]
生物材料
传统的打印应用于许多生物领域，但在打印生物材料时，分辨率很差。因此，通过EHD喷墨打印技术尝试各种生物材料（包括水凝胶、蛋白质和DNA）的高分辨率图案，增加单位区域内的点密度来提高打印生物材料的分辨率[10]。研究人员应用EHD打印在DNA微阵列表面创建具有纳升级液滴的DNA探针[11]，打印了各种复杂的单链和双链DNA构型，以开发基于适配体的生物传感器，能够促进通过荧光分析检测腺苷分子。Kim等人还研究了EHD喷射打印技术，该技术可在不影响细胞结构和功能的情况下将活细胞悬液沉积在表面上，保持细胞的完整性和功能[12]。EHD直接打印可以创建细胞粘附生物材料（如胶原蛋白）的3D结构，以及活细菌。文献中还报道了将活细胞与不同的生物材料，如水凝胶、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纳米纤维共同打印。
结语
本文介绍了各种功能性纳米复合材料作为EHD油墨在微纳领域的前瞻性利用，EHD技术允许不同种类、应用的纳米复合材料从到纳米到微米尺度上生产复杂图案，从而制造出具有高精度、广覆盖范围的MEMs器件，预计EHD技术在多个方面取得的进步将加速未来微纳印刷设备的商业化进展。
相关设备型号
RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统 RD-EHDJET®
RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统 RD-EHDJET®，是一套基于电流体动力学（electrohydrodynamic, EHD）原理的高精度纳米材料沉积喷墨打印系统。现有桌面式（RD-EHD100）、立式（RD-EHD200）和量产型（RD-EHD300）打印系统可供选择。
与传统的喷墨打印技术相比，EHD电流体喷墨打印技术可以完成再高精度、再精细图案的喷印，突破了现有喷印技术在高分辨率打印方面的局限，还可适应更大粘度范围（0.5~10000cps）的材料。
RD-EHDJET®，在对喷印分辨率要求高的印刷电子（如柔性电极、MEMS气体传感器等）、显示器件（如MicroLed、MiniLed等）、光学器件和微结构打印等领域都可以发挥准确准、稳定、快捷的作用。经RUIDU微纳制造及生命科学交叉实验测试中心打印测试，RD-EHDJET®可实现点径≥1μm，线宽≥0.5μm的图形和结构；适用于玻璃、PDMS、二氧化硅晶圆、PET等柔性聚合物、多孔基材、金属涂层表面、金属等基材。
RUIDU可持续为打印系统提供玻璃、金属、陶瓷等类型的适用喷头，以及经实际打印测试验证的推荐墨水等相关耗材。
▲ 图a RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统制备的气体传感器敏感材料膜层，沉积区域：200×200μm
▲ 图b RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统打印的红、绿量子点MicroLed，像素坑尺寸：65×75μm
▲ 图c RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统打印的柔性印刷电子电路，min-width：10μm（参照物：五角硬币）
▲ 图d RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统打印的柔性印刷电子电路，min-width：2.3μm（参照物：回形针）
参考文献：
[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喷墨打印技术是通过在喷嘴尖端和基材之间使用电场力，使墨水产生泰勒锥来实现的，当泰勒锥内的库仑力超过功能性油墨的表面张力时，通过EHD在基材上打印高分辨率的连续喷射线或液滴如图1所示1a和b，使所得图案的分辨率高于1μm，这种方法能够生产出复杂的纳米/微米尺寸设计，详细原理可见睿度往期文章《Technology | 关于电流体动力学（EHD）喷墨打印的介绍》。
绝缘材料
绝缘材料的EHD喷墨打印受限于难以实现均匀图案和光滑表面。然而，Tang[4]等研究人员尝试了EHD打印绝缘材料，然后用来搭建电子器件，如栅极和薄膜晶体管（TFT）应用。当EHD将绝缘层完全打印覆盖在底部栅极（BGL）后，继续将顶部电极沉积在栅极绝缘层（GI）上，这个过程导致电容器的形成，如图2a和b。与传统的点胶工艺相比，即使长时间复杂打印，EHD也能打印出更精密的图案[2]。
半导体材料
EHD喷墨能够使有机和无机半导体应用于复杂和集成的高分辨率设备，如TFT应用的高分辨率锡酸锌（ZTO）半导体的图案化[9]，EHD打印的位置准确性和响应即时性优于旋涂和转印。在另一项研究中，如图2（d），EHD喷射打印应用于打印氧化铟（在In2O3）结构来制备具有良好电气特性的器件稳定性提高的 TFT，在塑料基板上成功制造了TFT，作为高k电介质时，其表现出～230 cm2/V.s 的出色迁移率。
导电材料
除了常规可用于EHD打印的具有导电性能的各种金属材料，如镍、金、铜、银和钯之外，石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳基材料已被探索为打印工艺的潜在选择。此外，聚丙烯酸（PAA）、聚己内酯（PCL）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）等导电聚合物也成为科学家们研究的重点。Thuy等人主要研究了EHD打印的铜（Cu）电极图案，该图案具有40μm的高分辨率，用于TFT应用，如图2（e）。在另一项研究中，通过使用银（Ag）电极的EHD喷射打印，制造了具有5μm高分辨率的接触式有机薄膜晶体管（OTFT）。OTFT能够产生高电流输出，因为印刷过程具有极强的可重复性，并且单个设备之间存在微小差异。所得的OTFT表现出有效的电荷传输，并促进了逻辑电路的发展。PSS电极用于在OTFT中产生卓越的电气特性，如图2（f）。
生物材料
传统的打印应用于许多生物领域，但在打印生物材料时，分辨率很差。因此，通过EHD喷墨打印技术尝试各种生物材料（包括水凝胶、蛋白质和DNA）的高分辨率图案，增加单位区域内的点密度来提高打印生物材料的分辨率[10]。研究人员应用EHD打印在DNA微阵列表面创建具有纳升级液滴的DNA探针[11]，打印了各种复杂的单链和双链DNA构型，以开发基于适配体的生物传感器，能够促进通过荧光分析检测腺苷分子。Kim等人还研究了EHD喷射打印技术，该技术可在不影响细胞结构和功能的情况下将活细胞悬液沉积在表面上，保持细胞的完整性和功能[12]。EHD直接打印可以创建细胞粘附生物材料（如胶原蛋白）的3D结构，以及活细菌。文献中还报道了将活细胞与不同的生物材料，如水凝胶、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纳米纤维共同打印。
结语
本文介绍了各种功能性纳米复合材料作为EHD油墨在微纳领域的前瞻性利用，EHD技术允许不同种类、应用的纳米复合材料从到纳米到微米尺度上生产复杂图案，从而制造出具有高精度、广覆盖范围的MEMs器件，预计EHD技术在多个方面取得的进步将加速未来微纳印刷设备的商业化进展。
相关设备型号
RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统 RD-EHDJET®
RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统 RD-EHDJET®，是一套基于电流体动力学（electrohydrodynamic, EHD）原理的高精度纳米材料沉积喷墨打印系统。现有桌面式（RD-EHD100）、立式（RD-EHD200）和量产型（RD-EHD300）打印系统可供选择。
与传统的喷墨打印技术相比，EHD电流体喷墨打印技术可以完成再高精度、再精细图案的喷印，突破了现有喷印技术在高分辨率打印方面的局限，还可适应更大粘度范围（0.5~10000cps）的材料。
RD-EHDJET®，在对喷印分辨率要求高的印刷电子（如柔性电极、MEMS气体传感器等）、显示器件（如MicroLed、MiniLed等）、光学器件和微结构打印等领域都可以发挥准确准、稳定、快捷的作用。经RUIDU微纳制造及生命科学交叉实验测试中心打印测试，RD-EHDJET®可实现点径≥1μm，线宽≥0.5μm的图形和结构；适用于玻璃、PDMS、二氧化硅晶圆、PET等柔性聚合物、多孔基材、金属涂层表面、金属等基材。
RUIDU可持续为打印系统提供玻璃、金属、陶瓷等类型的适用喷头，以及经实际打印测试验证的推荐墨水等相关耗材。
▲ 视频 RUIDU EHD电流体动力喷墨打印系统打印叉指电极
参考文献：
[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).
