4 февраля 2014

Технология моделирования растекания капли в печатной электронике

Группа исследователей (Юки Нода, Хироюки Мацуи, Татсуо Хасегава и д.р.), разработала программное обеспечение прогнозирования поведения капель чернил, нанесенных на образец с различным уровнем смачиваемости поверхности (гидрофильными/гидрофобными зонами).

 

Программа позволяет на персональном компьютере произвести числовое моделирование поведения капли чернил, нанесенной на поверхность образца, содержащего гидрофильные и гидрофобные области. До этого проведение такого моделирования было трудноразрешимой задачей. Новое программное обеспечение позволяет надеяться на ускорение научных исследований по печатной электронике, также оно может использоваться при аналитической работе по поведению нанесенных на твердые поверхности жидкостей.

Печатная электроника, применяющая традиционные технологии печати для формирования электронных схем и структур, находится на стадии активного развития. Эта технология позволит создавать электронные схемы за счет нанесения жидких чернил на поверхность образца с их последующим растеканием и сушкой. Чернила могут быть токопроводящими, диэлектрическими или полупроводниковыми. Это должно точно предсказать форму капли (объемом от нескольких пиколитров до десятков нанолитров), нанесенной на поверхность материала.

Для изготовления изделий с высокой точностью рисунка используются методы нанесения чернил на области с разным значением смачиваемости – гидрофильными и гидрофобными. Этот метод позволяет достичь большего разрешения конечного рисунка по сравнению с «традиционными» методами печати. Однако для оценки поведения нанесенной капли традиционные математические методы оценки не годятся, потому что на границе гидрофобной/гидрофильной области величина поверхностного натяжения, характеризующая смачиваемость, изменяется в широких пределах. Например, обычными методами моделирования невозможно определить форму капли после нанесения на поверхность, также длительное время требуется для проведения оценки формы капли с течением времени после нанесения на поверхность. Существующие методы не подходят для оценки инженерам, сопровождающим производство.

AIST (Национальный институт передовой индустриальной науки и технологии, Япония) способствовал исследованию большого количества направлений печатной электроники. Одно из исследований было сфокусировано на технологиях печати сложных электронных схем с помощью гидрофильных трафаретов на гидрофобных основаниях, на простых методах моделирования поведения нанесенной капли чернил на границе гидрофильной/гидрофобной области твердого основания. А также на подтверждении разработанной методики применительно к струйным методам печати.

При нанесении капли малого объема на твердую поверхность при равномерном значении смачиваемости поверхности, она приобретает форму сферы с ровными поверхностями. Угол θ между поверхностью основания и поверхностью капли называют углом смачивания (рисунок 1), который используется в качестве основного параметра для оценки смачиваемости поверхности. Например, маленький угол смачивания характеризует поверхности с высокой поверхностной энергией и смачиваемые – гидрофильные, а поверхности с большим углом смачивания обладают низкой поверхностной энергией и не смачиваемы – гидрофобные.

drop1.jpg

Рисунок 1

С другой стороны, форму капли, находящейся на стыках двух твердых поверхностей с разными уровнями смачиваемости и углами контакта, трудно оценить. Особенно трудно предсказать форму капли на границе гидрофильной и гидрофобной поверхности, для которых характерны изменением величины смачиваемости. Это связано с тем, что градиентный метод оценки формы капли, широко используемый для этих целей, в данной области имеет нулевое отклонение, определяющее величину смачивания поверхности.

В настоящей работе исследователи разработали программное обеспечение «HyDro», моделирующее форму капли. В программе вычисления проводятся, исходя из фундаментального принципа нахождения капли при малом (минимальном) равновесном состоянии поверхностной энергии. В традиционном градиентном методе проводится поиск формы капли, соответствующей минимуму поверхностной энергии. Используется производная свободная энергия поверхности для всей поверхности капли, включая зону контакта жидкость–твердое тело. Поэтому, если энергия поверхностного натяжения включает зону контакта гидрофильной/гидрофобной поверхности, поиск становится сложным, и решение не сходится даже после большого количества шагов вычисления. С другой стороны, трудно использовать метод прямого поиска, при котором поиск решения ведется беспорядочно по всей поверхности капли, на это требуется очень много времени. Для решения проблемы исследователи разделили рассматриваемую поверхность капли на линию контакта твердой и жидкой сред и остальную поверхность капли. К первой применен прямой метод поиска, а ко второй – градиентный метод. Это позволяет решить проблему сходимости и минимизировать объем вычислений, увеличивающийся при использовании метода прямого поиска. На рисунке 2 показано различие сходимости при использовании градиентного метода и HyDro на прямоугольной гидрофильной области.

drop2.jpg

Рисунок 2

Для работы HyDro подойдет любой современный персональный компьютер (с установленной Java 6.5 или более поздней версией). При использовании HyDro пользователь должен разделить твердую поверхность на области в соответствии с уровнем их смачиваемости: гидрофильную (серая) и гидрофобную (белая), как это представлено на рисунке 3. После этого пользователь задает начальную форму капли (на рисунке 3) представлена в форме сферы, после чего вычисляется минимальная энергия. На каждом шагу вычисления HyDro преобразовывает форму капли, постепенно уменьшая энергию. По достижении минимальной энергии процесс остановится (правая иллюстрация рисунка 3). В модели заложено, что капля сформирована из жидкости с однородной плотностью и поверхностным натяжением. Форма границы гидрофильной/гидрофобной области на плоской поверхности может быть различной: линия, гребенчатая структура, линия с разрывам и кривая.

drop3.jpg

Рисунок 3

Для подтверждения адекватности и работоспособности модели было проведено моделирование процесса: на квадратную миллиметровую гидрофильную поверхность была нанесена капля чернил со смещением, гидрофильная поверхность ограничена гидрофобной (рисунок 4). Далее было проведено сравнение расчетного поведения капли и её реальное распространение до углов смачиваемой зоны. Результаты подтвердили прогноз распространения чернил, полученный HyPro (рисунок 4(с)).

drop4.jpg

Рисунок 4 (a) Нанесение и растекание капли высокоочищенной воды со смещением на гидрофильную поверхность 1х1 мм

(b) Реальное увеличенное изображение фрагмента поверхности с изображения (а) при объеме капли 70 нл (слева), растекание, спрогнозированное HyDro (в центре), растекание, спрогнозированное градиентным методом (справа). Область несмачивания указана черным

(c) Отношение между несмачиваемой зоной и объемом нанесенной капли для экспериментальных и моделируемых результатов

Программа HyDro позволяет добиться труднодостижимого ранее результата – быстро, точно и легко смоделировать поведение нанесенной на сложную гидрофильную поверхность капли чернил. К примеру, можно рассчитать растекание чернил по гидрофильно/гидрофобному рисунку, содержащему изгиб (рисунок 5). Такое программное обеспечение можно применять для проектирования и анализа возможных возникающих дефектов при печати сложного рисунка с высоким разрешением.

 

drop5.jpg

Рисунок 5 Растекание капли высокоочищенной воды, нанесенной методом струйной печати на гидрофильном образце с изгибом рисунка (слева) и результат моделирования HyDro (справа)

Также с помощью HyDro можно провести анализ всей поверхности с оценкой уровня поверхностного натяжения. Измерение нанесенной на твердую поверхность капли проводит цифровая камера микроскопа, и производится оценка по всему объему капли от линии контакта жидкость/твердая поверхность. HyDro моделирует форму капли, исходя из изменения углов касания к поверхности капли, пример результирующего рисунка приведен на рисунке 6.

 

drop6.jpg

Рисунок 6

В дальнейшем будут разработаны методы анализа нанесения плотных сложных рисунков из токопроводящих структур, полупроводниковых структур из соответствующих чернил с использованием разработанной методики.

Источник: http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2014/20140114/20140114.html#top