Dalias Towouo*, Janvier 2015Weiterentwicklung des Aerosol-Jet-Druckverfahrens Für einen Einsatz des Aerosol-Jet-Druckverfahrens in der Massenproduktion ist es wichtig alle Einflussparameter zu identifizieren. Bis jetzt wurde das Verfahren nur empirisch beschrieben. Um das Verfahren weiterzuentwickeln wird eine Modellierung und Simulation durchgeführt. Der Einfluss der Zerstäubung auf das Druckergebnis und die Ergebnisse der Simulation werden experimentell untersucht. 1. Das Aerosol-Jet-Druckverfahren Das Aerosol-Jet-Druckverfahren wird zur funktionellen Beschichtung von Substratoberflächen angewandt. Die Möglichkeit mit diesem Verfahren 3D Strukturen zu drucken ist einzigartig. Das kontaktlose Verfahren erlaubt die Beschichtung von druckempfindlichen Substraten. Der Einsatz des Aerosol-Jet-Druckverfahrens in der Solarzellen Herstellung sowie in der gedruckten Elektronik ist viel versprechend. Das AerosolDruckverfahren kann in vier Verfahrensschritten unterteilt werden: • • • • die Zerstäubung der Tinte die Konditionierung die Fokussierung die Abscheidung wie im Grundfließbild (Abb. 1) dargestellt. Prozessgas Tinte Zerstäubung Aerosol Konditionierung Aerosol geringere Dichte und Tröpfchengröße Aerosol mit höheren Tröpfchendichte und schweren Tröpfchen Fokussierung Fokussiergas Fokussiertes Aerosol im freien Raum Abluft Abscheidung auf den Substrat Abb. 1: Grundfließbild des Aeros ol-Jet-Druckverfahrens Bei der Zerstäubung entsteht ein 3-Phasen-Aerosol aus festen flüssigen und gasförmigen Teilchen. Es wird angestrebt, ein monodisperses Aerosol zu erzeugen. Bei einem monodispersen Aerosol haben die Tröpfchen annähend die gleiche Oberfläche, die gleiche Masse und das gleiche Volumen. Demzufolge hat man den Vorteil, dass die Kräfte, die auf jedes Teilchen wirken nahezu gleich sind. Ein monodisperses Aerosol ist deswegen leichter zu leiten, zu fokussieren und auf den Substrat abzuscheiden, als ein polydisperses Aerosol. Da die Erzeugung eines monodispersen Aerosols mit einem Collison-Zerstäuber (pneumatischen Zerstäuber) nicht möglich ist, muss eine Konditionierung des Aerosols erfolgen. Bei der Konditionierung wird das Aerosol so konditioniert, dass die Tröpfchendurchmesser des Aerosols nahezu alle gleich sind. Der Sauterdurchmesser wird dabei falls erforderlich angepasst. Eine Möglichkeit die Konditionierung zu realisieren ist die Benutzung einer beheizbaren Virtual impactor. Beim Virtual impactor wird die höhere Trägheit der größeren und schweren Tröpfchen ausgenutzt, um sie von den kleinen und leichteren Tröpfchen zu trennen. Ein soweit möglichst größter Anteil der kleinen Tröpfchen wird dem Aerosolstrom entzogen und es resultiert daraus eine bessere angepasste Tröpfchengrößenverteilung des Aerosols. Dieser Verfahrensschritt führt dazu, dass ein Teil der Tinte dem System entzogen wird und verloren geht, wenn es in das System nicht zurückgeführt bzw. anders verwerten werden kann. Einschließend erfolgt die Fokussierung. Für eine gute Fokussierung müssen das Aerosol, die Geometrie des Druckkopfs und das Fokussiergas bestimmte Charakteristiken aufweisen. Die Anforderung an die Fokussierung ist es, den Aerosolstrom auf einen möglichst kleinen Durchmesser zu reduzieren und dabei soll auch das 1 Dalias Towouo*, Janvier 2015 Verstopfen der Düse durch Anlagerung der Tinte an die Wände vermieden werden. Deshalb wird das Fokussiergas dazu benutzt, die Kondensation an die Wände zu vermeiden und um einen Beitrag bei der Kontraktion des Aerosolsstrahls zu leisten. Nach der Fokussierung erfolgt die Abscheidung des Aerosols auf dem Substrat. Bei der Abscheidung ist darauf zu achten, dass kein Overspray entsteht. Mit dem Overspray bezeichnen wir, den Anteil der Tinte, der sich außerhalb des bedruckten Finger befindet. Dieses Overspray kann durch eine schlechte Fokussierung oder eine schlechte Abscheidung verursacht sein. Um zu schätzen, wie sehr ein Tröpfchen, vor dem Anprall mit dem Substrat, von der Strömung abgelenkt wird, gibt es nach [RKGS07] eine Stockes-Zahl. Die Lautet: 𝑆𝑡𝑘 = 𝜌𝑃∙𝐶𝑐∙𝑑2𝑃 ∙𝐶 9∙𝜂∙𝑑𝐷ü𝑠𝑒 (Gl. 1) 𝜌𝑃ist die dichte des Partikels/Tröpfchen 𝑑𝑃 ist der Durchmesser des Partikels deshalb werden wir versuchen, sie besser zu verstehen, um die daraus resultierenden Erkenntnisse für eine gute Fokussierung zu nutzen. 2. Modellierung und Simulation der Fokussierung Physikalisches Modell Die Fokussierung ist das Anlegen einer zylindrischen Hülle um den Aerosolstrahl mit der anschließenden Strahlkontraktion auf einen geringeren Durchmesser. Die Umhüllung geschieht mit einem Fokussiergas. Es werden folgende Annahme getroffen: • • • • Die Strömung ist zweiphasig aus gas und Aerosol Tröpfchen Die Strömung ist inkompressibel Die Strömung verlauft laminar Es handelt sich um ein ideales umhülltes Aerosol: Kein Stoffaustausch zwischen das Aerosol (2‘) und das Fokussiergas (1). Siehe Skizze! 𝐶ist die Geschwindigkeit der Strömung 𝜂ist die Dynamische Viskosität des strömenden Fluid 𝑑𝐷ü𝑠𝑒 ist der Durchmesser der Düse 𝐶𝑐 ist der Slip Korrekturfaktor Diese Stockes-Zahl stellt das Verhältnis der kinetischen Energie zur Reibungsenergie dar. Der Slip Korrekturfaktor 𝑪𝒄 berücksichtigt die Tatsachen, dass bei einer Partikelumströmung das Fluid nicht mehr als ein Kontinuum betrachtet werden kann, wenn die freie weg Länge der Molekülen nicht mehr ausreichend kleiner ist als der Durchmesser des Partikels. In dem Fall gilt die Haftbedingungen auf den Partikel nicht mehr und die Widerstandskraft muss korrigiert werden. Andererseits wenn ein Tröpfchen/Partikel die Oberfläche trifft muss eine weitgehende Dissipation der kinetischen Energie erfolgen, damit die sich bildende Haftkräften (Flüssigkeit Brücke, Van-der-Waal…) dominieren, und dass einen Rückprall vermieden wird [Sch03]. Für ein gutes Druckergebnis ist es wichtig jede wichtige Parameter zu identifizieren. Ein wichtiger Teil des Druckverfahrens ist die Fokussierung, Abb. 2: Ski zze des Aerosol-Druckkopfs Mathematisches Modell Wenn man die beiden Ströme getrennt betrachtet, gilt nach der Kontinuitätsgleichung für inkompressible Fluide: ̇ = 𝑉1𝑎 ̇ ̇ = 𝑉̇2´𝑎 𝑢𝑛𝑑 𝑉1𝑒 𝑉2´𝑒 Mit 𝑉̇ = 𝐴 ∙ 𝐶 = 𝜋∙𝑑2 4 ∙𝐶 (Gl. 2) (Gl. 3) 2 Dalias Towouo*, Janvier 2015 → 𝑉̇ 2´𝑎 𝑉̇1𝑎 = 𝑉̇ 2´𝑒 ̇ 𝑉1𝑒 ↔ 𝐴2´𝑎 𝐴 1𝑎 = 𝑉̇ 2´𝑒 𝐶1𝑎 ∙ 𝑉̇1𝑒 𝐶2´𝑎 (Gl. 4) Mit 𝑉̇2´𝑒 und 𝑉̇2´𝑎 den Volumenströmen des Aerosols (𝟐´) an der ebene e und der Ebene a, ̇ und 𝑉1𝑎 ̇ den Volumenströmen des 𝑉1𝑒 Fokussiergases an der ebene e und der Ebene a, (Siehe Abb. 2) berechnen, da für die Berechnung die radiale Geschwindigkeitsverteilung in der Fokussierdüse, sowie der Durchmesser des Aerosol zuerst bekannt sein müsste. Es gilt: 𝑉̇ 2´𝑒 𝑉̇1𝑒 = A2´𝑒 ∙C2´𝑒 Aus (Gl. 12) und (Gl. 15) folgt: C repräsentiert die mittleren Geschwindigkeiten und d der Durchmesser. Es ist möglich, einen mathematischen Ausdruck des Durchmessers des Aerosols aus den Querschnittflächenverhältnissen der Strömungen am Austritt herzuleiten. Es gilt nämlich: 𝐴 2´𝑎 𝐴 1𝑎 = d22´𝑎 (Gl. 5) d2𝑎 −d22´𝑎 Mit 𝑑𝑎 dem Austrittdurchmesser des Fokussierdüse und 𝑑2´𝑎 dem Durchmesser des Aerosol am Austritt der Fokussierdüse Aus (Gl. 4) und (Gl. 5) folgt: 𝑉̇ 𝑉̇2´𝑒 𝐶1𝑎 𝐶1𝑎 d22´𝑎 2 �1 + 2´𝑒 � = ∙ → d ∙ 2 2´𝑎 2 ̇ ̇ d𝑎 − d2´𝑎 𝑉1𝑒 𝐶2´𝑎 𝑉1𝑒 𝐶2´𝑎 𝑉̇2´𝑒 𝐶1𝑎 � = d2𝑎 � ̇ ∙ 𝑉1𝑒 𝐶2´𝑎 → 𝑑2´𝑎 = 𝑑𝑎 � 𝑉̇2´𝑒 𝐶1𝑎 ∙ 𝑉̇1𝑒 𝐶2´𝑎 𝑉̇2´𝑒 𝐶1𝑎 1+ 𝑉̇ ∙𝐶 1𝑒 2´𝑎 (Gl. 6) (Gl. 7) A1𝑒 ∙C1𝑒 𝑑2´𝑎 = 𝑑𝑎 � 1 A2´𝑒 ∙C2´𝑒 𝐶1𝑎 ∙ A1𝑒 ∙C1𝑒 𝐶2´𝑎 A2´𝑒 ∙C2´𝑒 𝐶1𝑎 1+ A ∙C ∙ 1𝑒 1𝑒 𝐶2´𝑎 𝑑𝑎� A1𝑒∙C1𝑒 = 𝑑𝑎 1 1 �A2´𝑒∙C2´𝑒 𝐶 ∙ 2´𝑎 +1 A2´𝑒 ∙C2´𝑒 𝐶1𝑎 𝐶 ∙ 1𝑎 A1𝑒 ∙C1𝑒 𝐶2´𝑎 +1 = (Gl. 8) Nach dem zweiten Helmholtz Wirbelsatz kann bei Abwesenheit von Reibungen ein Wirbel weder erzeugt noch vernichtet werden [Sza00]. Damit das Fokussiergas das Aerosol umhüllt, ohne Wanderung der Aerosolpartikeln in das Fokussiergas, soll das Fokussiergas die gleiche mittlere Geschwindigkeit haben wie das Aerosol. Sind die Geschwindigkeiten unterschiedlich, so erfahren die Aerosolpartikel an die Grenzfläche des Strahls Kräfte(Reibungskräfte), die Verwirbelungen verursachen können. Die Anwesenheit von Wirbel bewirkt die Mischung vom Aerosolstrom mit dem Fokussiergasstrom, was ein schlechtes Druckbild als Folge hat. Die Gasflüsse sollten also eingestellt werden, so dass es gilt 𝐂𝟐´𝒆 𝐂𝟏𝒆 =𝟏 𝑉̇ 2´𝑒 𝑉̇1𝑒 = (Gl. 9) Daraus folgt: A2´𝑒 (Gl. 10) A1𝑒 Aus die (Gl. 8) und (Gl. 9) folgt: Nach (Gl. 6) erkennt man, dass sowohl der Austrittdurchmesser der Fokussierdüse als auch 𝑉̇2´𝑒 das Verhältnis ̇ der Volumenströme vom 𝑉1𝑒 Aerosol und Fokussiergas für die Fokussierung wichtig sind. Es ist nicht möglich das mittlere 𝐶 Geschwindigkeitsverhältnis 𝐶 1𝑎 des Aerosols zum 2´𝑎 Fokussiergas am austritt (Siehe Abb. 2) zu 1 𝑑2´𝑎 = 𝑑𝑎 � A1𝑒 𝐶2´𝑎 A2´𝑒 ∙𝐶 1𝑎 +1 (Gl. 11) Mit der Gleichung (Gl. 11) kann man bei der Konzipierung einen neuen Druckkopf den Einfluss 𝐀 des Verhältnisses 𝟏𝒆 auf die Breite der 𝐀𝟐´𝒆 gedruckten Linien vorhersagen. Eine Vergrößerung 3 Dalias Towouo*, Janvier 2015 des Verhältnis A1𝑒 A2´𝑒 der Querschnittfläche der Fokussiergasleitung zur Querschnittfläche der Aerosolsleitung an der ebene e führt zu einer Verringerung des Austrittsdurchmessers des Aerosolstrahls. Diese Tatsache muss schon bei der Konzipierung von Druckköpfen mitberücksichtigt werden. Faktor 2 gewählt werden. Wichtig ist allerdings, dass das dadurch entstehende Overspray noch erträglich ist. Eine Simulation wurde mit Ansys-Fluent durchgeführt um den Einfluss der Querschnittflächenverhältnisse von Fokussiergas und Aerosol am Übergang zu beobachten. Betrachtet man die gesamte Strömung dann gilt nach der Kontinuitätsgleichung: ̇ = V̇ ̇ + 𝑉2´𝑒 𝑉1𝑒 3,01 (Gl. 12) Aus (Gl. 12) und (Gl. 10)folgt: 𝑉̇ 2´𝑒 ̇ 𝑉1𝑒 A2´𝑒 = A1𝑒 � ̇ + 𝑉̇2´𝑒 = V̇ 𝑉1𝑒 Wobei A2´𝑒 A1𝑒 9,72 (Gl. 13) aus der Geometrie bekannt ist und 𝑉̇ aus Erfahrungswerte gewonnen werden kann. 𝑉̇ ist eigentlich ein wichtiger Wert für die Abscheidung auf dem Substrat, da damit die mittlere Austrittgeschwindigkeit des Aerosolsstrahls festgelegt wird. Durch das Lösen der (Gl. 13) ist es möglich den Volumenstrom 𝑉̇2´𝑒 des Aerosols nach dem ̇ des Impaktor und den Volumenstrom 𝑉1𝑒 Fokussiergases voraus zu berechnen. Aus (Gl. 19) folgt: ̇ = 𝑉1𝑒 A1𝑒 A2´𝑒 A1𝑒 +1 A2´𝑒 𝑉̇2´𝑒 = A1𝑒 +1 A2´𝑒 Und 1 Abb. 3 von oben na ch Unten 3,01 und 9,72 Quers chni ttflä chenverhäl tnis a m Überga ng der Fokussierdüse. In den Abbil dungen wurde die Pa rtikel Masse Konzentra tion hervorgehoben Die Simulation wurde ohne Schlupf durchgeführt. Dabei wurde folgendes Modell eingestellt. Strömung Energie Cunningham Korrektur Wall Modell Laminar Muliphase, Eulerian, DPM 0,017 trap V̇ (Gl. 14) Aus den Ergebnissen ist zu sehen, dass ein größeres Querschnittflächenverhältnisse von Fokussiergas und Aerosol am Übergang zu einer besseren Kontraktion des Aerosolstrahls führt. V̇ (Gl. 15) Aufgrund dieser Ergebnisse wurde ein neues Druckverfahren: das Fokussaktive-AerosolDruckverfahren (FAD-Verfahren) entwickeln. Ein neuer Druckkopf wurde entwickeln um das Fokussaktive-Aerosol-Druckverfahren (FADVerfahren) bei der funktionelle Beschichtung optimal zu nutzen. Bei diesem neuen Verfahren wird die Fokussierung zusätzlich durch die Variation des Querschnittsflächenverhältnis vom Aerosol und Fokussiergas am Übergang beeinflusst [TGKB14], wobei die Volumenströmen des Mit den Gleichungen (Gl. 14) und (Gl. 15) ist es möglich, aus einer bekannten Druckkopfgeometrie die Volumenströme des Fokussiergas und des Aerosols nach dem Virtual Impaktor im Voraus zu berechnen, um ein gutes Druckbild zu bekommen. Bei der mit den Gleichungen (Gl. 14) und (Gl. 15) eingestellte Volumenströme verlauft die Fokussierung ohne Schlupf. Erfahrungsgemäß kann ein Schlupf bis zum 4 Dalias Towouo*, Janvier 2015 Aerosols und Fokussiergas Anhand der Gleichungen (Gl. 14) und (Gl. 15) geregelt werden. Einfluss des Querschnittflächenverhältnisses am Übergang auf die Fingerbreite. 3. In diesem Experiment benutzen wir 2 Druckköpfe: Einen mit einem Querschnittflächenverhältnis von 3,01, und einen neuen gemäß das FAD-Verfahren entwickelten Druckkopf (Abb. 6) mit einem stufenlosen variablen Querschnittflächenverhältnis von 1,51 bis 9,72. Experimente und Ergebnissen Für die Zerstäubung wurde der Collison-Zerstäuber gewählt. Der Collison-Zerstäuber funktioniert nach dem Venturi-Prinzip wie in der Abbildung… dargestellt. Einfluss der Zerstäubungsstrom auf die Fingerbreite In diesem Experiment wurde der Einfluss der Zerstäubungsstrom (Trägergasstrom) auf das Druckbild untersucht. Dabei wurde der Aerosolstrom, der in Druckkopf gelangt immer konstant gehalten. Dafür wurde am Virtual Impaktor immer der entsprechende Aerosolstrom abgezogen. Die benutzte Tinte enthält Silberpartikel und es wurde monokristalline Silicium Wafer als Substrat benutzt. Es ist zu beobachten, dass je höher der Zerstäubungsstrom ist, desto größer die Fingerbreite. Abb. 5 Ei nfluss der Zers täubungss trom (Trä gergasstrom) auf die Fingerbrei te bei glei chem Aeros olstrom zum Druckkopf Trennscheibe für die Variation des Querschnittsflächenverhältnisses Abb. 4 Pneuma tischer Zers täuber [MRHG07] Abb. 6 Druckkopf für das FAD-Verfahren [TGKB14] Folgenden Verhältnissen wurden eingestellt: 4,14 7,33 und 9,72. Nach dem Drucken wurde die Fingerbreite durch Bildaufnahme am Mikroskop analysiert. Die Ergebnisse (Abb. 9) zeigen, dass die Erhöhung des Querschnittflächenverhältnisses des Fokussiergases zur Aerosol am Übergang zur Reduzierung der Fingerbreite führt. Abb. 7 und Abb. 8 zeigen zwei gedruckte Finger mit verschiedenen Druckköpfen. Abb. 7 Gedruckte Finger (39 µm Brei te) mit ei nem Quers chni ttsflä chenverhältnis von 9,72 a m Übergang Aerosol -Fokussiergas 5 Dalias Towouo*, Janvier 2015 um 225% führt zur Reduzierung der gedruckten Linienbreite um einige Prozent. Es ist zu erwarten, dass eine weitere Erhöhung des Verhältnisses weiter zu einer besseren Fokussierung führt. Abb. 8 Gedruckte Finger (55 µm Brei te) mit ei nem Quers chni ttsflä chenverhältnis von 3,01 a m Übergang Aerosol -Fokussiergas A2´𝑒 A1𝑒 Das Verstellen des Flächenverhältnisses ermöglicht beispielsweise durch Änderung der Eintauchtiefe in den Übergangsbereich oder durch Ändern der Durchmesser von Druckdüse und/oder Aerosolröhrchen eine Anpassung der Linienbreite um 30 % oder mehr. Somit können unterschiedliche Linienbreiten mit einem Druckkopf und damit mit geringen Rüstzeiten hergestellt werden. [TGKB14] Außerdem ermöglichen uns die Gleichungen 14 und 15, die Einstellung der Volumenströme am Druckkopf für eine gute Fokussierung ohne Zeitaufwendige und Kostspielige Experimenten herauszufinden. Abb. 9 Ei nfluss der Quers chni ttsflä chenverhäl tnis a m Überga ng Aerosol -Fokussiergas auf die Fingerbrei te [TGKB14] 4. Schlussfolgerung Es wurde durch Strömungsmodellierung und Simulation gezeigt, dass die Verringerung des Durchmessers des austretenden Aerosolstrahls aus der Fokussierdüse erreicht werden kann, wenn das Querschnittsflächenverhältnis des Fokussiergases zum Aerosol an der Übergangsebene vergrößern wird. Ein Nachfolgendes Experiment hat dies bestätigt. Bei der Konzipierung von Druckköpfen sollte, deshalb das Querschnittflächenverhältnis der Fokussiergasleitung zu der Aerosolleitung maximiert werden, um schmalere Linien drucken zu können, wie die (Gl. 11) es verdeutlicht. Eine A Erhöhung des Querschnittsflächenverhältnis A2´𝑒 1𝑒 Es stellte sich auch heraus, dass die Breite der gedruckten Linien bei einem pneumatischen Zerstäuber vom Zerstäubungsstrom abhängig ist. Dies kann durch den Einfluss der Zerstäubungsstrom auf die Tröpfchengrößeverteilung des Aerosols erklärt werden. Der Versuch den Aerosolstrom durch Erhöhung des Volumenstroms des Prozessgases zu steigen, führt zu einer Verschlechterung des Druckbildes. Diese Verschlechterung kommt zum Stand, weil das Aerosol viel mehr Tröpfchen unterhalb der kritischen Tröpfchen Durchmesser enthält. Deshalb sollte, wenn man den Aerosoldurchsatz, bei einem mit pneumatischem Zerstäuber durchgeführten Prozess, erhöhen will, an einer parallelen Schaltung von mehreren Zerstäubern gedacht werden. Diese Arbeit ermöglicht uns, durch das Fokussaktive-Aerosol-Druckverfahren feinere Linien zu drucken. Es ist auch möglich die Linienbreitre, während des Prozess, ohne großen Aufwand und Qualitätsverlust zu variieren. Die Prozessfindung wird auch leichter und die Suche nach der Ursache eines schlechten Druckbildes wird vereinfacht. Damit ist einen erheblichen Schritt für die Benutzung des Verfahrens in der Massenproduktion gemacht worden. 6 Dalias Towouo*, Janvier 2015 Die vorliegende Arbeit wurde am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE durchgeführt. Der Autor bedankt sich beim Fraunhofer-ISE für die materielle und finanzielle Unterstützung. *Na chri chten an Dalias Towouo:
[email protected] Literatur [TGKB14] Towouo W. Dalias, M. Glatthaar, K. Krüger, S. Binder: Druckkopf, Bausatz und Druckverfahren Patent, Nr. DE 102013205683 A1, 2014 [RKGS07] Michael J. Renn, Bruce H. King, Manampathy G.Giridharan, Jyh-Scherng Sheu: Patent, Nr. US2007/0181060 A1, 2007 [Sch03] Heinrich Schubert: Handbuch der Mechanischen Verfahrenstechnik WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim 2003 [Sza00] Istvan Szabo: Höhere Technische Mechanik Springer Berlin Heidelberg 2000 [MRHG07] A. Mette, P. L. Richter, M. Hörteis und S. W. Glunz: Metal Aerosol Jet Printing for Solar Cell Metallization in Progress in photovoltaics, 2007. DOI: 10.1002/pip.759 7