A coffee-ring effect is from capillary flow by different evaporation rate across the droplet. The capillary flow tends particles to accumulate at the edges of the droplet and makes the ring-shaped stain pattern. These coffee-ring formation and suppression of coffee-ring have been a critical role in printing and coating technologies. In this study, we present the experimental study on coffee-ring effect of silver nanowire inside the evaporating sessile droplet. Size and concentration effect of nanowires at coffee-ring effect has been investigated. From the coffee-ring, we observed the regimes of connected rings and disconnected ones and measure the resistivity of single ring pattern with different nanowire length.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2009.06a
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pp.171-171
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2009
We have investigated the impact of coffee ring effect on the inkjet-printed $Al_2O_3$ thick films. In a single solvent system such as Dimethylformamide, the coffee-ring-pattern has appeared on the edge of sessile drop after evaporation. The peak-to-valley height difference in $Al_2O_3$ coffee ring is over 2um. This non-uniform deposition of $Al_2O_3$ over the surface leads to sever surface roughness of the inkjet-printed films. However, we have manipulated our printing parameters to improve the surface roughness and the packing density of the printed $Al_2O_3$ films. Our inkjet-printed $Al_2O_3$ films show 10 times smoother surface than the initially printed sample's surface. Also the packing density of the printed Ah03 film becomes 70% of high packed $Al_2O_3$. In this presentation, we would like to present the key process parameters of the inkjet printing process to overcome the genetic coffee ring problem.
Inkjet technology have many merits in plenty of industrial applications. However, deposited droplet has a very critical issue that is coffee ring effect, for the application to an industrial manufacturing process. To remove the coffee ring effect, the effect of thermal treatment conditions on shapes of inkjet printed silver patterns were investigated in various surface condition. The surface changes were characterized by the contact angle measurement. Droplets from a 50 ${\mu}m$ nozzle were printed on the substrate after optimizing the ejection of individual droplets. Ink with a high boiling point of main solvent results in coffee ring effect. This result implies that the dominant factor that determines the shape of droplet is the drying conditions of main solvent of silver nanoparticle colloidal ink. As a results, selecting a proper thermal treatment conditions is very crucial for better shapes of inkjet printed silver nanoparticle colloidal patterns.
Inkjet technology has various merits as a direct patterning process in plenty of industrial applications, but critical issue such as coffee ring effect should be overcome for the application to an industrial manufacturing process. In this paper, we introduced the morphological analysis of inkjet printed pattrerns on the characristics of inks and substrates. In case of Triethlene Glycol Monoethly Ether based ink, the coffee ring effect was observed. However, an ethanol based ink showed the round shaped morphology under the same printing conditions and surface conditions. An ink consisted of the solvent with high boiling point results in coffee ring effect. This experimental results showed that the morphological change of the printed droplet is caused by the main solvent of ink, rather than the metal content, viscosity and surface tension.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2009.11a
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pp.99-99
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2009
Two different micro-flows during the evaporation of ink droplets were achieved by engineering both surface tension gradient and compositional gradient across the ink droplet: (1) Coffee-ring generating flow resulting from the outward flow inside the ink droplet & (2) Marangoni flow leading to the circulation flow inside the ink droplet. The surface tension gradient and the compositional gradient in the ink droplets were tailored by mixing two different solvents with difference surface tension and boiling point. In order to create the coffee-ring generating flow (outward flow), a single-solvent system using N,N-dimethylformamide with nano-sized spherical alumina particles was formulated, Marangoni flow (circulation flow) was created in the ink droplets by combining N,N-dimethylformamide and fotmamide with the spherical alumina powders as a co-solvent ink system. We have investigated the effect of these two different flows on the formation of ceramic films by inkjet printing method, The packing density of the ceramic films printed with two different ink systems (single- and co-solvent systems) and their surface roughness were characterized. The dielectric properties of these inkjet-printed ceramic films such as dielectric constant and dissipation factor were also studied in order to evaluate the feasibility of their application to the electronic ceramic package substrate.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.7
s.250
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pp.663-670
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2006
The presented study aims to investigate the colloidal droplet deposition caused by evaporation of the liquid. In the numerical analysis, the evaporation is carried out by using different evaporation function intended to obtain different shape of solute deposition. In the experiment, the colloidal droplets of different solvents are placed on a glass plate and the surface profiles are measured after drying the solvents of the droplets to investigate the effect of the solvent evaporation on the final deposition profile. Comparing the surface profiles obtained under different conditions, the optimum drying conditions of colloidal droplets are, determined to obtain uniform surface profiles. The numerical results showed that ring-shaped deposition of solute was formed at the edge of the droplet due to the coffee stain effect and the height of the ring was reduced at the lower evaporation rate. The experiments showed that the boiling point of a solvent was critical to the surface uniformity of the deposition profile and the mixture of solvents with different boiling points influenced the uniformity as well.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2009.11a
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pp.80-80
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2009
$BaTiO_3$ has high permittivity so that has been applied to dielectric and insulator materials in 3D system-level package integration. In order to achieve excellent performance of device, the $BaTiO_3$ layer should be highly dense. In this study, $BaTiO_3$ thick films were prepared by the inkjet printing method using 4 vol.% $BaTiO_3$ colloidal inks and cured at $28^{\circ}C$ for 5 h after infiltration of polymer resin for non-sintered process using 3 vol.% cyanate ester emulsion ink. From the obtained results. packing density was determined to be improved by overlapping rabbit ears which were generated by coffee ring effect. We also calculated the packing densities of the films and correlated these packing densities to the measured permittivity of the films.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2010.06a
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pp.272-272
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2010
We have fabricated alumina thick films by inkjet printing technology. Two different types of ink system were formulated in order to understand their evaporation behaviors and their evaporation effects on the powder distribution on, the surface during inkjet-printed alumina thick films. Single solvent system was formulated with N,N-dimethylformamide(DMF), which led to coffee ring effects which non-uniformly distributed alumina particles on the substrate during the ink evaporation. However, Co-solvent system which consists of both Water and DMF produced relatively uniform distribution of the particles on the substrate. We believe that these two different distributions of alumina particles are attributed to the ink fluid flow directions in the ink droplets ejected from the different ceramic ink system. We have modulated inkjet parameters such as dot-to-dot distance, line-to-line distance, jetting velocity and jetting drop size in order to find out the optimum condition for the printing of alumina thick films from two different ink systems. The surface roughness, microstructures and dielectric properties of these inkjet-printed alumina thick films were investigated.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2010.06a
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pp.332-332
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2010
We have successfully demonstrated the inkjet printing method to create $Al_2O_3$ films withouWe have successfully demonstrated the inkjet printing method to create $Al_2O_3$ films without a high temperature sintering process. In order to remove the coffee ring effect in the ink drop, we have introduced a co-solvent system in order to create Marangoni flow in the ink drop, which leads to the dense packing of ceramic powders on the substrate during inkjet process. The packing density of the Inkjet-printed $Al_2O_3$ films is around 60% (max. 70%) which is very high compared to the value obtained from the same material films by other conventional methods such as film casting, dip coating process, etc. The voids inside the films (which are around 40% of the entire film volume) are filled with the polymer resin (Cyanate ester) by the infiltration process. This resin infiltration is also implemented by the inkjet printing process right after the Ah03 film ink-jetting process. The microstructures of the printed $Al_2O_3$ films are investigated by Scanning Electron Microscope (SEM) to understand the degree of packing density in the printed films. The inkjet-printed $Al_2O_3$ films have been characterized to investigate its thickness and roughness. Quality factor of the printed $Al_2O_3$ film is also measured to be over 300 at 1MHz.
Solution-based, direct-write patterning by an automated, computer-controlled, inkjet technique is of particular interest in a wide variety of industrial fields. We report the construction of three-dimensional (3D), micro-patterned structures by polymer inkjet printing. A piezoelectric, drop-on-demand (DOD) inkjet printing system and a common polymer, PVA (poly(vinyl alcohol)), were explored for 3D construction. After a systematic preliminary study with different solvent systems, a mixture of water and DMSO was chosen as an appropriate solvent for PVA inks. The use of water as a single solvent resulted in frequent PVA clogging when the nozzles were undisturbed. Among the tested polymer ink compositions, the PVA inks in a water/DMSO mixture (4/1 v/v) with concentrations of 3 to 5 g/dL proved to be appropriate for piezoelectric DOD inkjet printing because they were well within the proper viscosity and surface tension range. When a dot was printed, the so-called 'coffee-ring effect' was significant, but its appearance was not prominent in line printing. The optimal polymer inkjet printing process was repeated slice after slice up to 200 times, which produced a well-defined, 3 D micro-patterned surface. The overall results implied that piezoelectric DOD polymer inkjet printing could be a powerful, solid-freeform, fabrication technology to create a controlled 3D architecture.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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