JP2021501710A - プラズマジェット印刷用のモジュール式プリントヘッドアセンブリ - Google Patents

プラズマジェット印刷用のモジュール式プリントヘッドアセンブリ Download PDF

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Abstract

プラズマの存在下で印刷する装置および方法が、本明細書に説明される。本装置は、入口モジュールと、可動電極構成を伴うプラズマモジュールと、ノズルモジュールとを備える、モジュール式プリントヘッドを含む。プリントヘッドのモジュール式設計は、多くの異なる用途で表面上の印刷および表面の処理を可能にする。プラズマモジュールを備える、印刷用の装置が、本明細書に説明され、プラズマモジュールは、少なくとも１つの誘電体管の外側に少なくとも２つの電極を伴う少なくとも１つの誘電体管を備え、少なくとも２つの電極は、少なくとも１つの誘電体管の長さに沿って移動されることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年１０月１日に出願された米国仮出願第６２／５６６，４８８号、および２０１８年２月５日に出願された米国仮出願第６２／６２６，１７１号の利益を主張し、その出願は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本発明は、アメリカ国立科学財団によって授与された米国中小企業技術革新研究（ＳＢＩＲ）第１段階補助金第１８１９６７６号およびアメリカ航空宇宙局によって授与されたＳＢＩＲ第１段階補助金第８０ＮＳＳＣ１８Ｐ１９９０号の下で政府支援を受けて行われた。政府は、本発明にある権利を有し得る。
フォトリソグラフィ、スクリーン印刷、レーザ誘起焼結、プラズマスプレー、インクジェット印刷、エアロゾル印刷、レーザ焼結は全て、金属および金属酸化物の部位選択的印刷、および有機電子工学のために追求される。異なる堆積ツールおよび方法が、基板の性質およびタイプ、堆積されるべき材料、および基板面積に応じて、異なる材料のために採用されなければならない。これはまた、増加した処理時間および異なる材料のために要求される印刷ツールの増加した数も意味する。プラズマ印刷は、基板の表面上に広範囲の材料を印刷するために使用されることができる。印刷され得る例示的材料は、有機材料、ポリマー、無機材料、金属、金属酸化物、合金、セラミック、複合材料、半導体、セメント、医薬品、合成薬物を含む。プラズマ印刷は、下層の基板への良好な接着を提供することができる。ある場合には、プラズマ印刷は、スプレーコーティング、インクジェット、エアロゾルジェット印刷、スクリーン印刷、浸漬コーティング、塗装、およびブラシコーティングの代替物であり得る。
プラズマモジュールを備える、印刷用の装置が、本明細書に説明され、プラズマモジュールは、少なくとも１つの誘電体管の外側に少なくとも２つの電極を伴う少なくとも１つの誘電体管を備え、少なくとも２つの電極は、少なくとも１つの誘電体管の長さに沿って移動されることができる。
いくつかの実施形態では、少なくとも２つの電極はそれぞれ、誘電体カプセル化を備える。
いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化は、少なくとも１つの誘電体管の厚さよりも大きい厚さを有する。
いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化は、少なくとも１つの誘電体管の厚さよりも少なくとも３倍大きい厚さを有する。
いくつかの実施形態では、少なくとも２つの電極は、異なる表面積を有する。
いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化は、第１の誘電体材料を含み、誘電体管は、第２の誘電体材料を含み、第１の誘電体材料は、第２の誘電体材料の誘電強度よりも大きい誘電強度を有する。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの誘電体管は、約１０ｍｍ〜約２００ｍｍの長さを有する。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの誘電体管は、酸化アルミニウム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはそれらの組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの誘電体管は、約０．０２ｃｍ〜約２ｃｍの直径を有する。
いくつかの実施形態では、少なくとも２つの電極は、高電圧電力供給源に接続される。
いくつかの実施形態では、少なくとも２つの電極は、ガスの存在下で少なくとも１つの誘電体管内にプラズマを発生させる。
いくつかの実施形態では、ガスは、アルゴン、ヘリウム、またはそれらの組み合わせを含む。
いくつかの実施形態では、本装置はさらに、入口モジュールを備える。
いくつかの実施形態では、入口モジュールは、プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／またはプラズマモジュールから取り外されることができる。
いくつかの実施形態では、入口モジュールは、少なくとも１つの入口を備える。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの入口は、入口モジュールの中への１つ以上の材料の入力を可能にする。
いくつかの実施形態では、入口モジュールは、入口モジュールからプラズマモジュールの少なくとも１つの誘電体管の中への１つ以上の材料の流動を可能にする。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、少なくとも１つの誘電体管内で発生されるプラズマに暴露される。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料の性質は、１つ以上の材料がプラズマに暴露されるときに変化される。
いくつかの実施形態では、性質は、酸化状態、形態、分子構造、またはそれらの組み合わせを備える。
いくつかの実施形態では、本装置はさらに、ノズルモジュールを備える。
いくつかの実施形態では、ノズルモジュールは、プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／またはプラズマモジュールから取り外されることができる。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、プラズマモジュールからノズルモジュールに流入する。
いくつかの実施形態では、ノズルモジュールは、内側オリフィスと、外側オリフィスとを備える。
いくつかの実施形態では、ノズルモジュールの内側オリフィスは、プラズマモジュールと流体接触する。
いくつかの実施形態では、内側オリフィスは、外側オリフィスの直径未満である直径、外側オリフィスの直径と等しい直径、または外側オリフィスの直径よりも大きい直径を有する。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、ノズルモジュールの外側オリフィスを通して基板上に装置から退出する。
いくつかの実施形態では、外側オリフィスは、基板と流体連通する。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、基板の表面上に印刷される。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、基板の表面上にフィルムを形成する。
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの誘電体管の長さに沿った少なくとも２つの電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍである。
装置が、本明細書に説明され、該装置は、入口モジュールであって、１つ以上の入口と、噴霧器とを備える、入口モジュールと、本明細書に説明されるプラズマモジュールとを備える。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、１つ以上の入口を通して入口モジュールに進入する。
いくつかの実施形態では、噴霧器は、１つ以上の入口を通して入口モジュールに進入する１つ以上の材料をエアロゾル化する。
いくつかの実施形態では、１つ以上の材料は、光学材料を含む。
いくつかの実施形態では、入口モジュールは、プラズマモジュールと流体連通する。
いくつかの実施形態では、噴霧器は、約５０ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数において動作する。
いくつかの実施形態では、入口モジュールは、プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／またはプラズマモジュールから取り外されることができる。
装置が、本明細書に説明され、該装置は、流体送達アセンブリと、本明細書に説明されるプラズマモジュールとを備える。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／またはプラズマモジュールから取り外されることができる。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、カートリッジを備える。
いくつかの実施形態では、カートリッジは、インクリザーバを備える。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリはさらに、噴霧器、１つ以上の流体入口、１つ以上の流体出口、誘電体スペーサ、穴縁、またはそれらの組み合わせを備える。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、プラズマモジュールと流体連通する。
いくつかの実施形態では、誘電体スペーサは、流体送達アセンブリをプラズマモジュールに接続する。
いくつかの実施形態では、流体アセンブリの誘電体スペーサは、プラズマモジュール内の少なくとも２つの電極の間の距離よりも大きい長さを有する。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、２つ以上のカートリッジを備える。
いくつかの実施形態では、本装置は、流体送達アセンブリと、プラズマモジュールと、ノズルモジュールとを備える。
いくつかの実施形態では、ノズルモジュールは、プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／またはプラズマモジュールから取り外されることができる。
印刷されるべき１つ以上の材料を本明細書に説明されるプラズマモジュールの中に導入するステップと、プラズマモジュール内で１つ以上の材料をプラズマに暴露するステップと、プラズマ処理された１つ以上の材料を１つ以上の基板上に印刷するステップとを含む、印刷の方法が、本明細書に説明される。
（参照による引用）
本明細書で記述される全ての出版物、特許、および特許出願は、各個々の出版物、特許、または特許出願が、参照することによって組み込まれるように具体的かつ個別に示された場合と同一の程度に、参照することによって本明細書に組み込まれる。
本発明の新規の特徴は、添付の請求項で詳細に記載される。本発明の特徴および利点のさらなる理解は、本発明の原理が利用される、例証的実施形態を記載する以下の詳細な説明、および付随する図面または図（また、本明細書では「ＦＩＧ．」および「ＦＩＧｓ．」）を参照することによって得られるであろう。
図１は、無アークプラズマを発生させることによって、プリントヘッドの中に導入される材料およびガス混合物を指向および加速するための例示的プリントヘッドの断面図である。
図２は、一次および二次誘電体管に接続される例示的入口マニホールドの断面図である。
図３は、一次誘電体管の円周に沿って移動され得る電極、電極の誘電体エンクロージャ、および外側遮蔽体を含有する、例示的プラズママニホールドの断面図である。
図４は、高電圧電力供給源に接続される電極を含有する、プラズママニホールドと呼ばれるプリントヘッドの例示的モジュール式部分の断面図を示す。電極の５つの異なる構成が、示される。
図５は、一次誘電体管が、一次誘電体管内で勾配プラズマおよび温度勾配を生成するように独立して制御され得る、電力供給源に接続された電極２２１ａ、２２１ｂ、２３１ａ、２３１ｂを担持する、例示的勾配プラズマ設定を示す。
図６は、その長さが用途に応じて変動され得る、例示的一次誘電体管および一次誘電体管の内側の随意の二次誘電体管１４０を示す。
図７Ａは、その内径が一次誘電体管と同一であるか、またはコンスタントに減少し、一次誘電体管の内径よりも小さいかのいずれかであり得る、オリフィスを伴う一次誘電体管に取り付けられ得る例示的ノズルモジュールの断面図である。
図７Ｂは、印刷されるべき材料およびプラズマ放電の残光領域を示す、一次誘電体管に取り付けられ得る例示的ノズルモジュールの断面図である。
図７Ｃは、集束のために、またはプラズマのグロー放電領域内の材料性質を調整するために使用され得る、ガスを導入するためのノズルに入口を伴う例示的ノズルモジュールの断面図である。
図８Ａは、印刷された材料の精密な幾何学形状を伴う基板上に印刷される犠牲オリフィスまたはマスクを使用する、例示的印刷プロセスを示す。ある幾何学形状および／または解像度を伴って印刷されるためにノズルから外へ指向される材料を含有する、プラズマグロー放電領域は、そのオリフィス直径または開口部がオリフィス開口部よりも小さい、犠牲マスクを使用することによって、高解像度および／または精度を伴って精密に印刷されることができる。
図８Ｂに示されるような犠牲オリフィスまたはマスクは、堆積が蓄積するときに、または異なる形状に関して、インデックス化されることができる。犠牲マスク内のオリフィスが詰まったとき、または堆積が蓄積するとき、または異なるパターンが要求されるとき、犠牲オリフィスまたはマスクは、必要性に応じて、新しい詰まっていないオリフィスおよび／または新しいパターンを得るように、調節または交換されることができる。
図９は、異なる形状の犠牲オリフィスまたはパターン化されたマスクの４つの実施例を提供する。
図１０Ａおよび１０Ｂは、異なる構成の例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。 図１０Ａおよび１０Ｂは、異なる構成の例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。
図１１Ａおよび１１Ｂは、プラズマがオンである異なる構成の例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。 図１１Ａおよび１１Ｂは、プラズマがオンである異なる構成の例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。
図１２Ａおよび１２Ｂは、ノズルモジュールを伴わない構成および電気的に接地される構成における、例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。 図１２Ａおよび１２Ｂは、ノズルモジュールを伴わない構成および電気的に接地される構成における、例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。
図１３は、光学およびプラズモン材料のエアロゾル化およびパターン化印刷のための例示的プリントヘッドの断面図である。
図１４Ａは、エアロゾル化された液体（前駆体）送達のための１つの噴霧器と、プラズマが発生される、入口モジュールおよび誘電体管に接続される２つのガス入口とを備える、例示的プラズマプリントヘッドの入口部分の断面図である。
図１４Ｂは、エアロゾル化された液体（前駆体）送達のための１つの噴霧器と、噴霧器が誘電体入口モジュールおよびエンクロージャに封入される、入口モジュールに接続される２つのガス入口とを備える、例示的プラズマプリントヘッドの入口部分の断面図である。
図１４Ｃは、２つの異なる液体／前駆体のエアロゾル化された送達のための２つの噴霧器と、噴霧器が誘電体入口モジュールおよびエンクロージャに封入される、入口モジュールに接続される１つのガス入口とを備える、例示的プラズマプリントヘッドの入口部分の断面図である。
図１５は、エンクロージャ内に存在する圧電モータに取り付けられたマスク、およびオリフィスに面してノズルの前に設置されたマスクを示す、例示的ノズルおよびマスクアセンブリの断面図である。
図１６は、エンクロージャ内に存在する圧電モータに取り付けられたマスク、および誘電体管の出口に直接設置されたマスクを示す、例示的誘電体管、エンクロージャ、およびマスクアセンブリの断面図である。
図１７は、エンクロージャ内に存在する圧電モータに取り付けられたマスク、および誘電体管の出口に直接設置されたマスクを示す、プラズマモジュール、誘電体管、エンクロージャ、およびマスクアセンブリに接続される例示的非プラズマプリントヘッド（インクジェットまたはエアロゾルジェットまたはコールドスプレー機器を備える）の断面図である。
図１８は、エンクロージャを伴う例示的プリントヘッドの３次元像である。
図１９は、噴霧器またはネブライザ、入口マニホールド、電極を伴う誘電体管、およびエンクロージャを伴う高電圧ケーブルを伴う、例示的プリントヘッドの写真である。
図２０は、封入された電極を伴う誘電体、およびプラズマジェットを伴うエンクロージャを示す、プリントヘッドの下側（出口／印刷）部分の写真である。
図２１は、パターン化された印刷、およびノズルを交換する必要なく、オリフィスサイズ、形状、および印刷解像度を調節する能力を示す、オリフィスコントローラまたはマスクの実施形態の上面図である。
図２２は、角度印刷のために設計されたオリフィスを伴う例示的ノズルモジュールの断面図である。
図２３は、プラズマジェットプリントヘッドのプラズママニホールドに搭載されたカートリッジを伴う例示的流体送達アセンブリのモジュール式設計を示す。
図２４は、噴霧器を伴うカートリッジと、インクリザーバと、液体入口と、ガス入口穴縁と、スペーサとを備える、例示的流体送達アセンブリを示す。
図２５は、単一の流体送達アセンブリ内に搭載された２つのカートリッジを伴う例示的多重材料流体送達システムを示す。
図２６は、結合器上に垂直に搭載されたカートリッジを伴う例示的流体送達アセンブリを示す。
図２７は、流体送達アセンブリを備える、プラズマジェットプリントヘッドの例示的モジュール式設計を示す。
図２８は、例示的流体送達アセンブリを提供する。
図２９は、２つのカートリッジを伴う例示的多重材料流体送達システムを提供する。
図３０は、結合器上に垂直に搭載されたカートリッジを伴う例示的流体送達アセンブリを示す。
本明細書では、表面および材料のプラズマジェット印刷、パターン化、および処理のためのモジュール式プリントヘッドアセンブリが提供される。大気圧プラズマを使用する、パターン化された印刷、材料の制御された堆積、および材料の処理が、広範囲の製品の製造に使用されることができる。ある場合には、下層の基板への良好な接着を伴う材料の印刷および調整された材料性質が、大気圧プラズマを使用して取得されることができる。
画定されたパターンおよび広い面積内の金属、金属酸化物、有機物、無機物、有機電子機器、複合材料、合金、ポリマー、薬物、および医薬品を含む、広範囲の材料の大気圧プラズマジェット印刷が、コールドプラズマ、高温プラズマ、グロー放電プラズマ、およびプラズマスプレーのような大気プラズマ技法のうちのいずれかまたは全てを使用して、実施されることができる。
広範囲の材料を印刷し、そして材料を混合し、印刷のためのポリマー、複合材料、薬物、および合金を形成する能力は、最先端および従来の印刷、コーティング、および／または塗装技法と比較して、プラズマジェット印刷を万能な技法にする。
いくつか例を挙げると、印刷のために基板に向かって材料を推進させること、印刷の前、間、および／または後に基板への飛行時材料特性を変化させること、および／または調整すること、本来の材料特性を維持すること、基板表面への材料の接着を増加させること、プラズマを重合させること、多層で材料を堆積させること、および複合材料および合金の形成を含む、印刷におけるプラズマのいくつかの利益が存在する。
大気圧プラズマジェットを使用する、材料の印刷およびそれらの性質を変化させるための材料の処理は、電極、電極間隔、および設計の最適化された構成を要求する。
デバイスの確実かつ再現可能な加工、大量生産および製造、および材料の他の処理のためにプラズマジェット印刷を効率的に使用するために、プラズマジェットプリントヘッドは、ロバストであり、使いやすく、構成を変化させやすく、かつ交換しやすくあるべきである。
プリントヘッドは、複数の材料、複数の線幅、種々の解像度、幾何学形状、および小／大面積印刷を扱うための設備を有するべきである。
加えて、容易で使いやすく時間効率的な様式で、ノズルを交換する能力は、システムの長期的継続使用のために極めて重要である。
容易で使いやすく時間効率的な様式で、ノズル直径を変化させ、印刷解像度を効果的に変化させる能力もまた、研究および開発の両方のために、および大量生産のために重要である。
プラズマによって印刷および／または処理される材料の特性および性質は、プラズマ特性の適切な選択肢によって調整および変化されることができる。
プラズマの特性は、電極構成、電極表面積、誘電体管、プラズマ体積、電極の間に含有される誘電体面積、電力特性、またはそれらの組み合わせを効果的に変化させることによって、変動されることができる。
プラズマジェットプリントヘッドは、電極構成を変化させるための設備を有するべきである。加えて、プラズマジェットプリントヘッドは、電極の間の面積を変化させ、ある材料の印刷に適するようにプラズマ特性を調整するための設備を有するべきである。
プラズマジェット印刷における主要な課題のうちの１つは、電極の間のアーク放電であり、金属または金属製印刷特徴を偶然含む場合、プリントヘッドと基板および／または基板ホルダとの間のアーク放電である。電極の間のアーク放電は、プリントヘッドに重大な損傷をもたらし、電気および火災安全問題を引き起こし得る。プリントヘッドと金属基板または基板ホルダまたは金属製印刷特徴との間のアーク放電は、印刷されるべき基板、また、印刷特徴を深刻に損傷し得る。
プラズマジェットを使用する材料の効率的、確実、かつ再現可能な印刷のために、かつプラズマジェットプリンタを使用するデバイスの大量生産のために、プリントヘッドは、モジュール式設計を伴う可撓性電極構成を可能にし、誘電体管の可撓性モジュール式設計を可能にし、プリントヘッドだけではなく基板も損傷するであろう電極の間のアーク放電のような障害を回避し、カートリッジ／リザーバからノズルへの移動中に損失が最小限である、または全くない、印刷中の材料の損失を最小限にする、設備を有する必要がある。
化学構造、分子構造、酸化状態、形態を変化させるため、微生物を不活性化するため、有機物を除去するため、汚染を除去するため、またはそれらの組み合わせのための材料の処理は、プラズマ発生種およびプラズマ内で発生される反応種のエネルギー衝突が、処理されている表面に最大の影響を及ぼし得るように、電極間隔、熱勾配、プラズマ勾配、またはそれらの組み合わせを変化させるための設備を伴うプラズマの最適な構成を要求する。
プリントヘッド内の電極は、種々の構成のうちのいずれかで設置され得る。ある場合には、電極は、誘電体管の円周に沿って配置される。ある場合には、電極は、誘電体管の内側に設置される中心管電極および誘電体管の外壁に配置される別の電極を伴って配列される。
電極の間のアーク放電は、誘電体管の内側（内部アーク放電）、またはプリントヘッド、基板、または電力供給源を潜在的に損傷し得る、プリントヘッドの誘電体管の外側（外部アーク放電）のいずれかで、起こり得る。加えて、これは、プラズマジェット印刷の動作時に深刻な電気安全問題を提起する。これらの安全上の懸念に対処することは、電極の適切な遮蔽および間隔、要求される電極間隔および構成を伴う複数の電極を有することの融通性を要求する。
輸送および印刷中の誘電体管の内壁への材料の損失は、対処される必要がある一般的な問題である。キャリアおよび印刷目的の両方のための唯一のガス源として、プラズマ放電を発生させるために使用される、一次ガスを使用して、これは、印加される電圧に応じて、電極領域をはるかに越えて、プリントヘッドおよび誘電体管の側面の両方の全体を通して、プラズマを延在させ得る。
誘電体管およびプリントヘッドの全体を通してプラズマを延在させたことは、有害であり得、衝突を通して管の内壁への材料の損失を引き起こし得る。これは、印刷のスループットの低減、不良な印刷性能、管の内側部分の誘電特性の損失をもたらし得る。ある場合には、これはさらに、デバイス故障、および同一特徴サイズ印刷のための非プラズマ印刷と比較して、プラズマ印刷のためのより大量の前駆体材料の必要性をもたらし得る。
本明細書に提供される本開示の一側面は、モジュール式プリントヘッドである。いくつかの実施形態では、モジュール式プリントヘッドは、プラズマジェットおよび電場を使用して幾何学的パターンで材料を集束および指向し、基板上に材料を印刷することができる。ある場合には、モジュール式プリントヘッドは、管のモジュール式アセンブリと、可動電極とを備える。いくつかの実施形態では、電場が、プラズマを発生させるように可動電極に印加される。モジュール式プリントヘッドの設計は、管内の内部および外部アーク放電を回避する。
本明細書に提供される以下の説明では、解説の目的のために、具体的詳細が、本発明の理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明がこれらの詳細がなくても実践され得ることが、当業者に明白であろう。さらに、当業者は、下記に説明される本発明の実施形態が、プロセス、装置、システム、デバイス、または有形コンピュータ可読媒体上の方法等の種々の方法で実装され得ることを認識するであろう。
その実施例が付随する図面に図示され得る、本発明の実施形態が参照されるであろう。これらの図は、限定的ではなく、例証的であることを意図している。本発明は、概して、これらの実施形態との関連で説明されるが、本発明の範囲をこれらの特定の実施形態に限定することは意図されていないことを理解されたい。
ステップまたは動作は、当業者に明白であろうように、異なる順序で、または同時に実施され得ることに留意されたい。そして、いくつかの事例では、周知のプロセス動作は、本発明を不必要に曖昧にすることを回避するために詳細に説明されていない。
略図に示される構成要素は、本発明の例示的実施形態の例証であり、本発明を曖昧にすることを回避するように意図されている。本議論の全体を通して、構成要素は、サブユニットを備え得る、別個の機能ユニットとして説明され得るが、当業者は、種々の構成要素またはその部分が、別個の構成要素に分割され得る、または単一のシステムまたは構成要素内に統合されることを含み、ともに統合され得ることを認識するであろうことを理解されたい。本明細書に議論される機能または動作は、構成要素として実装され得ることに留意されたい。本発明の実施形態は、要求されるパターン、材料性質、および精度を伴って材料を印刷するための装置および方法、また、形態、トポグラフィ、表面エネルギー、酸化状態、分子構造、化学構造等を含む、性質のうちのいずれか１つ以上のものを変化させるための材料、表面、有機物、微生物の処理を含む。
図１は、例示的プリントヘッド１の断面図を提供する。いくつかの実施形態では、プリントヘッド１は、入口マニホールド１００を備える。いくつかの実施形態では、プリントヘッド１は、プラズママニホールド２００を備える。いくつかの実施形態では、プリントヘッド１は、ノズルマニホールド３００を備える。いくつかの実施形態では、プリントヘッド１は、入口マニホールド１００、プラズママニホールド２００、ノズルマニホールド３００、またはそれらの組み合わせを備える、モジュール式アセンブリを備える。モジュール式アセンブリは、要求されるプラズマ特性および印刷されている材料のタイプ／品質に応じて、異なるマニホールドが、必要に応じて、取り除かれ、ともに接続されることを可能にすることができる。
いくつかの実施形態では、入口マニホールド１００は、誘電体入口マニホールド１１０を作成するための誘電体材料を含む。ある場合には、誘電体材料は、セラミックを含む。ある場合には、誘電体材料は、酸化アルミニウム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含む。
いくつかの実施形態では、誘電体入口マニホールド１１０は、１つ以上の入口を備える。１つ以上の入口は、１つ以上の材料の進入口を提供する。ある場合には、１つ以上の材料は、ガスを含む。ある場合には、ガスは、ヘリウム、アルゴン、水素、窒素、またはそれらの組み合わせを含む。ある場合には、１つ以上の材料は、金属コロイドを含む。ある場合には、金属コロイドは、銅ナノ材料、銀ナノ材料、金ナノ材料、またはそれらの組み合わせを含む。ある場合には、１つ以上の材料は、前駆体材料を含む。ある場合には、前駆体材料は、有機前駆体を含む。ある場合には、有機前駆体は、ヘキサメチルジシロキサン、オルトケイ酸テトラエチル、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン、またはそれらの組み合わせを含む。ある場合には、誘電体入口マニホールド１１０は、３つの入口１２０、１２１、および１２１を備える。
いくつかの実施形態では、入口マニホールド１００は、プラズママニホールド２００に接続される。ある場合には、誘電体入口マニホールドは、開口部１３０を備える。開口部１３０は、プラズママニホールド２００の一次誘電体管２１０が入口マニホールド１００と接続することを可能にし得る。他の場合では、入口１２０のうちの１つは、随意の二次誘電体管１４０と接続することができる。これらの場合では、誘電体管１４０は、可変長を有することができる。誘電体管１４０の長さは、印刷されるべき材料の性質およびタイプに依存し得る。ある場合には、二次誘電体管１４０は、プラズママニホールド２００の１つ以上の電極２２１の開始の前に終端する。ある場合には、二次誘電体管１４０は、電極２２１を越えて延在し、電極２３１の開始の前に終端する。ある場合には、二次誘電体管１４０は、電極２３１を越えて延在する。ある場合には、二次誘電体管１４０は、ノズルマニホールド３００まで延在する。
図２は、例示的入口マニホールド１００の断面図である。本例示的実施形態では、誘電体入口マニホールド１１０は、３つの入口１２０、１２１、および１２２を備える。図２はまた、随意の二次誘電体管１４０も提供する。
図３は、例示的プラズママニホールド２２０の断面図である。いくつかの実施形態では、プラズママニホールド２２０は、１つ以上の電極を備える。図３の例示的実施形態では、プラズママニホールド２２０は、一次誘電体管２１０の円周に沿って移動され得る、２つ以上の電極２２１、２３１を備える。いくつかの実施形態では、電極２２１および２３１は、１つ以上の誘電体エンクロージャ２２２および２３２と、モジュール式プリントヘッド１の３つ全ての主要部分、すなわち、入口モジュール１００、プラズマモジュール２００、およびノズルモジュール３００を接続する、外側遮蔽体２２３とを含有することができる。図３では、プラズマモジュール２００は、誘電体カプセル化２２２を伴って電極２２１に接続される電気フィードスルー２２４を含有することができる。プラズママニホールド内の電極２２１および２３１は、調節可能な機械的位置コントローラ２２５および２３５を使用して、一次誘電体管２１０に固定される。位置コントローラは、ねじであり、スライドであり、または任意の調節可能な固定具から作製されることができ、手動で、またはミニモータを使用することによって、一次誘電体管２１０の軸に沿って移動されることができる。電極２２１と２３１との間の間隔（図１に示される）は、印刷されている材料の性質およびタイプ、および印刷における分子精度を取得するために要求されるプラズマ特性に応じて、位置コントローラ２２５および２３５を使用して、制御されることができる。
図４は、１つ以上の電極を備える、プラズマモジュール２００の例示的断面図を提供する。１つ以上の電極は、高電圧電力供給源に接続されることができる。電極の異なる構成は、種々の電極間隔および表面積を伴って図４に示される。図４Ａは、接地に接続される底部電極２３１および高電圧に接続される電極２２１を示す。本実施形態では、二次誘電体は、上部電極の前に終端する。図４Ｂは、二次内側誘電体１４０の円周に沿って分散される付加的電極１４１を示す。図４Ｃは、接地に接続される、プリントヘッドの外側に設置される電極３７１を示す一方で、２つの電極２２１および１４１は、高電圧に接続される。図４Ｄは、底部電極２３１が接地に接続され、上部電極２２１が高電圧に接続される一方で、二次誘電体１４０の長さが底部電極２３１まで延在されることを示す。図４Ｅは、高電圧電力供給源に接続されるリング電極２２１を示す。
図５は、１つ以上の電極２２１ａ、２２１ｂ、２３１ａ、および２３１ｂを備える、例証的一次誘電体管２１０を伴う例示的勾配プラズマ設定を提供する。１つ以上の電極は、一次誘電体管内で勾配プラズマおよび温度勾配を生成するように独立して制御され得る、電力供給源に接続されることができる。
図６は、入口モジュールと、プラズマモジュールとを備える、例示的モジュール式プリントヘッドの断面図を提供する。プリントヘッドは、一次誘電体管２１０と、随意の二次誘電体管１４０とを備えることができる。随意の二次誘電体管１４０の長さは、二次誘電体管から出て来る材料が、２つ以上の電極を備えるプラズマ領域全体、または部分的プラズマ領域、またはノズルに近いプラズマのグロー放電領域のいずれかに暴露されるように、用途に応じて変動され得る。
図７Ａは、例示的ノズルモジュール３００の断面図である。いくつかの実施形態では、ノズルモジュール３００は、プラズマモジュール２００の一次誘電体管２１０に取り付けられることができる。いくつかの実施形態では、ノズルモジュール３００は、オリフィス３３０を伴うノズルを備える。ある場合には、オリフィス３１０の内径は、用途および印刷されている材料のタイプ／性質に応じて、必要に応じて制御および変動されることができる。ある場合には、ノズルのオリフィス３３０の直径は、オリフィス３１０の内径と同一である。他の場合では、オリフィス３３０の直径は、オリフィス３１０の内径よりも小さい。
いくつかの実施形態では、ノズルモジュール３００は、誘電体材料３２２から成る。ある場合には、誘電体材料３２２は、外側遮蔽体３２３によって囲繞される。ある場合には、外側遮蔽体３２３は、接地に電気的に接続されることができる。ある場合には、保護エンクロージャまたは筐体３２４が、ノズルモジュールをプラズマモジュール２００に接続し、モジュール式誘電体プリントヘッドアセンブリを完成させるために使用されることができる。
図７Ｂは、ノズルモジュールのオリフィス３３０からの放電３５１の例示的例証を提供する。
図７Ｃは、ガス入口３６０を備える、ノズルモジュールの例示的実施形態を提供する。ある場合には、ガス入口３６０を通して提供されるガス３６１は、プラズマモジュールから退出する任意の材料を集束させるために使用されることができる。ある場合には、ガス入口３６０を通して提供されるガス３６１は、グロー放電領域における放電３５１で材料の１つ以上の性質を調整することができる。
図８Ａは、モジュール式プリントヘッドのノズルモジュールを使用する印刷の例示的概略図である。例示的実施形態は、印刷された材料３５２の精密な幾何学形状を伴って基板３５３上に印刷するために犠牲オリフィスまたはマスク３５０を使用する、印刷を含む。材料３５１を含有する、プラズマグロー放電領域は、着目幾何学形状、着目解像度、またはそれらの組み合わせを伴って印刷するためにノズルモジュール３００から外へ指向される。高解像度、高精度、またはそれらの組み合わせを伴う印刷は、犠牲マスク３５０を使用することによって、達成されることができる。いくつかの実施形態では、犠牲マスク３５０のオリフィスまたは開口部の直径は、ノズルモジュール３００のオリフィス開口部３３０よりも小さい。いくつかの実施形態では、犠牲マスク３５０のオリフィスまたは開口部の直径は、ノズルモジュール３００のオリフィス開口部３３０とほぼ同一である。いくつかの実施形態では、犠牲マスク３５０のオリフィスまたは開口部の直径は、ノズルモジュール３００のオリフィス開口部３３０よりも大きい。
いくつかの実施形態では、図８Ｂに示されるような犠牲オリフィスまたはマスク３５０ａは、堆積が蓄積するときにインデックス化されることができる。いくつかの実施形態では、犠牲オリフィスまたはマスク３５０ａは、異なる形状に関してインデックス化されることができる。
ある場合には、印刷の品質が、妨害され得る。例えば、犠牲マスク内のオリフィスは、詰まり得る、または堆積は、犠牲マスク上に蓄積し得る。これらの場合では、犠牲オリフィスまたはマスク３５０は、新しい詰まっていないオリフィスを得るように、調節または交換されることができる。
ある場合には、２つ以上の異なるパターンが、印刷のために要求され得る。これらの場合では、犠牲オリフィスまたはマスク３５０は、必要性に応じて、新しいパターンを得るように、調節または交換されることができる。
いくつかの実施形態では、犠牲オリフィスまたはマスク３５０は、１つ以上のオリフィスまたはパターンを備える。図９は、異なる形状の犠牲オリフィスまたはパターン化されたマスク３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ、および３５０ｄの実施例を示す。パターン化されたマスクおよび犠牲オリフィスは、金属、誘電体材料、シリコン、プラスチック、または組み合わせを含む、任意の材料から作製され得る。パターン化されたマスクおよび犠牲オリフィスは、レーザエッチング、ウェットエッチング、プラズマエッチング、リソグラフィプロセス、またはそれらの組み合わせを含む、既知の方法のうちのいずれかを使用して、作製され得る。
図１０Ａは、入口マニホールドと、プラズママニホールドと、ノズルマニホールドとを備える、例示的モジュール式プリントヘッドの写真である。本例示的実施形態では、プリントヘッドは、電極と、電極の誘電体カプセル化と、一次誘電体管と、電極への電気フィードスルーとを備える。図１０Ｂは、異なる構成の例示的モジュール式プリントヘッドの写真である。本実施形態では、プリントヘッドは、短い電極間隔を備える。
図１１Ａおよび１１Ｂは、プラズマがオンである例示的モジュール式プリントヘッドの写真を提供する。
図１２Ａは、プラズマがオンであるノズルマニホールドを伴わない例示的プリントヘッドの写真である。図１２Ｂは、プラズマジェットプリンタの動作中に安全に触れられ得る、電気的に接地された遮蔽体を伴う例示的モジュール式プリントヘッドの写真である。
一次誘電体管２１０は、セラミック、アルミナ、石英、テフロン（登録商標）、シリカ、酸化アルミニウム、またはそれらの組み合わせを含む、無機材料に限定されない、任意の誘電体材料から作製され得る。
電極２２１および２３１を封入するために使用される誘電体エンクロージャ２２２およびカプセル化遮蔽体２３２は、テフロン（登録商標）、マコール、アルミナ、またはそれらの組み合わせに限定されない、任意の絶縁材料、セラミック、無機材料、または混合物から作製され得る。プラズマ内のアーク放電は、一般的な現象である。カプセル化された誘電体の全誘電強度は、電極が設置される誘電体管のものよりも高い。
電極および電気フィードスルーは、限定ではないが、銅およびステンレス鋼を含む、任意の金属、電気を伝導する合金から作製され得る。
プラズマジェットを使用する材料の印刷は、印刷されるべき前駆体または実際の材料が、誘電体管と、高電圧電力供給源に接続される電極と、ガス供給源と、それを通して導入された材料が、材料が印刷されるものである基板に向かって指向される、ノズルとを備える、プラズマジェットプリントヘッドの中に導入されることを要求する。
プラズマジェットプリントヘッドの中に導入されるべき前駆体または実際の材料は、活性プラズマが、十分な化学的または物理的または電子的または分子または形態学的変化のために持続され、基板上に印刷されるように指向される、領域に進入する、乾燥粒子またはエアロゾル化された粒子またはエアロゾル化された溶液の形態であり得る。前駆体または実際の材料はまた、制御されたサイズの液滴または制御された体積の液体またはペースト分注の形態で、プラズマジェットプリントヘッドの中に導入されてもよい。
印刷されるべき前駆体または実際の材料はまた、活性プラズマ領域との材料の相互作用を回避し、故に、本来の材料特性を維持することによって、プラズマのグロー放電領域内に導入されることもできる。本目的のために、印刷されるべき材料は、二次誘電体管を通して導入されることができる。
広範囲の２Ｄ、３Ｄ物体および軟質または硬質基板上に調整された材料特性および画定された幾何学形状を伴い、確実、再現可能、および高スループット様式で製造するための材料のプラズマジェット印刷は、それを通して印刷された材料の特性が調整され得る、プラズマ特性を制御する能力、ユーザ定義された解像度を伴って材料を印刷する能力、プリントヘッド構成要素、電極、基板、基板ホルダ、印刷された材料等の間のプラズマアークを回避する能力、基板の動作温度が２０℃から摂氏数１００度まで変動することを可能にする、種々の温度を伴って材料を印刷するためのプリントヘッド内の温度勾配を持続する能力を含む、いくつかの主要な特徴を伴って安定したプラズマを持続し得る、プリントヘッドを要求する。
１つの構成では、結果として生じた幾何学形状の再現性および正確度に対する制御とともに、５０ｎｍ〜５００μｍの印刷された幾何学形状を伴って材料を印刷する能力が、提供される。別の構成では、５００μｍ〜１０ｃｍの印刷された幾何学形状を伴って材料を印刷する能力が、提供される。別の構成では、１０ｃｍ〜５０ｃｍの印刷された幾何学形状を伴って材料を印刷する能力が、提供される。同様に、全ての上記に定義された幾何学形状範囲に関して材料および基板をプラズマで処理する能力が、提供される。いくつかの構成は、広い面積上に材料を同時に印刷および処理するための複数のプリントヘッドの使用を可能にする。
非晶質、凝集粒子、連続的または非連続的な多孔質を含む、制御されるが可変の形態を伴う種々の材料を印刷する能力が、提供される。
プラズマ特性および／または印刷されている材料の送達を操作することによって、印刷された材料の堆積率および印刷中の堆積の厚さを精密に制御する能力が、提供される。
画定された幾何学形状、および物理、化学、機械、電子、光学、生体界面、生体適合性性質を含む、調整された材料特性とプラズマジェットを併用して、材料を印刷することは、上記で述べられる材料性質のいずれか１つ以上の組み合わせを取得するために、最適なプラズマ特性を要求する。例えば、プラズマガスの性質およびタイプ、プラズマ密度、電子温度、イオン温度、フリーラジカル発生、電極の間の利用可能な体積、電極構成、活性電極の数等は、物理、化学、機械、電子、磁気、光学、生体界面、生体適合性性質等を含む、要求される性質のうちのいずれかを伴う材料を印刷することに有意な役割を果たすことができる。
２Ｄ、３Ｄ、硬質、軟質、連続、多孔質、可撓性、剛性、バイアル、ウェル等を含む、広範囲の基板上に広範囲の材料を印刷し得、電子工学、テキスタイル、医療、ウェアラブル、自動車、航空宇宙、エネルギー貯蔵／発生、ディスプレイ、食品包装、センサ、インプラント、試験機器等を含む、種々の分野内の製造で使用され得る、プラズマジェットプリンタが、開示される。
使用用途の任意または全ての分野のためのユニークな材料特性を伴う広範囲の材料を印刷することは、適切な前駆体材料、適切な基板、湿度、温度のような適切な処理環境、基板の前処理、マスク、印刷、後処理、硬化等を要求する。
しかしながら、調整された材料特性を伴う広範囲の材料のプラズマジェット印刷は、主要な構成要素、すなわち、プラズマ領域を通過する材料の性質を変化させる、修正する、または制御する、または必要性に応じてこれらの性質を維持し得る、制御されたプラズマ環境を要求する。例えば、伝導材料の印刷は、酸化、原位置または印刷後の材料の還元、材料の部分または完全溶融等の防止を要求するであろう。有機コーティングの印刷のために、重合が、不可欠である。有機電子機器または化学物質または薬物の印刷のために、化学構造の維持が、不可欠である。種々の誘電強度を伴う誘電体コーティングの印刷のために、化学組成が、変動される必要がある。生体適合性コーティングを印刷するために、薬物の化学構造を維持することが、不可欠である。
有機物、無機物、金属、金属酸化物、半導体、磁気材料、セラミック、ポリマー、薬物、化学物質、小有機分子、大有機分子、または組み合わせの印刷のために、プリントヘッド内のプラズマ特性およびガス組成、前駆体組成は、精密に制御される必要があろう。前駆体組成およびガス組成は、インクカートリッジおよびガス供給ラインの適切な使用を用いて容易に制御されることができるが、印刷のためにプラズマ特性を制御することは、誘電体プリントヘッドの誘電強度および管厚さ、電極構成、電極間隔、電極の誘電体カプセル化、活性プラズマ領域を含有する誘電体管の部分の体積、動作中／接地／浮遊電極の数、ノズルの性質およびタイプ、ノズル内のオリフィス直径、粒子送給率等を含む、いくつかの主要な構成要素の最適な構成を要求する。
前駆体およびガス入口のための複数のフィードスルーを伴うプリントヘッドのモジュール式設計、マニホールドを通して接続され、プラズマが発生される、電極を含有する主要誘電体管の内側に設置される、複数の誘電体管、調節可能な電極間隔、印刷のための種々のオリフィス直径を伴う交換可能ノズル、プリントヘッド内の電極の総数を増加または減少させるための設備、電極の誘電体カプセル化、不均等な電極面積は全て、具体的な種類の材料を印刷するために必要とされる最適なパラメータ、印刷された材料の品質、および印刷され得る材料の性質を決定することに有意な役割を果たすことができる。
例えば、対応する金属酸化物入力から、定義された線解像度（例えば、５０ミクロン）を伴って厚さ１０ミクロンの一様な伝導金属特徴を印刷するために最適化される、プリントヘッドのモジュール式設計は、還元ガス環境を含有するプラズマ内の金属粒子の滞留時間の増加、また、誘電体管の具体的領域内のより高い温度を可能にするであろう。電極の数、電極間隔、プラズマ体積、粒子／エアロゾル／前駆体送給、ノズルの性質およびタイプ、オリフィス直径、印加された電位は、プラズマパラメータ／性質を最大限に利用し、金属酸化物を金属に、また、部分的または完全溶融金属入力に還元し、精密な５０ミクロンの伝導金属線特徴を伴う連続金属フィルムを形成するであろう、プラズマ特性を取得するように最適化される必要があろう。
しかしながら、バイオセンサまたは医療デバイス上に５ミリメートルの線幅を伴って厚さ１０ナノメートルの有機ポリエチエレングリコールコーティングを印刷するためのプリントヘッドのモジュール式設計は、プラズマ特性が前駆体または基板の化学構造を損傷するほど強くなく、同時にプラズマ重合が起こることを可能にするような電極設計を有するであろう。電極の数、電極間隔、プラズマ体積、粒子／エアロゾル／前駆体送給、ノズルの性質およびタイプ、オリフィス直径、印加された電位は、本用途のために最適化され、パラメータは、微細特徴を伴う金属酸化物から金属を印刷することのものと異なるであろう。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計の背後の概念は、具体的用途のためのプリントヘッド設計、構成、およびプロセスパラメータの最適化を可能にすることである。
また、プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、エアロゾルジェット印刷、噴霧熱分解、インクジェット印刷、レーザ印刷、ドロップキャスティング等のような他の印刷技法へのプリントヘッドの統合を可能にする。
高電圧電力供給源の使用は、プラズマ放電を発生させるために不可欠である。高電圧は、プラズマジェットプリントヘッドの誘電体管内の電極の間に印加される。電力入力の性質およびタイプは、ＤＣ、パルスＤＣ、ＡＣからＲＦまで変動し得る。電力供給源は、バッテリ電動型であるか、または高電圧源に接続されるかのいずれかであり得る。同一のプリントヘッド内の複数の電極の使用は、誘電体管内で勾配プラズマをもたらす、選択された電極への種々の入力エネルギーの印加を可能にするであろう。
プリントヘッド内に２つの電極を伴うモジュール式設計は、一様なプラズマをもたらし得る。しかしながら、プリントヘッド内に４つの電極を伴う伸長誘電体管を用いたモジュール式設計では、２つの電極が、より高い入力エネルギーを伴う電力供給源に接続され得、２つの他の電極が、他の電極よりも低い入力エネルギーを伴う同一または異なる電力供給源に接続され得る。この場合、より高い入力の領域内のプラズマ特性は、より低いエネルギー入力の領域のものよりも高いイオンエネルギー、電子／イオン温度、プラズマ密度等を有する可能性が高い。本設計は、プリントヘッド内に温度勾配を導入するため、およびプラズマ内の材料の滞留時間の増加のために、使用されることができる。電極セットの両方もまた、プリントヘッド全体を横断して一様なプラズマをもたらす、類似電位に接続され得る。
高電圧電力供給源の使用およびプラズマの発生はまた、プリントヘッドまたはプリンタアセンブリの金属構成要素の間にアーク放電をもたらし得る。アーク放電は、プリントヘッドの電極、プラズマおよび基板または基板ホルダ、または印刷されている金属コーティングの間で、起こり得る。プラズマジェットプリントヘッドアセンブリのモジュール式設計は、印刷中および印刷後にアーク放電を回避するための解決策を提供する。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、高電圧電力供給源に接続される電極が分散される、一次誘電体管に接続されるマニホールドを備える。マニホールドは、ガス入力および前駆体／材料入口のための設備と、その長さが用途に応じて制御され得る、一次誘電体管の内側のガス入力および／または前駆体／材料入力から誘電体管を接続するための設備とを有するであろう。一次誘電体管の内側に設置される内側誘電体管は、前駆体またはガスまたは両方を搬送することができる。モジュール式設計はまた、設備が、複数の誘電体管を伴わず、内側にガスおよび前駆体／材料の両方が導入される一次誘電体管のみを含有する、ガスおよび前駆体のための入口を伴うマニホールドを有することをも可能にする。
モジュール式設計内の一次誘電体管の長さおよび直径は、印刷されるべき材料の性質およびタイプおよび用途に応じて、変動されることができる。誘電体管の厚さ、誘電強度、および直径は、プラズマ特性および管の内側の温度を変動させ、印刷された特徴／構造の材料性質を調整することを可能にし得る。モジュール式設計は、類似する、または縦軸に沿って種々の直径である、２つ以上の誘電体管の継合を可能にする。
いくつかの実施形態では、誘電体管の直径は、約０．０２ｃｍ〜約２ｃｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の直径は、少なくとも約０．０２ｃｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の直径は、最大で約２ｃｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の直径は、約０．０２ｃｍ〜約０．０５ｃｍ、約０．０２ｃｍ〜約０．１ｃｍ、約０．０２ｃｍ〜約０．５ｃｍ、約０．０２ｃｍ〜約１ｃｍ、約０．０２ｃｍ〜約１．５ｃｍ、約０．０２ｃｍ〜約２ｃｍ、約０．０５ｃｍ〜約０．１ｃｍ、約０．０５ｃｍ〜約０．５ｃｍ、約０．０５ｃｍ〜約１ｃｍ、約０．０５ｃｍ〜約１．５ｃｍ、約０．０５ｃｍ〜約２ｃｍ、約０．１ｃｍ〜約０．５ｃｍ、約０．１ｃｍ〜約１ｃｍ、約０．１ｃｍ〜約１．５ｃｍ、約０．１ｃｍ〜約２ｃｍ、約０．５ｃｍ〜約１ｃｍ、約０．５ｃｍ〜約１．５ｃｍ、約０．５ｃｍ〜約２ｃｍ、約１ｃｍ〜約１．５ｃｍ、約１ｃｍ〜約２ｃｍ、または約１．５ｃｍ〜約２ｃｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の直径は、約０．０２ｃｍ、約０．０５ｃｍ、約０．１ｃｍ、約０．５ｃｍ、約１ｃｍ、約１．５ｃｍ、または約２ｃｍである。
電圧源に接続されるであろう電極は、一次誘電体管に沿って分散される。電極の数は、２つ以上であり得、電極のうちの１つの表面積は、第２の電極のものの２倍よりも大きい。電極は、誘電体管の外周に沿って設置されることができるか、または電極のうちの１つは、誘電体管の内側に設置され、他のものは、外周に沿って設置されることができるか、または電極は、電極の一部が誘電体管の内側部分に暴露されるように、誘電体管の内側に埋め込まれることができるかのいずれかである。
電極のうちの１つまたは全ては、形状が類似し得るか、または１つ以上のものは、円周に沿った巻装のような平面テープまたはワイヤのもののような任意の形状、または誘電体の内側に埋め込まれたときに尖った縁または鋭いブレード様であり得るか、または電極のうちの１つは、ロッド形状であり、誘電体管の内側に設置されることができるかのいずれかである。しかしながら、誘電体管の内側に埋め込まれる電極を除く全てのこれらの場合では、電極分離距離は、印刷の要求される構成／用途／品質に応じて変更されることができ、誘電体の円周に沿って分散される電極は、縦軸に沿って移動可能である。
いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、少なくとも約５ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、最大で約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１５ｍｍ、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ、または約３５ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、または約４０ｍｍである。
いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、少なくとも約１ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、最大で約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍ、約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１ｍｍ〜約７５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約７５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約５０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約７５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約７５ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１２５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１２５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、または約１５０ｍｍ〜約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ、約１０ｍｍ、約２５ｍｍ、約５０ｍｍ、約７５ｍｍ、約１００ｍｍ、約１２５ｍｍ、約１５０ｍｍ、または約１８０ｍｍである。
電極は、電極の数、サイズ、および間隔が、容易に変更され、調整された特性を伴う材料の確実かつ再現可能な印刷のために、電極の用途特有の精密な構成を通してプラズマ特性を制御する機会を提供し得る、プリントヘッドのモジュール式設計の一部である。誘電体に沿って分散される複数の電極を使用して、プラズマを発生させ、類似または種々の電位を電極の種々のセットに印加することは、プラズマ特性に勾配を生成し得る。ある場合には、プラズマゾーン内の材料の滞留を増加させること、および結果として生じた印刷された特徴の電子または機械または光学または化学性質の変化をもたらすこと等の材料性質を著しく変化させるであろう、温度勾配が、生成される。
電極の間の間隔を変化させるための設備は、プラズマ特性、故に、印刷された材料の品質を変化させる機会を提供する。例えば、それらの間に１センチメートルの間隔を伴って誘電体管の外周に沿って分散される２つの電極は、所与の外部から印加された電位に関してあるプラズマ特性を有するであろう。しかしながら、同一の電位に関して、電極間隔が２センチメートルまで増加される場合、プラズマ特性は、異なり、より高い電位が、プラズマを点火および持続するために要求されるであろう。２つの構成の下で印刷されるフィルムの品質は、流率、印加された電圧、印刷時間、またはそれらの組み合わせのような固定されたプラズマプロセスパラメータの所与のセットに関して、有意に変動し得る。
電極の空間分布を変化させ、材料を印刷することは、プラズマ内の熱エネルギー、プラズマ内の電子およびイオン密度、プラズマ内の種々の種と印刷されるべき材料との間の衝突、また、印刷中に材料および基板上に伝達される運動量のようなパラメータを変化させることを可能にする。プリントヘッドから電極を除去する必要なく、単一ステッププロセスで電極間隔を変化させる安全なオプションを伴うプラズマジェットプリントヘッドは、プラズマジェットプリントヘッドを使用して印刷された材料の性質を調整するユニークな能力を提供する。
本明細書に説明されるプリントヘッドは、プリントヘッドの内部構成要素のうちのいずれの間にもいずれの電気アークも伴わずに、または基板を伴って、または基板ホルダを伴って、または印刷されている材料を伴って、限られたゾーン内で複数の電極を接続することができる。取外可能な誘電体管と、金属電極と、電極、基板、基板ホルダ、調整された材料性質を伴う材料を印刷するためのコーティングされた材料との間でアーク放電を回避する誘電体カプセル化とを備える、モジュール式プリントヘッド設計を伴う、画定された幾何学形状でプラズマジェットを使用して材料を印刷するための装置が、開示される。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、印刷のための基板に向かって材料を集束させるために使用され得る、誘電体管を縦軸に沿って取り付けることを可能にする。誘電体管の長さ、直径、および体積を増加させる、減少させる、狭くする、または広くする能力は、プラズマ体積を変化させ、ひいては、プラズマとの印刷されるべき材料の相互作用を調整する機会を提供する。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、要求される特徴サイズおよび解像度を印刷するために使用され得る、画定されたオリフィス直径を伴う交換可能ノズルを取り付ける、または除去することを可能にする。オリフィス直径は、誘電体管と同一のままであり得るか、またはシリコン微細機械加工ノズルの使用により、５センチメートルから５ミクロンまで変動する要求される解像度に適するように、５０ｎｍまでのサブミクロンレベルまでさらに狭くされることができるかのいずれかである。別の構成では、大面積コーティングは、同時印刷または５ｃｍよりも大きいより大きい直径のオリフィスの使用のために、複数の誘電体管またはプリントヘッドを有することによって、達成され得る。
ノズルの狭いオリフィスおよび設計は、外部から印加された電場およびプラズマの存在とともに、基板に向かって集束および加速されるように、誘電体管に進入する材料を駆動し、高解像度および高スループット印刷を可能にすることに役立つ。
プリントヘッドのモジュール式設計はまた、基板に向かって材料を集束させるためのシースガスとして、ノズルにおける不活性または（プラズマを発生させるために使用されるよりも）より高い誘電強度のガスの導入も可能にする。
容易に交換され、また、一次誘電体管に取り付けられ得るノズルは、オリフィスを伴う単純誘電体材料を含む、または微細解像度印刷を可能にするように連続的により狭くなる内側寸法を伴って設計される、または浮遊電位にあるか、または接地に接続されるかのいずれかであり得る、金属を内側または縁に含有することができる。ノズルにおける金属の存在は、プリントヘッド内のプラズマと基板または基板ホルダまたは印刷されている材料との間のアーク放電を低減させることに有意な役割を果たすことができる。
プラズマおよび高電圧内のアークは、一般的な現象である。しかしながら、印刷用途に関して、アーク放電は、基板またはプリントヘッドの構成要素を損傷し得るため、回避されるべきである。プリントヘッドのモジュール式設計は、安定した無アークプラズマが持続し、電極の間のアーク放電、またはプラズマと基板または基板ホルダまたは印刷されている材料との間のアーク放電を防止することを可能にする。
誘電体管の円周に沿って設置される電極に高電圧を印加することは、以降では外部アーク放電とも呼ばれる、誘電体の外部のアーク放電、または以降では内部アーク放電とも呼ばれる、誘電体管の内部のアーク放電、または両方を引き起こし得る。印刷用途に関して、電極の間の内部および外部アーク放電の両方が、防止されるべきである。
プリントヘッドのモジュール式設計は、電極の間のアーク放電、またはプラズマとプリントヘッド内の電極との間のアーク放電を防止する、複数の特徴を組み込む。アーク放電を防止するための方法のうちの１つは、電極の不均等な表面積を使用することである。別の方法は、電極が周囲環境に暴露されないように、電極のより厚い誘電体カプセル化を使用することである。
誘電体管の円周に沿って分散される電極があると、電場が広い面積にわたって拡散され、アーク放電を最小限にするように、電極のうちの１つは、他の電極のものの２倍よりも大きい表面積を有する。
誘電体管の外周に沿って分散される電極の間のアーク放電を防止するための主要な特徴は、その厚さが、電極が分散される一次誘電体管の厚さの３倍よりも大きい、誘電体材料で電極をカプセル化することである。カプセル化された誘電体の全誘電強度は、電極が分散される一次誘電体管のものよりも高い。
印刷されるべきエアロゾル化された材料を搬送するキャリアガス、およびプラズマ放電を発生させるために使用されるガスは、材料の性質、および要求される結果として生じた印刷された材料の性質に応じて、同一であるか、または異なるかのいずれかであり得る。材料へのプラズマ種の影響が、最小限にされ、プラズマを含有する最小限の領域に制限されるものである場合において、非反応性のより高い誘電強度のキャリアガスが、材料を移送するために使用されることができ、アルゴンまたはヘリウムのもののようにより低い誘電強度を伴うガスが、プラズマ放電を発生させるために使用されることができる。より高い誘電強度のキャリアガスはまた、ノズルにおける集束ガスとして使用されることができ、モジュール式設計は、プリントヘッドの入力マニホールドにおいて、または誘電体管内の電極のより近く、またはノズルにおいてのいずれかで、要求されるガス混合物を送給することを可能にする。
誘電体管内の複数の（２つよりも多くの）電極を接続すること、プラズマ体積および材料とのプラズマ種の相互作用時間を制御するための設備、および電極の前、または間、または後に、入口マニホールドのもののような誘電体管の任意の部分内に要求されるガス混合物を導入するための設備を可能にする、プリントヘッドのモジュール式設計は、プラズマ特性の複雑な制御を可能にし、ひいては、特注材料の印刷をもたらす、材料性質の調整を可能にする。
同一のガス混合物または異なるガス混合物を用いてプラズマを発生させるための種々の入力エネルギーを用いて給電される、複数の電極は、図５に示されるように、一次誘電体管内で二重プラズマゾーンを可能にする。誘電体管の内側の領域は、各プラズマゾーン内に異なるプラズマ特性を有する。例えば、電極２２１ａおよび２２１ｂを横断してより高い入力電気エネルギーを伴うプラズマゾーン１は、より高い温度を有することができ、電極２３１ａおよび２３１ｂを横断してより低い入力電気エネルギーを伴うプラズマゾーン２は、より低い温度を有することができる。電極２２１ａと２２１ｂとの間の一次誘電体管の内側のプラズマゾーン１は、還元環境を有することができ、電極２３１ａと２３１ｂとの間のプラズマゾーン２は、不活性環境を有することができる。これは、印刷された材料の温度駆動または化学的駆動型修飾の両方の複雑な制御を可能にする。プラズマゾーン２は、低ガラス転移材料上への印刷を可能にする活性プラズマ領域を依然として維持しながら、集束または冷却ユニットとして作用することができる。
プラズマゾーン１は、材料の化学、電子、磁気、構造、または形態修飾のための最適な条件を提供し、プラズマゾーン２は、基板、温度、接着、前処理、後処理等の要件に応じて、最良印刷性質のために最適化されたままであり得る。
プリントヘッドは、基板上に材料を指向および印刷する大気圧プラズマを発生させることができ、印刷プロセス中の基板温度は、いくつか例を挙げると、電極構成、電極間隔、印加された電力、誘電体管、ガスの性質によって決定されるように、２０℃と同程度に低い温度から３００℃と同程度に高い温度まで変動することができる。ある場合には、基板温度は、約２０℃〜約３００℃である。ある場合には、基板温度は、少なくとも約２０℃である。ある場合には、基板温度は、最大で約３００℃である。ある場合には、基板温度は、約２０℃〜約５０℃、約２０℃〜約７５℃、約２０℃〜約１００℃、約２０℃〜約１２５℃、約２０℃〜約１５０℃、約２０℃〜約１７５℃、約２０℃〜約２００℃、約２０℃〜約２２５℃、約２０℃〜約２５０℃、約２０℃〜約２７５℃、約２０℃〜約３００℃、約５０℃〜約７５℃、約５０℃〜約１００℃、約５０℃〜約１２５℃、約５０℃〜約１５０℃、約５０℃〜約１７５℃、約５０℃〜約２００℃、約５０℃〜約２２５℃、約５０℃〜約２５０℃、約５０℃〜約２７５℃、約５０℃〜約３００℃、約７５℃〜約１００℃、約７５℃〜約１２５℃、約７５℃〜約１５０℃、約７５℃〜約１７５℃、約７５℃〜約２００℃、約７５℃〜約２２５℃、約７５℃〜約２５０℃、約７５℃〜約２７５℃、約７５℃〜約３００℃、約１００℃〜約１２５℃、約１００℃〜約１５０℃、約１００℃〜約１７５℃、約１００℃〜約２００℃、約１００℃〜約２２５℃、約１００℃〜約２５０℃、約１００℃〜約２７５℃、約１００℃〜約３００℃、約１２５℃〜約１５０℃、約１２５℃〜約１７５℃、約１２５℃〜約２００℃、約１２５℃〜約２２５℃、約１２５℃〜約２５０℃、約１２５℃〜約２７５℃、約１２５℃〜約３００℃、約１５０℃〜約１７５℃、約１５０℃〜約２００℃、約１５０℃〜約２２５℃、約１５０℃〜約２５０℃、約１５０℃〜約２７５℃、約１５０℃〜約３００℃、約１７５℃〜約２００℃、約１７５℃〜約２２５℃、約１７５℃〜約２５０℃、約１７５℃〜約２７５℃、約１７５℃〜約３００℃、約２００℃〜約２２５℃、約２００℃〜約２５０℃、約２００℃〜約２７５℃、約２００℃〜約３００℃、約２２５℃〜約２５０℃、約２２５℃〜約２７５℃、約２２５℃〜約３００℃、約２５０℃〜約２７５℃、約２５０℃〜約３００℃、または約２７５℃〜約３００℃である。ある場合には、基板温度は、約２０℃、約５０℃、約７５℃、約１００℃、約１２５℃、約１５０℃、約１７５℃、約２００℃、約２２５℃、約２５０℃、約２７５℃、または約３００℃である。
プリントヘッドのモジュール式設計は、注文に合わせた材料性質および／または最初の前駆体のような本来の性質を伴う材料を得るための１つよりも多くの方法で、前駆体、ガス、または他の材料をプリントヘッドに導入するための設備を有する。これは、複数の入力および／または二重誘電体管を有することによって、達成されることができる。
プリントヘッド入力マニホールドは、一次誘電体管の中に進入するための、前駆体およびガスのための１つの入力または前駆体およびガスの両方のための１つの入力を有してもよい。マニホールドはまた、一度に１つ、または同時にのいずれかで、１つよりも多くの前駆体またはガスが一次誘電体管に進入するための複数の入力を有してもよい。
プリントヘッドのモジュール式設計は、前駆体またはガスが一次誘電体管の中に進入するための１つ以上の入力を可能にし、一次誘電体管内に二次誘電体管が存在し得る。本構成では、前駆体は、一度に１つ、または同時に、一次または二次誘電体管のいずれか、または両方の中に進入してもよい。本構成での電極は、外側誘電体管内に存在し、内側誘電体管の長さは、変動し得る。内側二次誘電体管の長さは、外側一次誘電体管と同一である、またはそれよりも短くあり得る。内側二次誘電体管の長さは、誘電体管が、外側一次誘電体に設置される電極の十分前で終端する、またはノズルまで伸張する、または一次誘電体管の長さから独立した任意の中間長さをとり得るように、変動されることができる。
一次誘電体からのガス構成物質および／または前駆体／材料入力、および一次誘電体の内側に設置される二次誘電体の長さに応じて、二次誘電体を通して導入される前駆体／材料またはガスは、一次誘電体管にわたって分散される電極によって作成される活性プラズマ領域に面することができるか、または、ノズルまたはノズルの出口における場所のグロー放電領域のみに面することができるかのいずれかである。これは、二次誘電体管を通して導入される材料が、プラズマ誘起性質変化を受けること、またはプラズマ誘起構造、化学、または材料性質変化を受けることなく、その本来の特性を維持することを可能にする。
プリントヘッドのモジュール式設計は、複数の誘電体管が、一次誘電体管内に１つ以上の二次誘電体管を含むための設備を伴って存在することを可能にする。一次および二次誘電体管への入力は、再び独立して制御されることができ、また、二次誘電体管のうちの全てまたはいずれかの長さは、一次誘電体管と同一であるか、または一次誘電体管よりも短いかのいずれかであり得る。
プリントヘッドのモジュール式アセンブリは、その開口部がノズルのオリフィスよりも小さい、画定されたオリフィスを伴うパターン化された集束装置を設置することによって、解像度をさらに改良することを可能にする。モジュール式設計は、印刷するためのパターン化または制御された幾何学形状犠牲マスクの利用を可能にするが、精密なパターンを基板に移送するための付加的手段を提供する、または印刷媒体に暴露される基板の面積を制限することによって、印刷の幾何学形状をさらに精緻化する。これは、プリントジェットを低減させる方法として作用する、ノズル出口オリフィスよりも小さい付加的オリフィスと同程度に単純であり得る。本付加的オリフィスは、ノズルオリフィスが、通常よりも大きくあり、オリフィスを画定する幾何学形状ではなく、結果として生じた印刷の解像度に干渉するプリンタ材料の蓄積の影響をあまり受けなくなることを可能にする。プリンタはさらに、そのような犠牲マスクまたはオリフィスを変化させる自動手段を提供する。
プリントヘッドのモジュール式設計は、ノズルの交換を可能にするだけではなくて、微細解像度またはパターン化された印刷のためにノズルの端部に設置されるノズル先端の交換も可能にする。ノズルの先端においてパターン化されたノズル先端を使用することは、そのオリフィス直径が、印刷のために要求されるよりも大きく、交換可能である本パターン化された先端のオリフィスよりも大きい、固定ノズルを用いた微細解像度印刷を可能にする。モジュール式設計はまた、印刷の幾何学形状を変化させるであろうノズルオリフィスの内径上の堆積材料の蓄積に起因して、清掃または交換を必要とする前に、ノズルの耐用期間を延長させる能力も可能にする。さらに、そのような交換可能ノズル先端は、単一のノズルを用いて可変幾何学形状印刷制御を可能にする。
プリントヘッドのモジュール式設計は、多重材料印刷のための１つのプリンタ内の複数のノズルの構成を可能にする。１つのプリンタシステム内に複数のノズルを伴って構成する、またはクラスタ配列内にノズルを伴って構成する能力は、次々に、または同時に、または、各チャンバが全体的プロセスの異なるステップを実施し、したがって、同一のプリンタ内で並行ステップを促進する、複数の材料が次々に別個のチャンバ内の基板上に印刷されるためのクラスタ構成でのいずれかで、複数材料が同一のシステム内の基板上に印刷されることを可能にする。
プリントヘッドへの前駆体入力は、印刷されるべき材料のエアロゾルを作成する、ネブライザを通して起こり得る。ネブライザは、エアロゾル化された材料の液滴径を制御するための特徴を有することによって、独立して制御されることができ、噴霧化された液滴径が、印刷された材料の特性を最適化する別の手段として変動されることを可能にする。
電子回路、伝導性トレース、受動電子構成要素の印刷は、通常、平面基板上で実施される。ポリマー、非平面的表面、３Ｄ物体およびステップ、バイアル、ウェル等の上に伝導性トレースおよび回路を印刷するための必要性は、特に、相互接続技術、散開ウエハレベルパッケージング、研究室デバイス、ウェルプレートを使用する試験等において、増え続けている。マグネトロンスパッタリング、電気化学コーティング、熱蒸発等のような従来的に使用されている堆積技術は、もはやこれらの用途のために魅力的ではない。スクリーン印刷、インクジェット印刷、およびエアロゾルジェット印刷のような直描印刷技法は、印刷のための代替経路として幅広く研究されている。そのアスペクト比が高く、深度が数十マイクロメートルから数ミリメートルまで変動する、バイアル、ステップ、ウェル等の上の印刷は、困難である。そのような長い作業距離内で印刷し得る、高度に指向性の印刷を得る必要性がある。プラズマジェット印刷のモジュール式設計は、プラズマプロセスパラメータおよび印加された電圧を使用して、流体流およびジェットを制御する能力を提供し、故に、バイアル、ステップ、ウェル、３Ｄ物体等内で印刷する可能性を有する。
バイアル、ステップ、ウェル、および非平面的表面上に伝導および絶縁層を含む、電子材料の印刷は、長い作業範囲にわたって印刷を可能にする技法を要求する。プリントヘッドノズルと印刷が実行されるものである基板との間の作業距離は、通常、インクジェットおよびエアロゾルジェット印刷のような最先端のプリンタでは、数ミリメートルの範囲内で非常に小さい。３次元であるバイアル、ステップ、ウェル上に印刷を伴う用途に関して、必要性は、これらの表面上への粒子の効率的な指向された送達である。外部から印加された電磁場によって制御されるプラズマジェットは、バイアル、ウェル、ステップ、および非平面的表面上に材料を印刷するために効率的に使用されることができる。減少する通路部直径を含有するプリントヘッドノズルが、そのような３次元表面上に微細なトレースおよびパターンを印刷するために、正常に使用されることができる。
シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）内の３Ｄ相互接続および集積回路（ＩＣ）パッケージング内の３Ｄ統合のための高度金属化技法の高まる必要性がある。また、種々のガラス転移温度およびガス放出性質を伴う一連の基板内に、プリント回路基板、相互接続、アンテナ、突起を含む、伝導性パターンを印刷するための需要もある。
可撓性電子機器、ディスプレイ、およびウェアラブル監視技術は、金属化のための従来の技法が適用することは困難である、プラスチック、セルロース、ポリマー、テキスタイルのような可撓性の非従来的な基板上に伝導有機物および／または金属コーティングおよび相互接続を含む、伝導材料の印刷を要求する。プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、これらの広範囲の基板上のこれらの伝導および絶縁材料および電子デバイスの印刷を可能にする。
プリントヘッドのモジュール式設計は、バッテリ、燃料電池、光起電デバイス、光触媒変換器等を含む、デバイスのための電極の印刷を可能にする。電極は、効率的なエネルギー変換、エネルギー発生、貯蔵等のための適切な形態を伴って、平面的および／または多孔質であり得る。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、バッテリ、可撓性バッテリ、バッテリ電極、多孔質電極、可撓性電極を印刷することを可能にし、また、結合剤を含まない方法を使用するバッテリ加工も可能にする。モジュール式設計を使用するプラズマジェット印刷は、電極内の不活性結合剤の完全な除去、または電極内の不活性結合剤成分が、他の印刷技法と比較して、より低いレベルに保たれることを可能にする。
モジュール式プリントヘッド設計を使用して印刷される多孔質金属ナノ構造フィルムは、温度およびデューティサイクルを伴って膨張および収縮に対処するバッテリのための電極として使用されることができる。触媒およびＣＯ２変換のために重要であるナノ粗度を伴う多孔質金属または金属酸化物構造もまた、プリントヘッドのモジュール式設計を使用して印刷されることができる。また、銅を含有するＴｉＯ２ナノ構造フィルム（Ｃｕ−ＴｉＯ２共触媒）等の金属複合材料もまた、ＣＯ２変換のためのモジュール式設計を使用して印刷されることができる。
種々の金属、金属酸化物、遷移金属、および複合材料のナノ構造は、プリントヘッドのモジュール式設計を使用して、要求される酸化状態、組成、および形態を伴って印刷されることができる。プラズマプロセスパラメータおよびモジュール式設計は、共触媒複合材料を印刷し、高いＣＯ２変換効率および高い触媒信頼性を得るように最適化されることができる。例えば、種々の支持材料の中に固定化される、またはその上に支持される、Ｃｕ−ＴｉＯ２共触媒、鉄・酸化銅（Ｆｅ−ＣｕＯ）共触媒、Ｃｕベースのナノ粒子（酸化銅およびハイブリッド銅ナノ構造）、および銅ナノ粒子である。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、自動車産業、発電所、宇宙ステーション等内の排出ガス低減を含む、一連の用途において、酸素および炭化水素へのＣＯ２の効率的な変換のための触媒を加工し、埋め込むために使用されることができる。印加された電圧、ガス比、前駆体流比、電極設計のようなプラズマ性質およびプロセスパラメータは、共触媒を加工し、適切な組成および形態を伴って印刷し、人工光合成を可能にすることによって可能な限り最大の変換効率を得るために、使用されることができる。印刷は、導波管、平面的、非平面的表面を含む、一連の基板上で行われることができる。
プリントヘッドのモジュール式設計は、ポリマー、有機物、無機物、グラフェン、酸化グラフェン、還元された酸化グラフェン、金属、合金、複合材料、半導体、磁性物、絶縁体等の印刷およびコーティングを含む、一連の用途に使用されることができる。これは、ウェアラブル機器、ウェアラブルモニタ、テキスタイル、衣服、靴、医療デバイス、インプラント、診断デバイス等を含む、用途のために、一連の基板上に乾燥形態でポリマーを印刷し、重合を増加させるために、または材料（不純物、溶媒）を除去するために、熱硬化、焼鈍、または後処理処理プロセスを回避する方法を提供する。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計は、多種多様な用途のための金属・ポリマー複合材料、合金、ポリマーコーティング、層状コーティング、多孔質コーティング、ハイブリッド無機／有機材料、金属・有機ハイブリッド等を作製するために使用されることができる。プラズマプロセスパラメータおよびプリントヘッドのモジュール式設計は、乾燥形態でのパターン化の有無を問わず、薄い、厚い、または多孔質フィルムとして、乾燥形態で種々の材料組成、構造、および形態を印刷することを可能にする。
プラズマジェットプリントヘッドは、プラズモンナノ構造、プラズモンフィルム、プラスチック・金属層状プラズモン特徴を印刷し、バイオセンシング、フォトニクス通信、光学デバイス等を含む、一連の用途のためのナノ構造化プラズモンデバイスを加工するために、使用されることができる。プラズマプロセスパラメータ、プリントヘッド設計、および印刷時間は、金、銀等のようなプラズモンナノ構造の充塞の密度、また、層厚さを制御するために使用されることができる。
プラズマジェット印刷は、セルロース、ポリマー等を含む、有機物、また、複合材料を印刷し、異なる密度、架橋強度、および剛性の有機フィルムを作成するために使用されることができる。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式アセンブリは、カーボンナノチューブ、酸化グラフェン等を含む、炭素質材料の印刷を可能にし、また、これらのナノ材料の原位置および印刷後の両方の還元および酸化も可能にする。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式アセンブリは、必要である場合、活性プラズマ領域内で適切なガス混合物および温度勾配を使用することによって、表面上の材料の処理を可能にし、それによって、表面上の材料の形態、表面化学、および／または表面エネルギーが、変化され得る。例えば、アルゴンまたはヘリウムまたは水素またはガス混合物プラズマを用いた平面的銅表面の処理によって、銅ナノ材料特徴が、表面上に形成されることができる。平面的銅表面は、形態およびトポグラフィカルな変化によって、銅ナノワイヤに変えられてもよい。還元による銅の酸化状態の変化によって、銅に還元する酸化銅が、達成され得る。
プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式アセンブリはまた、表面上の有機物および微生物の処理も可能にすることができ、それによって、微生物を不活性化し、表面を滅菌し、必要とされる場合、プラズマ内で酸素ガス混合物を使用するプラズマアッシングによって、表面から微生物および有機物を除去する。複数の入口、二重プラズマゾーン、プラズマ勾配、および温度勾配性質の存在は、微生物の細胞構造を衝突させ、その形態、また、表面化学を変化させ、それによって、微生物を不活性化するために、効率的に使用されることができる。さらに強いプラズマ処理が、アミノ酸、タンパク質等のもののような細胞の細胞内成分を除去し、気化させるために使用されることができ、それによって、細胞構造は、表面からの完全な有機除染を引き起こす。
調節可能な電極は、活性プラズマ領域が、処理されている表面に近く、プラズマ発生種のエネルギー衝突が、細胞構造の物理的歪曲、および任意の酸素種または任意の他の反応性ガス種の存在を引き起こし、細胞構造および細胞成分の表面化学を変化させ、不活性化をもたらす、微生物への物理的歪曲および化学構造変化の二重影響を提供するように、ノズルの近くに設置されることができる。表面の長期処理、または、例えば、酸素およびアルゴンのもののような適切なガス混合物を用いた処理は、細胞残渣を完全に除去し、微生物を不活性化し、処理されている表面から細胞残渣および細胞の有機成分を除去するという二重利益のための下準備をし得る。
本発明のいくつかの特徴および利点は、概して、本概要の節に説明されているが、しかしながら、付加的特徴、利点、および実施形態が、本明細書に提示される、または本願の図面、明細書、および請求項に照らして、当業者に明白であろう。故に、本発明の範囲は、本概要の節に開示される特定の実施形態によって限定されないことを理解されたい。
誘電体管の内側に安定した無アークプラズマを持続することによって、所望の材料性質を伴って画定された幾何学形状で材料を指向および印刷するための複数の除去可能、調節可能、および交換可能なモジュールを伴うプラズマジェットプリントヘッドのモジュール式アセンブリを含有する、印刷装置。
本装置は、誘電体管の内側および電極の間の誘電体管の外側の両方でアーク放電を回避し、プリントヘッドとコーティングされた材料／基板／基板ホルダとの間のアーク放電を回避し、幾何学的様式でネブライザからエアロゾル化された材料を加速させて指向し、誘電体管の壁への材料の最小限の損失を伴い、ノズルを通して指向される材料の高い密度をもたらす、ガスの存在下で誘電体管の内側にプラズマを発生させるように、高電圧電力供給源に接続される、２つ以上の電極をその外側に含有する誘電体管を備え、取外可能な誘電体管は、ともに接続され、その１つの端部は、それを通してキャリアガスおよび印刷されるべき材料がエアロゾル形態で導入される、マニホールドに接続され、他の端部は、連続的に縮小する内径を有し、取外可能であり、それを通して管からの材料が画定された幾何学形状で退出するであろうオリフィスと交換可能であるノズルを形成し、管の中心部分は、電極を含有し、取外可能な管は、誘電体材料から作製され、ノズルは、プラズマとコーティングまたは基板または基板ホルダとの間のアーク放電を回避するように、制御された幾何学的印刷のためにプリントヘッドから外への材料の精密な送達を可能にすることによって、同一の誘電体または異なる誘電体、または金属材料または誘電体および金属の組み合わせから作製されることができる。
取外可能なノズル内のオリフィス直径が、印刷の幾何学形状および解像度を制御するように変動され得る一方で、誘電体管の直径は、固定されるか、または変動されるかのいずれかであり得、印刷されるべき材料は、印刷のために誘電体管からノズルを通して基板に向かった材料の集束放出を可能にするように、外部から印加された電場、プラズマ、およびガス圧力によって生成される運動量を用いてノズルから外へ加速される。
取外可能なノズルの内側部分は、プリントヘッドと基板または基板ホルダとの間のアーク放電を回避するように、接地に接続されるか、または浮遊電位内にあるかのいずれかである金属層と、入口に、出口に、または誘電体管の外周に沿って分散され、プラズマを発生させるように高電圧電源に接続される、電極の間の間隔を変化させるための複数の可動金属電極と、要求される結果として生じた材料特性に応じて、制御された電極面積、電極の間隔、およびその構成を通した所望のプラズマ特性を伴う活性プラズマ領域と、プラズマを発生されるために使用される誘電体管の厚さの３倍よりも大きいカプセル化誘電体の厚さを伴う誘電体カプセル化を有する、各電極とを含有することができる。
本明細書に説明されるプリントヘッド／装置の各電極は、誘電体カプセル化を有してもよい。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化は、電極が取り付けられる誘電体管の厚さ未満である、それに等しい、またはそれよりも大きい厚さを有してもよい。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化は、誘電体管の厚さよりも大きい厚さを有する。ある場合には、誘電体カプセル化は、誘電体管の厚さの少なくとも２倍である厚さを有する。ある場合には、誘電体カプセル化は、誘電体管の厚さよりも少なくとも３倍大きい厚さを有する。ある場合には、誘電体カプセル化は、誘電体管の厚さよりも少なくとも４倍大きい厚さを有する。ある場合には、誘電体カプセル化は、誘電体管の厚さよりも少なくとも５倍大きい厚さを有する。誘電体カプセル化が誘電体管の厚さよりも大きい厚さを有するとき、電極の間のアーク放電は、低減される。ある場合には、電極の間のアーク放電は、排除される。ある場合には、誘電体管内の電極の間のアーク放電は、低減または防止される。
ある場合には、アーク放電は、誘電体管内の誘電体材料と異なる、誘電体カプセル化内の誘電体材料を使用することによって、低減または防止されることができる。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電体材料は、誘電体管の誘電体材料よりも高い誘電強度を有する。誘電強度が、誘電体材料の厚さとともに変動すると、誘電体カプセル化および／または誘電体管の厚さ、幾何学形状、または両方は、それに応じて、対応する誘電強度を最大限にするように調節されることができる。
いくつかの実施形態では、誘電体管の誘電強度は、約５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の誘電強度は、少なくとも約５ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の誘電強度は、最大で約２０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の誘電強度は、約５ｋＶ／ｍｍ〜約７．５ｋＶ／ｍｍ、約５ｋＶ／ｍｍ〜約１０ｋＶ／ｍｍ、約５ｋＶ／ｍｍ〜約１２．５ｋＶ／ｍｍ、約５ｋＶ／ｍｍ〜約１５ｋＶ／ｍｍ、約５ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ〜約１０ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ〜約１２．５ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ〜約１５ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約１０ｋＶ／ｍｍ〜約１２．５ｋＶ／ｍｍ、約１０ｋＶ／ｍｍ〜約１５ｋＶ／ｍｍ、約１０ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約１０ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約１２．５ｋＶ／ｍｍ〜約１５ｋＶ／ｍｍ、約１２．５ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約１２．５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、または約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体管の誘電強度は、約５ｋＶ／ｍｍ、約７．５ｋＶ／ｍｍ、約１０ｋＶ／ｍｍ、約１２．５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ、または約２０ｋＶ／ｍｍである。ある場合には、誘電体管は、アルミナを含み、約１３．４ｋＶ／ｍｍの誘電強度を有する。
いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電強度は、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電強度は、少なくとも約１５ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電強度は、最大で約３０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電強度は、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約２２．５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約２５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約２７．５ｋＶ／ｍｍ、約１５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２０ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２２．５ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２５ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約２７．５ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍ、約２０ｋＶ／ｍｍ〜約２２．５ｋＶ／ｍｍ、約２０ｋＶ／ｍｍ〜約２５ｋＶ／ｍｍ、約２０ｋＶ／ｍｍ〜約２７．５ｋＶ／ｍｍ、約２０ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍ、約２２．５ｋＶ／ｍｍ〜約２５ｋＶ／ｍｍ、約２２．５ｋＶ／ｍｍ〜約２７．５ｋＶ／ｍｍ、約２２．５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍ、約２５ｋＶ／ｍｍ〜約２７．５ｋＶ／ｍｍ、約２５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍ、または約２７．５ｋＶ／ｍｍ〜約３０ｋＶ／ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体カプセル化の誘電強度は、約１５ｋＶ／ｍｍ、約１７．５ｋＶ／ｍｍ、約２０ｋＶ／ｍｍ、約２２．５ｋＶ／ｍｍ、約２５ｋＶ／ｍｍ、約２７．５ｋＶ／ｍｍ、または約３０ｋＶ／ｍｍである。電極の間のアーク放電はまた、電極が異なる表面積を有する、電極を使用することによって防止され得る。ある場合には、電極の表面積は、２、３、４、または５倍異なる。いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるプリントヘッドは、第１の電極と、第２の電極とを備え、第１の電極は、第２の電極の表面積と異なる表面積を有する。ある場合には、第１の電極の表面積は、第２の電極の表面積よりも大きくあり得る。ある場合には、第１の電極の表面積は、第２の電極の表面積未満であり得る。ある場合には、誘電体カプセル化は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含み、約１９．７ｋＶ／ｍｍの誘電強度を有する。
いくつかの実施形態では、金属電極はそれぞれ、誘電体管の内側の電極の間に延在された電場を生成することによって、アーク放電を回避するように、不均等な表面積を有する。いくつかの実施形態では、電極のうちの１つは、第２の電極のものの２倍よりも大きい周囲／表面積を有する。
いくつかの実施形態では、１つまたは１つよりも多くの誘電体管が、誘電体管の内側に設置される。これらの場合では、１つ以上の誘電体管は、入口マニホールドからノズルまで延在されることができる。１つ／複数の内側誘電体管の長さは、管から出て来る材料が活性プラズマ領域内にあり、材料がプラズマ種と相互作用し得るように、短くなるように変動され得る。ある場合には、管の長さは、プラズマ種との材料相互作用を回避するように、ノズルまで延在されることができる。管はまた、金属から作製され、電源または接地に接続され、電極として機能することもできる。
随意の複数の電極が、種々の入力エネルギーを複数の電極に提供し、誘電体管内で二重電場を生成し、二重プラズマゾーンを発生させる、同一または異なる電圧源に接続され得る、一次誘電体管にわたって分散される。種々の電気エネルギー入力によって駆動される複数の電極は、勾配プラズマ、故に、誘電体管内の温度勾配を生成する。プラズマを点火するために電極のより近くに一次ガス、必要とされる場合、より高い破壊電圧を伴うキャリアガスを導入するための設備は、プラズマが電極の間に集中され、それによって、電極領域の外側のプラズマの存在を回避し、プラズマ堆積の形態でネブライザをプリントヘッドに接続する管の壁への材料の損失を最小限にするように、エアロゾルをプラズマ領域に輸送するために使用される。
いくつかの実施形態では、調節可能な電極構成は、アセンブリから電極を除去することなく、電極の間の間隔を変更することを可能にし、温度、プラズマ内の平均自由行程／滞留時間、有効プラズマ面積等のようなプロセスパラメータを制御し、具体的材料性質を得る。
いくつかの実施形態では、印刷されるべき材料は、画定された幾何学形状上の印刷のために、誘電体管から基板に向かった材料の集中放出を可能にするように、画定されたオリフィスを用いて、外部から印加された電場、プラズマ、およびガス圧力によって、ノズルから外に加速される。
いくつかの例示的実施形態において、１つの構成では、前駆体またはガスが一次誘電体管の中に進入するための１つの入力が存在し得る。別の構成では、１つよりも多くの前駆体またはガスが、一度に１つ、または同時にのいずれかで、一次誘電体管に進入するための複数の入力が存在し得る。さらに別の構成では、前駆体またはガスが一次誘電体管の中に進入するための１つ以上の入力が存在し得、一次誘電体管内に二次誘電体が存在し得る。本構成では、前駆体は、一度に１つ、または同時に、一次または二次誘電体管のいずれか、または両方の中に進入してもよい。
いくつかの実施形態では、複数の電極が、誘電体の内側、外側に分散される、連続的である、巻装される、誘電体と埋め込まれる等であり得る。
いくつかの実施形態では、誘電体管の電極は、任意のアルミニウム、石英、セラミック、テフロン（登録商標）、機械加工可能なセラミック、マコール等から作製され得る。ある場合には、電極は、導電性材料を含む。ある場合には、電極は、１つ以上の電圧源に接続される。ある場合には、電圧源は、ＤＣ源、パルスＤＣ源、ＡＣ源、ＲＦ源、およびマイクロ波電圧源のうちの１つを備える。
いくつかの実施形態では、交換可能ノズルは、ノズルから出て来る材料を集束させるための非双方向性シースガスを導入するための設備を有する。ある場合には、調節可能な電極間隔内で、電極の不均等な表面積、誘電体管および誘電体カプセル化の誘電強度および厚さ、極端な印加された電圧源、ガス混合物、および入口マニホールド、プラズママニホールド、およびノズルマニホールドのモジュール式設計は、プラズマ特性の複雑な制御を可能にし、高い分子精度および要求される特性を伴う材料を印刷する。
いくつかの実施形態では、モジュール式アセンブリは、適切なガス混合物および電極構成を使用して、表面上の材料および／または微生物を処理するため、エネルギーイオン衝突およびプラズマ内で発生される反応種の組み合わせを通して、標的表面に可能な限り最大の影響を及ぼし、処理されている材料の形態、トポグラフィ、化学構造、分子構造、表面エネルギーを変化させるため、また、表面からいずれの有機分子も除去するために、使用されることができる。
本明細書に提供される本発明の別の側面は、フォトニクスデバイスに関し、より具体的には、フォトニックおよびハイブリッド電子フォトニクスデバイスの製造のための所望の光学性質を伴う光学材料を印刷するためのプラズマジェット印刷装置および方法に関する。
調整された光学特性を伴う光学材料の印刷は、次世代のフォトニクスベースのデバイスの製造において広範囲に及ぶ用途を有することができる。ポリマー材料、エレクトロルミネセント材料、およびプラズモン金属材料を含む、多種多様な光学材料は、次世代通信および情報システム、光学切替、コンピューティング、および有機発光ダイオードおよびフォトニックディスプレイの両方であるディスプレイパネルの製造において主要な要素である。
従来的な製造方法は、追求されている材料の性質およびタイプ、または光学材料が印刷されている基板材料の性質および幾何学形状に必ずしも適合するとは限らない。
一連の基板上の多種多様な光学材料の印刷を可能にし、光学デバイスの低費用かつ高性能の加工を可能にし得る、新規の製造技術の必要性がある。
モノのインターネット、接続されたデバイス、電気通信、およびクラウドコンピューティングの急速な成長により、データセンタおよび高性能コンピュータの帯域幅要件が、著しく増加している。これらすべての要因は、データの指数関数的成長を駆動しており、金属相互接続の機能限界を超えたデータ密度および転送速度に対処する必要性が結果として生じる。電力消費、データトラフィック輻輳、および雑音が、主要な問題になる。ハイブリッド構成として電子システムに適合する光学相互接続システムの必要性がある。コンピュータシステム内の埋込型光学通信チャネルは、より高い帯域幅容量を提供し、業界の必要性を満たし得る。
高度ポリマー材料が、非線形光学および光電子用途に関して追求されている。光学導波管、変調器、光学スイッチ、スプリッタ、有機レーザ源、光学増幅器、および検出器等の有機物ベース構成要素が全て、重点的に研究されている。
ＵＶ、可視、および／またはＩＲ波長範囲内の電磁放射線を誘導し得る、光学的透明材料から作製される光学導波管は、集積光学回路内の構成要素として使用されることができる。
光ファイバおよび光学導波管は、光学相互接続の２つの異なる分類を構成すると見なされ得る。導波管を加工するために使用される材料のタイプによると、光学導波管は、無機または有機として部類されることができる。無機導波管は、主に、二酸化ケイ素ベースであり、有機導波管は、主に、ポリマーベースである。
ポリマー導波管に特有である、より高い帯域幅容量、低い雑音、および低いクロストークは、チャネル密度を増加させるそれらの能力とともに、それらを極めて魅力的にする。故に、ポリマー導波管から作製される基板レベルの光学相互接続が、幅広く追求されている。ポリマーベースのデバイスは、低費用および加工のための単純なプロセスを提供する。
印刷技術は、光学デバイスの加工および構造構成要素上へのそれらの統合を可能にする。
電磁場を金属内の自由電子の発振に結合することによって、ナノメートルスケールで光を制御し得る、別の種々の光学材料は、プラズモン材料を含む。コロイド銀および金粒子等のプラズモンナノ粒子は、強力に散乱し、それらの局所的表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）の近傍の光を吸収する。
金属の自由電子雲への電磁波のプラズモン結合に関して、使用される金属フィルムまたは構造は、ある具体的光学性質を有する誘電体媒体上で支持されるべきである。
プラズモン共鳴強度および波長は、金属の種類、ナノ粒子サイズおよび形状、および周辺媒体の誘電強度に依存する。これらのパラメータの適切な選択肢は、生体分子のプラズモン検出、粒子ベースの治療、ナノアンテナ等を含む、いくつかの用途のために重要である、プラズモン共鳴を調整する能力を提供する。
ナノ粒子およびメタマテリアルの印刷を通して調製されるプラズモン表面は、光電子工学、液晶ディスプレイ、タッチスクリーン等において用途を有する。プラズモン用途のさらなる開発は、プラズモンデバイスの新しい加工方法の出現に依拠する。
透明伝導性インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）基板が、現在、液晶ディスプレイ、タッチスクリーン、および有機発光デバイスを含む、多種多様な光電子デバイス内に透明電極を加工するために使用されている。ＩＴＯ基板上へのプラズモン金属ナノ粒子のプラズマジェット印刷は、将来のプラズモンおよび光電子デバイスを作成することに重要な役割を果たし得る。
サブ波長孔のアレイによって穿孔される厚い金属フィルムは、下層の導波管の光透過を大いに向上させることができる。表面プラズモン共鳴は、そのような導波管の並外れた光透過のための主要な理由であることが報告されている。
直描印刷技術は、精密なサイズ、形状、幾何学形状等を伴って、メタマテリアルとしても公知である、プラズモン材料および加工ナノ材料を印刷することに重要な役割を果たす。厚さ、充塞の密度、粒径および形状、隣接する媒体の誘電強度の精密な制御は全て、プラズモン共鳴のために非常に重要である。
光学パッケージングにおける重要な問題は、チップ・チップ接続および外界へのそのような回路の接続等の平面集積フォトニック集積回路の光学相互接続を伴う。フォトニック集積回路（ＰＩＣ）は、レーザ、光学増幅器、スイッチ、フィルタ、変調器、スプリッタ、移相器、可変減衰器、検出器、および同等物等の光学統合型デバイスを含む、導波管ベースのフォトニック構成要素を指す。ＰＩＣはまた、ＣＭＯＳ電子デバイス等の半導体デバイスとの統合を含むこともできる。
光学導波管を製造するための種々の方法が、ポリマー材料を使用して、使用されている。これらの方法は、フォトリソグラフィ方法、熱エンボス加工方法、反応性イオンエッチング、レーザアブレーション、成形、直接紫外線パターン化方法、レーザ直描方法、インクジェット印刷およびエアロゾルジェット印刷、またはそれらの組み合わせを含む。紫外線（ＵＶ）硬化アプローチは、ＵＶ放射を樹脂またはポリマーに印加し、光重合を引き起こすステップを伴う。光重合反応では、単一有機単位を含むモノマー、またはオリゴマー、すなわち、少数の有機単位を含む分子が、固体架橋ポリマーを形成するように変換または架橋される。
フォトリソグラフィ方法は、基板上にクラッディング材料をコーティングするステップ、焼成、コア材料をコーティングするステップ、フォトレジストを適用するステップ、フォトマスクを使用する暴露、現像、およびエッチングを含む、複数のステップを伴う非常に複雑なプロセスを含む。
熱エンボス加工方法では、コア部分が、成形マスタを使用してアンダークラッド材料内に成形され、コア材料が、成形された構造の中に挿入され、オーバークラッドが、その上に堆積され、紫外線放射が、コア材料を硬化させ、オーバークラッドを接着するために印加される。
紫外線直接パターン化方法では、アンダークラッドが平面基板上に形成された後、紫外線硬化性ポリマーが、コア層としてその上にコーティングされる。次いで、フォトマスクを通した紫外線暴露後、コアパターンが、ポリマー現像剤を使用することによって形成され、最終的に、アッパークラッド材料のコーティングが、適用される。
レーザ直描方法は、レーザ微細機械加工技法に基づく。レーザ直描方法は、フォトマスクを必要とすることなく、プロセスの単純性により、短いプロセス時間、低費用、および広い面積にわたる適用の可能性という利点を有する。
プラズマジェット印刷は、インクジェット印刷、スピンコーティング、スクリーン印刷、浸漬、噴霧の代替として、またはあるタイプの材料を印刷するための補完的技法として、これらの印刷技術のうちの１つまたは１つよりも多くのものと組み合わせてのいずれかで、使用されることができる。
プラズマジェット印刷は、透明伝導性電極基板上へのプラズモンナノ粒子の高速選択的堆積を達成するための代替方略を提供する。
本開示に説明される本発明の実施形態は、特に、光学ポリマー導波管を加工する際に、光学パッケージングを加工する新規の方法として、プラズマジェット印刷を使用する。
導波管性能は、コア側壁等の導波管表面の品質に強く依存する。高い表面粗度または欠陥は、低品質導波管に沿った光散乱損失の最も強力な一因になる。
屈折率変化もまた、導波管の品質およびデバイス性能に重大な影響を及ぼし得る。プラズマジェット印刷プロセスは、表面粗度および屈折率を調整することを可能にする。
プラズマ印刷プロセスパラメータを最適化することは、高透過品質および高解像度を達成する際に不可欠である。プラズマジェット印刷は、単一モードおよびマルチモード導波管の両方の製造を可能にする。
二酸化ケイ素（シリカ）は、一連の用途のための重要な材料である。例えば、シリカが、光の透過のために有用な透明光学材料を形成するために使用されることができる。加えて、二酸化ケイ素は、電子工学およびプラズモニクスにおける用途のための有用な誘電体である。また、二酸化ケイ素は、性質に影響を及ぼすように選択的にドープされることができる。
光学通信のための光学導波管の加工では、シリカ粒子またはシリカフィルムが、プラズマジェットプロセスを使用して、導波管を形成するために印刷されることができる。結果として生じる光学導波管構造の屈折率は、所望の屈折率プロファイルまたは分布、例えば、一様な屈折率、または連続的に変動する屈折率、または明確に画定された側方および／または縦方向境界を伴うプロファイルを得るように、プラズマプロセスを通して改変されることができる。
他の用途は、ディスプレイ要素が、開示される印刷プロセスおよび後続の処理を通して形成され得る、ディスプレイを含む。印刷プロセスは、構造内の選択された場所において所望の光学材料を用いてディスプレイ構造を形成するために有効であり得、光学材料は、特定のドーパントを組み込み、材料の光学的および／または他の物理的性質に影響を及ぼす。
蛍光体粒子のような蛍光または発光材料は、溶液中またはプラズマ印刷中のいずれかで、シリカでコーティングされることができる。ホウ素、リン、および／またはゲルマニウムドーパントが、プラズマプロセスパラメータとして添加されることができる。プラズマジェット印刷が、適切な活性化条件下で発光し得る活性材料を印刷するために、使用されることができる。
プラズマジェット印刷は、ドーパントの有無別の二酸化ケイ素の効果的な印刷が、他の現在使用されている方法が可能にするものよりも高い解像度において構造を形成するための能力を提供する。プラズマプロセスパラメータの適切な制御により、二酸化ケイ素は、急速に、比較的に高い高解像度を伴って印刷されることができる。広範囲の組成にわたって選択されたドーパントを導入する能力は、使用される二酸化ケイ素フィルムまたは粒子の性質に基づいて、対応して広範囲のデバイスを形成する能力を提供する。
プラズマジェット印刷は、容易に設計され得る恣意的２Ｄ回路に沿って、透明電極上に多数のコロイドプラズモン金属ナノ粒子の高速かつプログラム可能な堆積を可能にする。
プラズモンは、グラフェン内に作成され、多くのユニークな性質を伴う材料を提供し、光操作の実用的に有用な方法を可能にし得る。そのようなグラフェンプラズモンは、コンピューティングおよびディスプレイにおいて広範囲に及ぶ用途を有することができる。単独でグラフェンの同調可能なプラズモン特性、および貴金属ナノ構造とのグラフェンプラズモニクスの組み合わせは、グラフェンを伴わない従来の貴金属プラズモニクスによって容易に達成されない広範囲の用途を提供する。
グラフェンの多用途性は、グラフェンベースのプラズモニクスが、極めて高速、低駆動電圧、低電力消費量、およびコンパクトなサイズを伴って、約０．５テラヘルツ〜約３００テラヘルツの異なる周波数範囲内で稼働する新規の光学デバイスの製造を可能にし得ることを意味する。中赤外およびより長い波長におけるグラフェンプラズモンが、公知である。制御されたドーピングは、それらが可視および近赤外線状況で作成されることを可能にし得る。
カラーディスプレイ用のアルミニウムナノ粒子のプラズモン共鳴特性の使用が、すでに追求されている。ディスプレイは、ナノ構造で構成されるピクセルのアレイで構成され、色は、散乱される光の特性によって発生される。異なる配列は、異なる色を作成する。アルミニウムプラズモンピクセルは、安価であり、超小型サイズで作製され得、画像解像度を増加させ得るため、電子ディスプレイで使用するために有利である。
キャピラリ内のマイクロ成形（ＭＩＭＩＣ）、グラビア印刷、スクリーン印刷、およびインクジェット印刷を含む、いくつかのアプローチが、酸化グラフェン（ＧＯ）インクを使用して、パターン化された構造を作成するために今までのところ報告されている。最初の２つが、限定されたスケーラビリティに悩まされる一方で、スクリーン印刷は、全ての技法の中から最低解像度を有する。故に、インクジェット技術は、そのようなデバイスの加工のための最も容認された選択肢である。
しかしながら、グラフェンベースの電子デバイスを印刷するために広く使用されている、現在のインクジェット印刷技術は、種々の後処理ステップの必要性に悩まされ、また、基板依存性である。ＧＯベースのインクに関する主要な問題は、高温焼鈍によって、またはヒドラジン蒸気のような還元剤によってのいずれかで行われる、印刷後の還元の必要性である。他の技法は、ＵＶ還元およびアルゴン／水素雰囲気内の焼鈍を含む。
インクを調整することは、成功した印刷プロセスのための主要な役割を果たす。粘度、表面張力、および密度のようなインク性質は、重要であり、基板に従って設計される必要がある。グラフェンインクを含む殆どのインクは、精巧な前および後処理ステップを要求する。したがって、使用中であるインクから独立し、原位置で任意の付加的処理ステップを実施する能力を有する、ロバストな技法を開発する強い意欲がある。プラズマは、低い圧力にあるか、または特に大気圧にあるかどうかにかかわらず、炭素ベースの材料の官能化において著しい可能性を保有する。これは、プラズマ放電がグラフェン構造への同一の元素の異なる化学種の固定を可能にし得るためである。大気圧プラズマジェット印刷は、したがって、従来の印刷技法のいくつかの解決の難しい問題を克服するための理想的な解決法であり得る。
本明細書で詳細に説明されるように、ＨｅおよびＨ２プラズマを用いた還元された酸化グラフェンのプラズマジェット印刷は、高酸性前駆体から酸化グラフェンを同時に堆積させ、それを還元することができる。堆積されたフィルムは、それらの性質を向上させるように、プラズマでさらに処理されることができる。本プロセスは、湿式化学ベースの調製に関与する全ての中間ステップを効果的に無効にする。酸素官能基の除去は、酸化グラフェンフィルムの電子性質に決定的影響を及ぼすことが予期される。
プラズマジェットプロセスは、外部の後プロセスを必要とすることなく、原位置で高酸性酸化グラフェンを還元することができる。いかなる他の印刷技法も、現在までこれを達成していない。酸化グラフェンの合成中に別様に形成される反応中間体は、プラズマ内の還元ガスの導入によって排除されることができる。本還元プロセスは、黒鉛格子のｓｐ２構造の回復を補助する。
本発明の一側面によると、フォトニクスおよびハイブリッドフォトニクスデバイスを加工するために調整された光学性質を伴うプラズマジェットを使用する、光学材料の直描、乾式印刷、およびパターン化のための装置が、提供されている。材料は、単一の層上に、または複数の層として印刷されることができる。印刷は、均質材料として、または１つまたは１つよりも多くのタイプの材料、または同一の材料の１つよりも多くの変形例を含有する、ハイブリッドフィルムとしてのいずれかであり得る。加工されたデバイスの用途は、限定ではないが、通信および情報システム、光学パッケージング、コンピューティング、およびディスプレイパネルを含む。本明細書に説明される方法および装置は、均質またはハイブリッドフィルムとして調整された材料特性を伴う、有機物、無機物、プラズモニクス等の多重材料の印刷を促進することができる。
１つの装置は、直描乾式印刷を可能にするプラズマを発生させるためのモジュール式プリントヘッドを備える。いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、１つまたは１つよりも多くの光学材料および／または１つまたは１つよりも多くのガス混合物をプリントヘッドおよびプラズマ領域の中に入れるための入口モジュールを備える。いくつかの実施形態では、モジュール式プリントヘッドは、材料を印刷するためのオリフィスを含有する、ノズルを備える。いくつかの実施形態では、マスクが、光学材料のパターン化のためにプリントヘッドに取り付けられることができる。マスクは、プリントヘッドとともに移動される、または圧電モータ、または相対運動を生成するある他の手段を使用して、独立して移動されることができる。圧電モータまたは他の手段は、マスクが移動してパターンを作成している間に、プリントヘッド全体が静止したままであり得るように、マスクに取り付けられる。
マスクは、フォトリソグラフィ、シリコン微細機械加工、光化学機械加工、精密機械加工、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、またはそれらの組み合わせのようないくつかの公知の方法のうちのいずれかを使用して、製造されることができる。マスクは、インクジェット、エアロゾルジェット、スクリーン印刷、またはそれらの組み合わせ等の他の印刷方法によって達成されない、ミクロンまたはサブミクロン幾何学形状で特徴サイズを印刷することを可能にすることができる。マスクは、印刷における要求される特徴サイズに応じて、また、材料の性質に応じて、マスクが必要に応じて除去および交換され得るように、ノズルの出口においてプリントヘッドのモジュール式アセンブリに取り付けられることができる。
一実施形態では、モジュール式プリントヘッドの入口は、入口を通してプリントヘッドに進入する材料からエアロゾルミストを作成する、噴霧器またはネブライザを含有する。ある場合には、噴霧器またはネブライザは、コロイド含有光学材料のエアロゾルミストを生成する。ある場合には、噴霧器またはネブライザは、プラズマまたはポリマー混合物によって重合され得る、前駆体／モノマーのエアロゾルミストを生成する。ある場合には、噴霧器またはネブライザは、空気圧で動作されることができる。ある場合には、噴霧器またはネブライザは、ガス流および圧電動作周波数の適切な値を使用して、粒径が事前決定されることを可能にする、圧電方法によって動作されることができる。均質または異種またはハイブリッドフィルムを作成するように、１つの材料が、導入されてもよいか、または複数の材料が、同時に導入されてもよいかのいずれかである。複数の材料の場合に関して、１つよりも多くのガス供給源が、質量流コントローラを通して入口に取り付けられてもよい。１つ以上のガスが、プラズマを発生させるために使用され、必要性に応じて、還元ガスまたは酸化ガスまたは任意の他の化学反応性ガスまたはガス混合物が、印刷されている材料の光学性質を調整するために使用されることができる。ガスおよび液体前駆体入口はまた、基板を前処理するために、および／または印刷されたパターンを後処理するために、使用されることもできる。一実施形態では、装置、モジュール式プリントヘッドはまた、表面から材料をエッチングするために、プラズマエッチャとして使用されることもできる。同一の入口はまた、印刷中に誘電体管の内側部分に沈殿される材料をエッチングまたは除去し、ノズルおよびプリントヘッドを効果的に清掃するために使用されるであろう、適切なガス混合物および／または液体前駆体を導入することによって、プリントヘッドを清掃するために使用されることもできる。
プリントヘッドまたはマスクのいずれかは、１つ以上の化学勾配が生成されるように移動されることができ、光学性質は、定義された光学性質を伴う材料の離散単位を生成するように、連続的に、または非連続的にのいずれかで、変動され得る。境界が、プリントヘッドまたはマスク移動および入力材料およびガス混合物の慎重な制御の組み合わせを使用して、画定されることができる。
プリントヘッドはまた、印刷された材料の幾何学形状が原位置で修正され得るように、オリフィスのサイズおよび形状を制御する能力を有してもよい。オリフィスサイズおよび形状制御の１つのそのような方法は、１つのプレートが他のものに関して移動するときに、オリフィスのサイズおよび形状を変化させるように、前縁の中に機械加工される成形された切り欠きを有する、摺動接触する２つの個々のプレートを伴う。本相対移動は、圧電モータ、ステッピングモータ、または類似するものを用いて、制御されてもよい。印刷している間にオリフィスのサイズおよび形状を変動させることは、印刷された材料の幾何学形状および断面外形を制御する付加的方法を提供する。
二酸化ケイ素（シリカ）のプラズマジェット印刷は、シリカナノ粒子を含有するインクを使用して、またはオルガノシランまたはシロキサン前駆体のプラズマ重合によってのいずれかで、実施されることができる。シリカナノ粒子の場合、表面化学は、適切な反応物質を混合することによって溶液を介して、または１つまたは複数の適切なガス混合物を導入し、ナノ粒子の表面を改質することによってプラズマプロセスを介してのいずれかで、変化されることができる。オルガノシランまたはシロキサンのプラズマ重合の場合、フィルム化学および屈折率は、プリントヘッド内に適切なガス混合物または反応物質を導入することによって、変化されることができる。
後者の場合、ガス混合物または反応物質等の表面改質剤が、プリントヘッドの中に導入されることができる。表面改質の程度および重合の程度は、対応するプラズマプロセスパラメータの選択によって制御されることができる。ある場合には、二酸化ケイ素を印刷している間に炭素ベースまたはフッ素ベースの源を導入することは、低Ｋ誘電体フィルムを生成することができる。ある場合には、窒素を導入することが、高Ｋ誘電体フィルムを生成することができる。シリカコーティングが、シロキサン前駆体のプラズマ重合によって形成される場合において、プリントヘッドの中への酸素流率を制御することは、種々の炭素含有量および屈折率を伴うフィルムをもたらし得る。
酸化グラフェンを使用する、いくつかの実施形態では、水素またはアンモニアのような還元ガスは、酸化グラフェンが原位置で還元され、印刷されたパターンが還元された酸化グラフェンを含有するように、プリントヘッドの中に導入されることができる。
ある場合には、プラズマジェット印刷プロセスの出力は、基板上に印刷される乾燥材料である。主要な代替物と比較して、これは、硬化ステップと、解像度および線幅に影響を及ぼし得る液体の液滴の拡散との両方を除去する。光学導波管の比較的に迅速、安価、かつ容易な製造が、したがって、プラズマジェット印刷を用いて達成されることができる。
図１３は、前駆体およびガス入口モジュール１００と、プラズマモジュール２００ａおよび２００ｂと、ノズルモジュール３００とを含有し、それらの全てがエンクロージャ４００内にある、例示的プラズマプリントヘッド１の断面図を示す。プラズマプリントヘッドは、材料をエアロゾル化し、入口マニホールドにおいてエアロゾル化された材料およびガス混合物を混合し、プラズマを発生させ、プリントヘッドに進入する材料を指向、加速、および／または処理し、マスクの外側に設置される基板上に定義された解像度を伴って印刷する。入口モジュール１００は、それを通して液体前駆体、エアロゾル化されたインク、およびガス混合物が、導入および混合される、入口マニホールド１１０を備える。入口モジュール１００は、誘電体材料から作製され、ガス混合入口１２１および１２２と、噴霧器およびガス混合入口１２１および１２２に進入する液体（以降では「液体前駆体」と呼ばれる、前駆体またはモノマーまたはポリマーまたは液体またはインク）をエアロゾル化する噴霧器／ネブライザ１２３とを含有する。入口モジュールは、誘電体管２１０、およびひいてはノズルモジュール３００に接続されるプラズマモジュール２００ａおよび２００ｂに取り付けられ、その全ては、要求されるプラズマ特性および印刷されている材料のタイプ／品質に応じて、取り除かれ、ともに接続されることを可能にすることができる。
図１３では、入口モジュール１００は、印刷されるべき材料のエアロゾルを発生させる、噴霧器／ネブライザ１２３と、全て入口マニホールド１１０に接続される、複数のガス入口１２１および１２２とを備える。誘電体入口マニホールド１１０はまた、一次誘電体管２１０を入口マニホールドに接続する、開口部１３０も備える。ある場合には、誘電体入口マニホールド１１０はまた、図１４Ａに示されるように、随意の二次誘電体管１４０も備える。電極２２１および２３１は、誘電体管２１０に取り付けられる。電極のうちの１つは、電力供給源の正端子に接続されることができ、もう１つは、負または接地端子に接続されることができる。ある場合には、付加的電極が、必要性に応じて設置されることができる。
入口マニホールド１１０は、管のクラスタ（図に示されていない）を保持する、または入口１２０、１２１、および１２２のクラスタを有することができる。各入口は、１つ以上のガス、１つ以上の前駆体、１つ以上の材料、または１つ以上のガス混合物を導入するために、使用されることができる。ある場合には、各入口は、一次誘電体管の内側に設置される、１つ以上の二次誘電体管を接続することができる。
いくつかの実施形態では、全ての入口１２０、１２１、および１２２は、ガス供給ラインに接続されることができる。いくつかの実施形態では、図１４Ａに示されるように、入口のうちの１つは、ネブライザに進入する液体のエアロゾルミストを発生させ得る、噴霧器またはネブライザ１２３に接続されることができる。
いくつかの実施形態では、図１４Ｂに示されるように、入口マニホールド１１０は、噴霧器またはネブライザが入口モジュールの内側に搭載され得るように、十分なサイズおよび体積であり得る。
いくつかの実施形態では、図１４Ｃに示されるように、入口マニホールド１１０は、２つの異なる液体前駆体がプリントヘッドの中に導入され得るように、エアロゾル発生のための１つよりも多くの噴霧器またはネブライザ１２３および１２４を有することができる。ある場合には、２つのネブライザ１２３および１２４は、類似タイプであり得る。他の場合では、各１つが、異なるように機能することができる。例えば、ネブライザ１２３は、空気圧式ネブライザであり得る、ネブライザ１２４は、圧電ネブライザであり得る、両方は、空気圧式ネブライザであり得る、または両方は、圧電ネブライザであり得る。
圧電ネブライザは、必要性に応じて、類似または種々の周波数において動作されることができる。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、少なくとも約０．０５ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、最大で約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約０．１ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約０．５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約０．５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、または約５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ、約５ＭＨｚ、または約１０ＭＨｚである。
いくつかの実施形態では、プリントヘッドは、少なくとも２つのプラズマモジュール２００ａおよび２００ｂを備え、各プラズマモジュールは、プラズママニホールド、すなわち、それぞれ、プラズママニホールド２２０および２３０を含有する。ある場合には、各プラズマモジュールは、電極、すなわち、電極２２１および２３１を含有する。電極は、一次誘電体管２１０の円周に直接接続する。図１３では、電極２２１および２３１は、それぞれ、誘電体エンクロージャ２２２および２３２を囲繞する。また、図１３では、プラズママニホールド２００は、誘電体カプセル化２２２内の電極２２１に接続される電気フィードスルー２２４を含有するものとして示される。プラズママニホールド内の電極２２１および２３１は、それぞれ、調節可能な機械的位置コントローラ２２５および２３５を使用して、一次誘電体管２１０に固定される。
いくつかの実施形態では、位置コントローラは、ねじである、スライドである、または任意の調節可能な固定具から作製されることができる。ある場合には、位置コントローラは、手動手段によって、またはミニモータを使用することによって、一次誘電体管２１０の軸に沿って移動されることができる。電極２２１と２３１との間の間隔は、印刷されている材料の性質およびタイプ、および印刷における分子精度を取得するために要求されるプラズマ特性に応じて、それぞれ、位置コントローラ２２５および２３５を使用して、制御されることができる。
図１５は、内部オリフィス直径３１０を伴う例示的ノズルモジュール３００の断面図である。本例示的実施形態では、オリフィスコントローラまたはマスク３０２が、エンクロージャ４００内に設置される、圧電モータ３０１に接続される。オリフィスコントローラまたはマスク３０２は、一次誘電体管２１０に対して独立して移動されることができる。ある場合には、オリフィスコントローラまたはマスクはまた、一次誘電体管２１０とともに移動されることができる。マスクは、ミクロンまたはサブミクロン範囲内の特徴を有することができ、マスクがないと別様に可能ではない微細幾何学印刷を可能にすることができる。微細幾何学印刷パターン３５２の実施例が、基板３５３上に示される。
図１６は、例示的プラズマモジュール２３０のモジュール式部分の断面図である。本実施形態では、プラズマモジュールは、オリフィスコントローラまたはマスク３０２に直接接続される誘電体管２１０を含有する。
図１７は、プラズマプリントヘッド１が、他のタイプのプリンタ５００と組み合わせて使用され得る、印刷装置の例示的構成を示す。ある場合には、他のタイプのプリンタは、エアロゾルジェットプリンタである。ある場合には、他のタイプのプリンタは、インクジェットプリンタである。プラズマモジュールは、インクジェット、エアロゾルジェット、コールドスプレー、またはそれらの組み合わせを備える、非プラズマプリンタのプリントヘッド５０１に直接取り付けられることができる。いくつかの実施形態では、非プラズマのプリントヘッドは、オリフィスコントローラまたはマスク３０２および／または圧電モータ３０１を伴わずに、プラズマプリンタのプリントヘッドに取り付けられることができる。他の実施形態では、非プラズマプリンタのプリントヘッドは、入口モジュール１００を伴わずに、プラズマプリンタのプリントヘッドに取り付けられることができる。
図１８は、電極と、電極カプセル化と、高電圧ケーブル接続とを含有する、エンクロージャを伴う例示的プリントヘッドの３次元像である。
図１９は、噴霧器／ネブライザと、入口マニホールドと、電極および高電圧ケーブルを伴う誘電体管と、誘電体管の一部を封入するエンクロージャとを備える、例示的プリントヘッドの写真である。
図２０は、封入された電極を伴う誘電体管、および底部に示されるプラズマジェットを伴うエンクロージャを示す、例示的プリントヘッドの下側（出口／印刷）部分の写真である。
図２１は、パターン化された印刷、およびノズルを交換する必要なく、オリフィスサイズ、形状、および印刷解像度を調節する能力を示す、オリフィスコントローラまたはマスクの実施形態の例示的上面図を提供する。部分３０２ａおよび３０２ｂは、パターン３０３ａおよび印刷解像度を制御するように独立して移動され得る、オリフィスコントローラの２つの部分を備える。図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃは、それぞれ、３０２ａ、３０２ｂ、および３０２ｃを調節することによって、３つの異なる印刷パターン３０３ａ、３０３ｂ、および３０３ｃが取得される、マスクの異なる実施形態を示す。３つの異なる印刷パターン３５２ａ、３５２ｂ、および３５２ｃが、単一のマスクアセンブリを使用して取得された。
図２２は、オリフィス直径３１０を伴う例示的ノズルモジュール３００の断面図である。ノズルモジュール内のオリフィスは、ノズルオリフィスの軸が、誘電体管２１０の軸（図２２に示されていない）に対して０°〜１７９°まで変動し得るように設計されることができる。ノズルモジュール内のオリフィス角は、印刷材料が基板に対して９０°の法線入射角に対して異なる角度で退出することを可能にするように変動されることができる。
大気圧プラズマジェットを使用する、１つ以上の材料の直描乾式印刷のためのモジュール式印刷ジェット装置が、本明細書に説明される。ある場合には、１つ以上の材料の１つ以上の性質は、プラズマプリントヘッド内で、気体プラズマおよび前駆体およびガス混合物の混合物を使用して、調整される。
いくつかの実施形態では、プラズマジェット装置は、プラズマプリントヘッドを備える。ある場合には、プラズマプリントヘッドは、１つの端部が入口マニホールドを通して近接近して設置される噴霧器またはネブライザに直接接続され、第２の端部がノズルに接続される、誘電体管と、誘電体管の外側にわたって配置され、一次誘電体管の内側でプラズマ放電を発生させるように遮蔽された高電圧ケーブルおよび電力供給源に接続される、２つ以上の電極と、誘電体管の１つの端部に接続する入口マニホールドを使用してプリントヘッドに直接取り付けられる、印刷されるべきポリマー光学材料、プラズモン光学材料、または組み合わせを含有する、１つ以上の液体前駆体源に接続されるネブライザと、誘電体管から出て来る材料がマスクによって基板上に集束されるように、ノズルの出口に設置される圧電モータに接続される、除去可能、交換可能、かつ独立して移動可能なマスクと、プラズマの原位置監視および最適化のために一次誘電体管の温度を測定するための温度センサ、隣接する電子機器に影響を及ぼす、プラズマプリントヘッドからの電磁干渉を防止するための電磁干渉遮蔽メッシュ、誘電体管に近接近して他のセンサを設置するための設備、誘電体管、２つ以上の電極、高電圧ケーブル、マスクを伴う圧電モータ、入口マニホールド、およびエアロゾルミストを発生させるためのネブライザを含有する、エンクロージャと、類似または種々の光学性質を伴う材料およびガスをプリントヘッドの中に導入するためのプリントヘッドへの複数の流体接続とを備える。
材料性質が、フォトニクスおよびハイブリッド電子フォトニックデバイスを加工するように、プラズマプリントヘッド内で、気体プラズマおよび前駆体およびガス混合物の混合物を使用して、調整される、大気圧プラズマジェットを使用する、光学およびプラズモン材料の直描乾式印刷のためのプラズマジェット装置が、本明細書に説明される。いくつかの実施形態では、プラズマジェット装置は、１つの端部が入口マニホールドを通して近接近して設置される噴霧器またはネブライザに直接接続され、第２の端部がノズルに接続される、誘電体管と、誘電体管の外側にわたって配置され、誘電体管の内側でプラズマ放電を発生させるように遮蔽された高電圧ケーブルおよび電力供給源に接続される、２つ以上の電極と、一次誘電体管の１つの端部に接続する入口マニホールドを使用してプリントヘッドに直接取り付けられる、印刷されるべきポリマーおよび／またはプラズモン光学材料を含有する、１つ以上の液体前駆体源に接続されるネブライザと、誘電体管から出て来る材料がマスクによって基板に集束されるように、ノズルの出口に設置される圧電モータに接続される、除去可能、交換可能、かつ独立して移動可能なマスクと、プラズマの原位置監視および最適化のために一次誘電体管の温度を測定するための温度センサ、プラズマプリントヘッドから隣接する電子機器への電磁干渉を防止するための電磁干渉遮蔽メッシュ、誘電体管に近接近して他のセンサを設置するための設備を含有する、エンクロージャであって、誘電体管、電極および高電圧ケーブル、マスクを伴う圧電モータ、入口マニホールド、エアロゾルミストを発生させるためのネブライザを封入する、エンクロージャと、類似または種々の光学性質を伴う材料およびガスをプリントヘッドの中に導入するためのプリントヘッドへの複数の流体接続とを備える、プラズマプリントヘッドを備える。
いくつかの実施形態では、噴霧器またはネブライザは、印刷されるべきモノマーまたはポリマーまたはプラズモン光学材料を含有する、１つまたは１つよりも多くの液体前駆体源に接続され、噴霧器は、一次誘電体管の１つの端部に接続する入口マニホールドを使用して、プリントヘッドに直接取り付けられる。
いくつかの実施形態では、プリントヘッドの誘電体管に直接取り付けられる噴霧器は、液体前駆体のエアロゾルを発生させ、エアロゾル化された液体の液滴の直径および体積を変動させるために使用されることができ、液体前駆体は、前駆体またはモノマーまたはポリマーまたはコロイドまたはインクであり得る。
いくつかの実施形態では、噴霧器は、噴霧器の中に導入される液体のエアロゾルミストを生成する、空気圧式噴霧器または圧電噴霧器であり得る。液体の要求されるエアロゾル液滴径、性質、および粘度に応じて、適切な噴霧器が、選定されることができる。ある場合には、噴霧器は、圧電ネブライザであり、動作周波数は、光学材料を搬送するエアロゾルの液滴径および体積が、プラズマジェット印刷のために最適化されるように、独立して制御されることができる。
いくつかの実施形態では、個別にポリマーおよび／またはプラズモン材料を印刷するために使用され得る、ネブライザ、入口マニホールド、一次誘電体管、二次誘電体管、ノズル、マスク、またはそれらの組み合わせを含む、１つよりも多くのプリントヘッドアセンブリが存在し得る。
いくつかの実施形態では、エンクロージャは、２つ以上の誘電体管を含有することができる。ある場合には、２つ以上の誘電体管のうちの１つ以上のものは、プラズマ放電を発生させるために使用されることができる。
いくつかの実施形態では、印刷されるべき材料は、誘電体管のノズル内のオリフィスを通して基板に指向されることができる。
いくつかの実施形態では、除去可能かつ交換可能マスクが、エンクロージャを通してプリントヘッドに取り付けられ、パターンが印刷され得るように、誘電体管のオリフィスに接近して設置される。ある場合には、マスクは、圧電モータに接続され、一次誘電体管に対して独立して移動される。他の場合では、マスクは、基板上に材料のパターンを描くように、一次電気管とともに移動される。パターンの描画は、材料の印刷、プラズマエッチング、プラズマ硬化、またはそれらの組み合わせによるものであり得る。
いくつかの実施形態では、プリントヘッドへのガス流入口は、入口マニホールドを通している。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドは、以下、すなわち、電極への外部から印加された電圧、異なるガス混合物のガス流率およびガス流量比、液体のエアロゾル流、ネブライザへの液体の流率、マスクと基板との間の作業距離、一次誘電体管直径、オリフィス直径、電極分離、マスク、またはそれらの組み合わせのうちの１つ以上のものを通して、プラズマプロセスパラメータを制御するための変数を可能にする。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドは、結果として生じる印刷されたフィルムの性質が精密に制御され得るように、原位置プロセス制御を可能にする。これらの性質は、フィルム厚さ、線幅、アスペクト比、表面粗度、屈折率、光透過性、プラズモニクス、誘電強度、またはそれらの組み合わせを含むことができる。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドは、印刷が実施されている間に原位置ドーピングを可能にし、また、プラズマプロセスパラメータを変動させることによって、または多孔質構造を作成することによって、１つよりも多くのガスまたは前駆体材料が誘電強度を増加または減少させることも可能にする。
いくつかの実施形態では、ポリマー光学材料は、以下、すなわち、溶液中にあるような本来の光学性質、適切なガス混合物を伴う調整された光学性質、ドープされたポリマー光学フィルム、ハイブリッドポリマー光学およびプラズモンフィルムのうちのいずれかを得るように、適切なプラズマ処理パラメータを伴って印刷されることができる。ある場合には、光学性質は、屈折率、誘電強度、透過性、光透過特性、またはそれらの組み合わせであり得る。
いくつかの実施形態では、印刷されるべき材料は、液体液滴の拡散を回避することによって、またはいずれの後処理の必要性も回避することによって、具体的線幅解像度およびアスペクト比を伴って乾燥形態で印刷される。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドは、ガスに接続される１つ以上の入口と、エアロゾル発生のためのネブライザに接続される１つ以上の入口とを備える。ある場合には、１つ以上のガス入口は、表面の前処理、エッチング、硬化、および／または印刷された材料または表面の重合に使用されることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッドは、ネブライザ、入口マニホールド、電極およびエンクロージャを伴う誘電体管、ノズル、マスク、または組み合わせを備える。ある場合には、プラズマジェットプリントヘッドは、ＸＹＺステージ上に搭載されることができる。ステージは、ワークピース（基板）がステージ上に位置し得る、付加的能力を有してもよい。ステージは、Ｚ軸の周囲で、または多軸ロボット上で回転し、３Ｄ物体、フレキシブル基板を含む、平面的または非平面的表面上に光学、フォトニクス、プラズモン、電子ハイブリッド材料を印刷してもよい。
ある場合には、プリントヘッド自体は、基板に対するプラズマジェットの結果として生じた入射角が、いずれか１つの方向に９０度〜０度の間の任意の角度から制御された様式で変動され得るように、回転することが可能であり得る。ある場合には、プリントヘッドは、その通常動作配向に対して完全３６０度回転し、したがって、任意の方向に印刷を可能にし得る。Ｚ軸の周囲の付加的回転軸とのＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸内の運動の組み合わせ、およびプリントヘッドが、ワークピース（基板）が位置するステージへの入射角に対して回転するための能力は、２Ｄまたは３Ｄワークピース（基板）上の任意の方向への印刷を可能にする。さらに、ワークピース（基板）に対してプリントヘッドを関節動作させる能力が、プリントヘッドオリフィスのサイズおよび形状を修正する能力と組み合わせられるとき、印刷された材料の幾何学形状および断面厚さに対する優れた制御のレベルが、達成されることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッド内のノズルアセンブリは、印刷が、プリントヘッドアセンブリがアクセスできないであろう複雑な構造内で実施され得るように、プリントヘッドから退出する、プラズマ、ガス、および印刷するために使用される材料等の材料の方向が、プリントヘッドの配向に対して変更され得るように、定義された、または変更可能な曲率を有する、ノズルアセンブリと代用されてもよい。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッドは、付加製造機器、インクジェットプリンタ、エアロゾルジェットプリンタ、コールドスプレー、プラズマ処理システム、またはそれらの組み合わせを含む、他の印刷機器と統合されることができる。ある場合には、プラズマジェット印刷は、他の製造技術と並行して、または連続して行われることができる。これは、製造されている任意の他の構造上へのプラズマジェット印刷された材料のインライン製造および埋込を可能にするであろう。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドアセンブリは、単層または多層光学材料を印刷するために、以下の可能性として考えられる組み合わせ、すなわち、１つの層のエアロゾルジェット印刷および後続の層のプラズマジェット印刷、または逆も同様、１つまたは１つよりも多くの層のプラズマジェット印刷、光学材料の活性化、接着、印刷、重合、またはエッチング、または硬化を含む、理由のうちのいずれかのための印刷の前、間、および後の表面のプラズマ処理のうちのいずれかで、使用されることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッドは、屈折率、誘電強度、光学およびフォトニクス透過性、プラズモン性質、またはそれらの組み合わせを含む、制御された光学性質を伴う材料を印刷するために使用されることができる。
調整された屈折率、段階的屈折率、透過性、消散係数、またはそれらの組み合わせを伴って誘電体コーティングおよびドープされた誘電体コーティングを印刷するために、種々のガス混合物およびエアロゾル化された液体前駆体を導入することによって、原位置プラズマ処理を使用して、調整可能な屈折率、調整可能なフォトニック透過性を伴う１つ以上の光学材料を印刷するための装置が、本明細書に説明される。
いくつかの実施形態では、プラズマ誘起屈折率変化は、ガスおよび前駆体混合物を通した原位置プラズマプロセスによる印刷中の表面のプラズマ処理、材料のプラズマベースのドーピング、印刷された表面の後プラズマ処理のうちのいずれか１つまたは組み合わせによって起こり得、プラズマは、大気圧プロセスを使用する該プリントヘッドを使用して、発生される。
いくつかの実施形態では、定義された屈折率およびパターンを伴う光学材料を印刷するための装置は、エアロゾルジェット印刷、プラズマジェット印刷、プラズマ処理、またはそれらの組み合わせを含む、特徴の組み合わせを可能にする。
いくつかの実施形態では、本装置は、プラズモンコーティングを印刷するために種々のガス混合物およびエアロゾル化された金属コロイドを導入することによって、原位置プラズマ処理を使用して、調整可能な金属粒子密度、フィルム厚さ、光透過性、またはそれらの組み合わせを伴うプラズモン材料を印刷するためのものである。ある場合には、該プラズモン材料は、金、銀、アルミニウム、マグネシウム、グラフェン、硫化鉛、量子ドット、またはそれらの組み合わせであり得る。ある場合には、印刷されたプラズモン材料は、ディスプレイ用の色の選択的フィルタリング、および／またはプラズモン光学デバイスおよびハイブリッドフォトニクスデバイス用の光子の結合に使用されることができる。
いくつかの実施形態では、装置は、フィルム内に溶媒を堆積させることなく、フィルム厚さが、溶媒除去、硬化等に依存することなく精密に制御され得る、溶媒を除去し、樹脂を硬化させるために要求される熱処理や硬化のような付加的プロセスステップを排除することによって、かつフィルム内の気泡形成を回避することによって、ポリマー樹脂を印刷するためのものである。
いくつかの実施形態では、ポリマー光学材料およびプラズモン材料の両方は、ハイブリッドコーティングを作成するように入口を通して一次誘電体に同時に導入されるか、または層状コーティングを得るように次々に導入されることができるかのいずれかである。
いくつかの実施形態では、一次誘電体管は、セラミック、アルミナ、石英、テフロン（登録商標）、シリカ、マコール、酸化アルミニウム、またはそれらの組み合わせを含む、無機材料に限定されない、任意の誘電体材料から作製され得る。
材料性質が、フォトニクスおよびハイブリッド電子フォトニックデバイスを加工するように、プラズマプリントヘッド内で、気体プラズマおよび前駆体およびガス混合物の混合物を使用して、調整される、大気圧プラズマジェットを使用する、光学およびプラズモン材料の直描乾式印刷のための方法が、本明細書に説明される。
いくつかの実施形態では、プラズマジェット装置は、プラズマプリントヘッドを備え、プラズマプリントヘッドは、その１つの端部が入口マニホールドを通して近接近して設置される噴霧器またはネブライザに直接接続され、第２の端部がノズルに接続される、誘電体管と、誘電体管の外側にわたって配置され、一次誘電体管の内側でプラズマ放電を発生させるように遮蔽された高電圧ケーブルおよび電力供給源に接続される、２つまたはそれを上回る以上の電極と、一次誘電体管の１つの端部に接続する入口マニホールドを使用してプリントヘッドに直接取り付けられる、印刷されるべきポリマーおよび／またはプラズモン光学材料を含有する、１つまたは１つよりも多くの液体前駆体源に接続されるネブライザと、誘電体管から出て来る材料がマスクによって基板に集束されるように、ノズルの出口に設置される圧電モータに接続される、除去可能、交換可能、かつ独立して移動可能なマスクと、プラズマの原位置監視および最適化のために一次誘電体管の温度を測定するための温度センサ、プラズマプリントヘッドから隣接する電子機器への電磁干渉を防止するための電磁干渉遮蔽メッシュ、誘電体管に近接近して他のセンサを設置するための設備を含有する、エンクロージャであって、誘電体管、電極および高電圧ケーブル、マスクを伴う圧電モータ、入口マニホールド、エアロゾルミストを発生させるためのネブライザを封入する、エンクロージャと、類似または種々の光学性質を伴う材料およびガスをプリントヘッドの中に導入するためのプリントヘッドへの複数の流体接続とを備える。
プリントヘッドオリフィスのサイズおよび形状を修正する能力と組み合わせられる、ワークピース（基板）に対してプリントヘッドを関節動作させる能力は、印刷された材料の幾何学形状および断面厚さに対する優れた制御のレベルを提供する。
印刷が、プリントヘッドアセンブリがアクセスできないであろう複雑な構造内で実施され得るように、プリントヘッドから退出する印刷媒体材料（プラズマ、ガス、および印刷するために使用される材料）の方向が、プリントヘッドの配向に対して変更され得るように、ノズルアセンブリを、定義された、または変更可能な曲率を有する、ノズルアセンブリで代用することによって、プリントヘッドから退出する、プラズマ、ガス、および印刷するために使用される材料等の印刷媒体の方向を変更する能力。
いくつかの実施形態では、印刷されるべきモノマーまたはポリマーまたはプラズモン光学材料を含有する、１つ以上の液体前駆体源は、エアロゾルを発生させるプリントヘッド内に存在する噴霧器またはネブライザを通過され、エアロゾルは、ガス混合物とともにプリントヘッドのプラズマゾーンの中に導入される。
いくつかの実施形態では、エアロゾル化された液体の液滴の体積および直径は、噴霧器によって制御され、液体前駆体は、前駆体またはモノマーまたはポリマーまたはコロイドまたはインクであり得る。
いくつかの実施形態では、エアロゾルミストは、空気圧式または圧電ネブライザによって発生されることができる。正しいネブライザは、液体の要求されるエアロゾル液滴径、性質、および粘度に応じて、選定される。ある場合には、噴霧器が圧電ネブライザであるとき、動作周波数は、光学材料を搬送するエアロゾルの液滴径および体積が、プラズマジェット印刷のために最適化されるように、独立して制御されることができる。
いくつかの実施形態では、エアロゾルミストは、空気圧式または圧電ネブライザによって発生されることができる。正しいネブライザは、液体の要求されるエアロゾル液滴径、性質、および粘度に応じて、選定される。ある場合には、噴霧器が圧電ネブライザであるとき、動作周波数は、光学材料を搬送するエアロゾルの液滴径および体積が、プラズマジェット印刷のために最適化されるように、独立して制御されることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッドは、例えば、疎水性および／または親水性表面を作成するために大気プラズマを使用する、表面の前処理のような表面処理に、またはエッチングする、または硬化させる、またはＵＶ源として作用するため、または表面上に形態変化を生成するために選択的ガス比を伴う大気プラズマを使用する、後処理に、使用されることができる。
いくつかの実施形態では、プラズマジェットプリントヘッドデバイスに取り付けられたマスクは、プリントヘッドから独立して移動されてもよい。ある場合には、プラズマジェットプリントヘッドデバイスに取り付けられたマスクは、材料の印刷、プラズマエッチング、プラズマ硬化、またはそれらの組み合わせのいずれかによって、基板上に材料の１つ以上のパターンを描くように、圧電モータを使用して、プリントヘッドと組み合わせて移動されてもよい。
いくつかの実施形態では、プラズマプリントヘッドアセンブリは、単層または多層光学材料を印刷するために、可能性として考えられる組み合わせ、すなわち、１つの層のエアロゾルジェット印刷および後続の層のプラズマジェット印刷、または逆も同様、１つまたは１つよりも多くの層のプラズマジェット印刷、光学材料の活性化、接着、印刷、重合、またはエッチング、または硬化を含む、理由のうちのいずれかのための印刷の前、間、および後の表面のプラズマ処理のうちのいずれかで、使用されることができる。
プラズマジェットプリントヘッドを使用して、基板上に第１のクラッディング層を印刷するステップと、第１のクラッディング層を刷り込むステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、刷り込まれた第１のクラッディング層上にコア層を印刷するステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、コア層上に第２のクラッディング層を印刷するステップと、クラッディング層上の電極のプラズマジェット印刷とを含み、プラズマは、表面および印刷される材料を前処理、印刷、および後処理し、以下、すなわち、活性化、接着、印刷、硬化、ＵＶ源、エッチング、重合、ドーピング、屈折率等を含む光学性質の調整を含むもののうちのいずれかを達成するために使用され得る、活性ポリマーフォトニックデバイスを製造するための方法が、本明細書に説明される。
プラズマジェットプリントヘッドを使用して、基板上に第１のクラッディング層を印刷するステップと、第１のクラッディング層を刷り込むステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、刷り込まれた第１のクラッディング層上にコア層を印刷するステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、コア層上に第２のクラッディング層を印刷するステップとを含み、プラズマは、表面および印刷される材料を前処理、印刷、および後処理し、以下、すなわち、活性化、接着、印刷、硬化、ＵＶ源、エッチング、重合、ドーピング、屈折率等を含む光学性質の調整を含むもののうちのいずれかを達成するために使用され得る、光学導波管を製造するための方法が、本明細書に説明される。ある場合には、プラズマジェット印刷は、光学導波管のいずれか１つ以上の層を選択的にコーティングするために使用されることができる。
プラズマジェットプリントヘッドを使用して、基板上に第１のクラッディング層を印刷するステップと、第１のクラッディング層を刷り込むステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、刷り込まれた第１のクラッディング層上にコア層を印刷するステップと、プラズマジェットプリントヘッドを使用して、コア層上に第２のクラッディング層を印刷するステップと、第１のクラッディング層または第２のクラッディング層のいずれか、または両方のクラッディング層に接続される電極を印刷するステップとを含み、プラズマは、表面および印刷される材料を前処理、印刷、および後処理し、以下、すなわち、活性化、接着、印刷、硬化、ＵＶ源、エッチング、重合、ドーピング、屈折率等を含む光学性質の調整を含むもののうちのいずれかを達成するために使用され得、プラズマジェット印刷は、光学導波管のいずれか１つまたは１つよりも多くの層、また、導電性電極を選択的にコーティングするために使用され得る、光学導波管を製造するための方法が、本明細書に説明される。
ある場合には、クラッディングおよびコアを印刷するために使用される材料は、シリコンベースのポリマー誘電体水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）およびメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）を使用することによって、該光学要素形成材料が、ＵＶ硬化性接着剤、ＵＶ硬化性樹脂、ガラス、非晶質ポリテトラフルオロエチレン、半透明ポリマー、溶媒化ポリマー、ＰＭＭＡ、ポリスチレン、ポリイミド、オルトケイ酸テトラエチル、ヘキサメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシラザン、レーザ色素を含有するポリマー、ゾル・ゲル材料、光学ワックス、光学エポキシ、光学ポリマー、二酸化ケイ素、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、およびＰＴＦＥから成るポリマー液体群から選択される、液体ポリマーまたはオルガノシランまたはシロキサンから作製される。
ある場合には、コア材料の屈折率は、クラッディングの屈折率よりも高い。ある場合には、光学材料およびフォトニクスデバイスは、クラッドマルチモード導波管であり、第１の屈折率を有する光学材料は、該印刷デバイスから該基板に印刷され、クラッディングよりも高い第２の屈折率を伴うコアを形成する第２の光学材料は、該プラズマジェット印刷デバイスから該基板に印刷される。
ある場合には、本明細書に説明されるようなポリマーベースの導波管デバイスは、シリコン単結晶、シリコン多結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、石英、光学ガラス、および光学プラスチックを含む群から選択される、材料から作製される、基板を備える。光学ポリマーは、概して、いくつか例を挙げると、熱可塑性物質、熱硬化性樹、またはフォトポリマー等の種類に群化されることができる。
いくつかの実施形態では、二酸化ケイ素誘電強度（Ｋ）は、プラズマプロセスパラメータを制御することによって、低いＫを伴う二酸化ケイ素を印刷するための炭素またはフッ素ベースの源を導入し、高Ｋ誘電体フィルムのための窒素を導入することによって、変化されることができ、低Ｋ誘電体の印刷は、ポリイミド、ポリノルボルネン、ベンゾシクロブテン、およびＰＴＦＥを含む、ポリマーを使用することによって、かつシリコンベースのポリマー誘電体水素シルセスキオキサン（ＨＳＱ）およびメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）を使用することによって、達成されることができ、高Ｋ誘電体の印刷は、オキシ窒化物を使用することによって、かつ二酸化ケイ素内に窒素を導入することによって、達成されることができる。
ある場合には、二酸化ケイ素コーティングが、プラズマプロセスパラメータを使用して、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂ、またはそれらの組み合わせを使用してドープされることができる。
ある場合には、前駆体およびガス流率は、個別に、５標準立方センチメートル／分（ＳＣＣＭ）〜５，０００ｓｃｃｍであり得る。ある場合には、プラズマを発生させるために使用される電力は、１ワット〜１００ワットまで変動することができる。ある場合には、プラズマ放電を発生させるために使用される電力供給源は、ＤＣ、パルスＤＣ、ＡＣ、マイクロ波、およびＲＦのうちのいずれか１つまたは組み合わせを備える。ある場合には、プラズマプリントヘッドと基板との間の作業距離は、１ミリメートル〜５センチメートルまで変動することができる。
ある場合には、プラズマ放電を発生させるために使用される一次ガスは、不活性ガス、ヘリウム、アルゴン、窒素、水素、酸素、六フッ化硫黄、空気、不活性および反応性ガスの混合物を含むガスのうちのいずれかに由来し得る。
ある場合には、プラズマジェット印刷を使用して印刷され得るフィルムの厚さは、必要性に応じて、１ｎｍ〜１センチメートルまたはそれよりも大きく変動することができる。
ある場合には、印刷解像度または線幅は、１００ナノメートル〜５センチメートルまで変動することができる。大面積コーティングに関して、プリントヘッドは、ラスタ型であり得る。
いくつかの実施形態では、導波管は、光学コアのみで構成される。他の実施形態では、導波管は、光学コアおよび１つ以上の光学クラッディング層で構成される。
一実施形態では、底部クラッディング層の屈折率は、上部クラッディング層の屈折率に実質的に等しい。
コア領域内のコア材料は、固相または気相であってもよい。例えば、コア材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、または同等物等の固体ポリマーであってもよい。代替として、コア材料は、空気等の１つ以上のガスであってもよい。空気は、約１．０の低い誘電強度を有する。
１つ以上のパターンが、基板上に印刷されることができる。１つ以上のパターンは、単一の層であり得る、または多層であり得る。パターンは、デバイス上に直接印刷される、または他のデバイス（光学的または非光学的）、またはデバイスの要素（例えば、電極）に取り付けられることができる。
いくつかの実施形態では、印刷され得る材料は、グラフェン、シリコーン、およびゲルマネン、ジカルコゲナイド（ＭＸ２）、六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）、フォスフォレン、シリセン、酸化物、酸化グラフェン、および還元された酸化グラフェン多層等の２次元材料を含む。
ある場合には、電極を印刷するために使用される材料は、金属、伝導性ポリマー、有機電子材料、伝導性金属酸化物、カーボンナノチューブ、およびグラフェンのうちの少なくとも１つである。
ある場合には、電極を印刷するために使用される材料は、金属または金属酸化物を含有するコロイドであり得、プラズマジェット印刷プロセスは、金属または金属酸化物の酸化状態および電子構造を調整し、該表面上に高品質伝導電極を印刷するために使用されることができる。金、銀、白金、銅、および合金等の金属、およびカーボンブラック、伝導性エポキシ、またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）等の伝導性材料もまた、使用されることができる。
ある場合には、プラズモン材料は、以下、すなわち、金、銀、アルミニウム、マグネシウム、グラフェン、メタマテリアル、量子ドット、硫化鉛、またはそれらの組み合わせのうちのいずれかであり得る。
ある場合には、印刷されたプラズモン構造は、全てがプラズマプロセスパラメータによって制御され得る、その充塞の密度、フィルム厚さ、材料の性質、および近傍の屈折率に応じて、具体的波長を吸収する。
ある場合には、印刷されたプラズモン材料は、局所的表面プラズモン極性および表面プラズモン共鳴を生成するために使用されることができる。ある場合には、印刷されたプラズモン材料は、フォトニクスおよびプラズモン導波管を結合するため、色変化用途、ディスプレイ、光学パッケージング等に使用されることができる。
本発明の別の側面は、プラズマジェット印刷のためにエアロゾルをプリントヘッドの中に導入するための流体送達アセンブリである。
ある場合には、プラズマジェットプリンタを使用して材料を印刷するために、印刷されるべき１つ以上の材料は、エアロゾル化され、プラズマジェットプリントヘッドの中に導入される。いくつかの実施形態では、１つ以上のエアロゾル化された材料は、プラズマジェットプリントヘッド内のプラズマと相互作用する。プラズマと相互作用した後、１つ以上のエアロゾル化された材料は、１つ以上の基板に向かって指向され、印刷される。
印刷の効率および信頼性を増加させるために、エアロゾル化された粒子のいくつかの特性は、効率的に制御される必要があり得る。ある場合には、制御されるべきエアロゾル化された粒子の特性は、密度、流率、液滴径、噴霧化率、サイズ分布、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。
１つ以上の材料をエアロゾル化するために、１つ以上の噴霧器が、モジュール式流体送達アセンブリを使用して、プラズマジェットプリントヘッドの近くに設置されることができる。ある場合には、モジュール式流体アセンブリは、プラズマジェットプリントヘッドに取り付けられることができる。ある場合には、モジュール式流体アセンブリは、プラズマジェットプリントヘッドから取り外されることができる。
噴霧器が、プリントヘッドの近くに設置されるときに、エアロゾル支援プラズマジェット印刷には、少なくとも２つの主要な問題が存在する。すなわち、（１）プラズマを発生させるために使用されるプラズマジェットプリントヘッド内の電極と電極の近傍に設置される噴霧器の金属構成要素との間の電気アーク放電。本電気アーク放電は、噴霧器を損傷し、また、プリントヘッド内に安定したプラズマをもたらさないであろう。これは、印刷を全くもたらさない、または非常に不良な印刷をもたらすであろう。（２）ガス流が、エアロゾルと直接接触するときに、エアロゾルに直接影響を及ぼし、壁に向かってエアロゾルを完全に変位させ、アセンブリの壁へのエアロゾル化された材料の損失をもたらす、エアロゾルを搬送し、プラズマを発生させるように導入されるガス供給源。これが起こるとき、材料が誘電体管またはスペーサの内面で失われるであろうため、いずれの印刷も存在しないであろう。プラズマジェット印刷のための本明細書に説明されるプラズマジェットプリントヘッドへのエアロゾル化されたインクの効率的な送達のために設計される、モジュール式流体送達アセンブリが、本明細書に説明される。モジュール式流体送達アセンブリは、金属噴霧器とプリントヘッドの電極との間のアーク放電を回避するような方法で設計される。加えて、本明細書に提供される流体送達アセンブリは、壁に向かって変位されるエアロゾルを伴うことなく、かつ急冷されるエアロゾルのミストを伴うことなく、エアロゾル化された材料、エアロゾルをプリントヘッドに効率的に搬送する。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、インクリザーバから成る。いくつかの実施形態では、インクリザーバの容積は、約１００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍである。いくつかの実施形態では、インクリザーバの容積は、少なくとも約１００立方ｍｍである。いくつかの実施形態では、インクリザーバの容積は、最大で約１０，０００立方ｍｍである。いくつかの実施形態では、インクリザーバの容積は、約１００立方ｍｍ〜約５００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約１，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約２，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約３，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約４，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約１００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約１，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約２，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約３，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約４，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約２，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約３，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約４，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約３，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約４，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約４，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約５，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ〜約６，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約６，０００立方ｍｍ〜約７，０００立方ｍｍ、約６，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約６，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約６，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約７，０００立方ｍｍ〜約８，０００立方ｍｍ、約７，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約７，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、約８，０００立方ｍｍ〜約９，０００立方ｍｍ、約８，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍ、または約９，０００立方ｍｍ〜約１０，０００立方ｍｍである。いくつかの実施形態では、インクリザーバの容積は、約１００立方ｍｍ、約５００立方ｍｍ、約１，０００立方ｍｍ、約２，０００立方ｍｍ、約３，０００立方ｍｍ、約４，０００立方ｍｍ、約５，０００立方ｍｍ、約６，０００立方ｍｍ、約７，０００立方ｍｍ、約８，０００立方ｍｍ、約９，０００立方ｍｍ、または約１０，０００立方ｍｍである。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリはさらに、噴霧器と、１つ以上の流体入口と、ガス入口と、穴縁と、誘電体スペーサとを備える。
ある場合には、噴霧器は、圧電振動子、トランスデューサ、または組み合わせを備える。噴霧器は、液体が噴霧器と接触するときに、エアロゾルを発生させることができる。
ある場合には、穿孔プレートが、インクリザーバの内側に設置される。穿孔プレートは、エアロゾルがインクリザーバの反対側のプリントヘッドに向かって退出することを可能にすることができる。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、事前充填されたインクカートリッジを伴う独立型モジュールであり得る。これらの場合において、流体送達アセンブリおよび／またはカートリッジケースは、いったんインクが終わると交換されることができる。
いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリはまた、インクリザーバの中へ、かつリザーバの上の液体入口および出口を通したプリントヘッドまでのインクの連続送給に使用されることもできる。液体入口および出口は、リザーバの底部における噴霧器が、インクを連続的にエアロゾル化している間にインクを再循環させることに役立つ。エアロゾルは、次いで、噴霧器の下方およびアセンブリの側面に設置されるガス入口を使用して、プラズマジェットプリントヘッドに指向される。
ある場合には、ガス入口は、ガスがエアロゾルをプリントヘッドに搬送し得るように、噴霧器の底部および側面に位置する。プラズマを発生させるために、ガス流率は、５０ｓｃｃｍ〜５，０００ｓｃｃｍまで変動することができる。いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、少なくとも約５０ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、最大で約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約２５０ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約７５０ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約２５０ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約７５０ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約７５０ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約７５０ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約１，５００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約２，５００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約２，５００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約２，５００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約２，５００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、または約４，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ、約７５０ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ、約１，５００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ、約２，５００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ、約４，０００ｓｃｃｍ、または約５，０００ｓｃｃｍである。
ある場合には、ガスが、それを通してエアロゾルが退出する噴霧器の後側に面して、そのような流率を伴って側面から直接導入されるとき、エアロゾルは、壁に向かってガス流によって変位され、エアロゾルは、急冷される。噴霧器から退出するエアロゾルミストへのガスの直接暴露を回避するために、穴縁が、噴霧器から退出するエアロゾルとのガス流の直接接触を防止するように噴霧器の底部に構築される。エアロゾルは、次いで、ガスによってプラズマジェットプリンタに向かって搬送され、エアロゾル内の材料は、プラズマによって基板に向かって加速される。穴縁は、ガス流圧が噴霧器から退出するエアロゾルに直接及ぼされないことを確実にする。
いくつかの実施形態では、穴縁の長さは、約２ｍｍ〜約１００ｍｍである。いくつかの実施形態では、穴縁の長さは、少なくとも約２ｍｍである。いくつかの実施形態では、穴縁の長さは、最大で約１００ｍｍである。いくつかの実施形態では、穴縁の長さは、約２ｍｍ〜約５ｍｍ、約２ｍｍ〜約１０ｍｍ、約２ｍｍ〜約２０ｍｍ、約２ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２ｍｍ〜約５０ｍｍ、約２ｍｍ〜約６０ｍｍ、約２ｍｍ〜約７０ｍｍ、約２ｍｍ〜約８０ｍｍ、約２ｍｍ〜約９０ｍｍ、約２ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約５ｍｍ〜約５０ｍｍ、約５ｍｍ〜約６０ｍｍ、約５ｍｍ〜約７０ｍｍ、約５ｍｍ〜約８０ｍｍ、約５ｍｍ〜約９０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約４０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約６０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約７０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約８０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約８０ｍｍ〜約１００ｍｍ、または約９０ｍｍ〜約１００ｍｍである。いくつかの実施形態では、穴縁の長さは、約２ｍｍ、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、約２０ｍｍ、約３０ｍｍ、約４０ｍｍ、約５０ｍｍ、約６０ｍｍ、約７０ｍｍ、約８０ｍｍ、約９０ｍｍ、または約１００ｍｍである。
アセンブリは、削孔または穿孔プレートと、トランスデューサおよび／または圧電振動子とを含む、噴霧器の金属構成要素が、プラズマジェットプリントヘッド内のプラズママニホールドの電極の間の分離距離の最低１．２倍によって、プラズマジェットプリントヘッドの上部電極から分離されるように設計される。
本分離は、プラズマジェット印刷中に噴霧器とプリントヘッドの上部電極との間にアーク放電がないことを確実にする。噴霧器とプリントヘッドの上部電極との間の分離を促進するために、誘電体スペーサが、噴霧器およびプリントヘッドを接続するために使用されてもよい。誘電体スペーサは、誘電体の内壁が、エアロゾルが内面上に吸着されることを回避するため、かつエアロゾルミストおよびガスをプリントヘッドに輸送することに役立つために平滑であるように、設計される。誘電体スペーサは、ガス入口が誘電体スペーサによって遮断されないように、噴霧器アセンブリの穴縁の下方およびガス入口の近くに設置されることができる。誘電体スペーサはまた、管が電極に衝合する前に終端する、または電極の間にある、または電極を越えて延在されるように、その長さおよび形状が変動され得る、内側誘電体管として使用されることもできる。
いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの直径は、約１ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの直径は、少なくとも約１ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの直径は、最大で約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの直径は、約１ｍｍ〜約５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１０ｍｍ、約１ｍｍ〜約１５ｍｍ、約１ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１ｍｍ〜約４０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１５ｍｍ、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ、または約３５ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの直径は、約１ｍｍ、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、または約４０ｍｍである。
いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、約５ｍｍ〜約１２０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、少なくとも約５ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、最大で約１２０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、約５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約５ｍｍ〜約５０ｍｍ、約５ｍｍ〜約６０ｍｍ、約５ｍｍ〜約７０ｍｍ、約５ｍｍ〜約８０ｍｍ、約５ｍｍ〜約９０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約２０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約３０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約４０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約４０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約６０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約７０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約６０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約６０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約８０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約７０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約７０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約８０ｍｍ〜約９０ｍｍ、約８０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約８０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、約９０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約９０ｍｍ〜約１２０ｍｍ、または約１００ｍｍ〜約１２０ｍｍである。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、約２０ｍｍ、約３０ｍｍ、約４０ｍｍ、約５０ｍｍ、約６０ｍｍ、約７０ｍｍ、約８０ｍｍ、約９０ｍｍ、約１００ｍｍ、または約１２０ｍｍである。
噴霧器アセンブリ設計はまた、噴霧器がアセンブリの側面に設置され、ガスが上部から導入されるように、変更されることもできる。また、１つよりも多くの噴霧器およびリザーバユニットの組み合わせが、噴霧器アセンブリに取り付けられ、誘電体スペーサの上部側に接続されることができる。ガス入口は、上部から導入されることができ、アセンブリの側面に接続される１つよりも多くの噴霧器およびリザーバユニットは、インク／エアロゾルからの複数の材料をアセンブリの内側部分の中に導入することができ、複数のリザーバ／噴霧器からの全てのエアロゾルは、誘電体スペーサを通してプラズマジェットプリントヘッドの中に搬送される。これは、多重材料およびハイブリッドコーティングが印刷されることを可能にするであろう。印刷された材料の組成は、各噴霧器／リザーバの組み合わせからの流体送達を個別に制御することによって、精密に制御されることができる。
噴霧器アセンブリは、噴霧器と電極との間のプラズマアーク放電を回避するための誘電体材料を含む。噴霧器の動作周波数範囲は、変動し、異なる材料を含むエアロゾルを生成することができる。エアロゾルは、種々のサイズの液滴を含むことができる。印刷されるべきエアロゾルおよび異なる周波数範囲を伴う噴霧器は、エアロゾル化し、適切な数量および液滴径のエアロゾルをプリントヘッドのプラズマ領域に送達するために使用されることができる。メッシュネブライザ、超音波ネブライザ、またはそれらの組み合わせを含む、種々のタイプの噴霧器が、使用されることができる。
いくつかの実施形態では、動作周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。いくつかの実施形態では、動作周波数は、少なくとも約０．０５ＭＨｚである。いくつかの実施形態では、動作周波数は、最大で約１０ＭＨｚである。いくつかの実施形態では、動作周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約０．５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約２ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約３ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約２ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約３ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約２ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約３ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約３ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約２ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約４ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約３ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約４ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約５ＭＨｚ〜約６ＭＨｚ、約５ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約５ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約５ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約６ＭＨｚ〜約７ＭＨｚ、約６ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約６ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約６ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約７ＭＨｚ〜約８ＭＨｚ、約７ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約７ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約８ＭＨｚ〜約９ＭＨｚ、約８ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、または約９ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。いくつかの実施形態では、動作周波数は、約０．０５ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ、約２ＭＨｚ、約３ＭＨｚ、約４ＭＨｚ、約５ＭＨｚ、約６ＭＨｚ、約７ＭＨｚ、約８ＭＨｚ、約９ＭＨｚ、または約１０ＭＨｚである。
交換可能噴霧器ユニットは、プリントヘッド内の電極と噴霧器との間に電気アークを引き起こすことなく、プラズマジェットプリントヘッドの中へのエアロゾルの流率を制御するための設備を有する。
ある場合には、交換可能噴霧器ユニットは、圧電噴霧器またはトランスデューサを備える。ある場合には、噴霧器は、その周波数および細孔径が制御され得る、複数の細孔をメッシュ内に備える。種々の振動周波数および細孔径を伴う噴霧器が、有機流体、ナノコロイド、金属ナノコロイド、無機ナノコロイド等の一連の流体に関して選定されることができる。ある場合には、噴霧器アセンブリが、種々の粒径を伴う材料および／またはコロイドの種類毎に、作成されることができる。
噴霧器の表面エネルギーは、細孔の詰まりおよび噴霧器上の材料の沈殿を防止するように疎水性コーティングを用いて調整されることができる。
流体送達アセンブリは、１つよりも多くのカートリッジの取付を可能にし、そのような構成は、２つ以上のインク、液体前駆体、化学試薬、または組み合わせを１つ以上のエアロゾルの形態でプリントヘッドの中に導入することができる。
２つ以上のカートリッジを備える、本明細書に説明される流体送達アセンブリは、多重材料印刷、多層印刷、ハイブリッドコーティング、重合、プリントヘッドの中への２つ以上のインクまたは化学試薬の導入、またはそれらの組み合わせを可能にすることができる。
図２７は、流体送達アセンブリを備える、プラズマジェットプリントヘッドのモジュール式設計を示す。本例示的実施形態では、流体送達アセンブリ５１０は、カートリッジ５００を備える。いくつかの実施形態では、カートリッジ５００は、結合器５０８の上に搭載されることができる。ある場合には、結合器５０８は、プラズマジェットプリントヘッドのプラズママニホールド２００に接続される。
いくつかの実施形態では、カートリッジ５００は、図１に示されるように、入口５０３および出口５０４を伴うインクリザーバ５０２から成る。ある場合には、入口５０３および出口５０４は、外部タンク（図２７に示されていない）に接続される。外部タンクは、入口および出口を介して外部タンクからインクリザーバにインク供給を配分する。ある場合には、インクは、リザーバからタンクに戻るように再生利用される。
いくつかの実施形態では、カートリッジ５００の入口５０３および出口５０４は、インクリザーバが完全に充填された後に密閉されることができる。これらの場合では、噴霧器を含有するカートリッジ５００は、交換可能密閉カートリッジとして使用されることができる。
いくつかの実施形態では、噴霧器５０１が、インクリザーバの底部に位置する。ある場合には、噴霧器５０１は、圧電構成要素、トランスデューサ、振動メッシュ、またはそれらの組み合わせを備える。噴霧器は、バッテリまたは電気入力を使用して、独立して制御されることができる。噴霧器は、それと接触する任意の液体のエアロゾルを発生させるために使用される。
いくつかの実施形態では、噴霧器の特性は、用途に応じて変動されることができる。ある場合には、噴霧器５０１は、圧電材料と接触するときにインクのエアロゾルを発生させる、圧電デバイスを備える。
ある場合には、噴霧器５０１は、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数を伴う振動メッシュを備える。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、少なくとも約０．０５ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、最大で約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ〜約０．１ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約０．５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．０５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約０．５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚ、または約５ＭＨｚ〜約１０ＭＨｚである。ある場合には、周波数は、約０．０５ＭＨｚ、約０．１ＭＨｚ、約０．５ＭＨｚ、約１ＭＨｚ、約５ＭＨｚ、または約１０ＭＨｚである。
いくつかの実施形態では、噴霧器５０１は、複数の液滴を伴うエアロゾルミストを発生させる。いくつかの実施形態では、複数の液滴内の液滴のサイズは、約１μｍ〜約２０μｍである。いくつかの実施形態では、複数の液滴内の液滴のサイズは、少なくとも約１μｍである。いくつかの実施形態では、複数の液滴内の液滴のサイズは、最大で約２０μｍである。いくつかの実施形態では、複数の液滴内の液滴のサイズは、約１μｍ〜約５μｍ、約１μｍ〜約１０μｍ、約１μｍ〜約１５μｍ、約１μｍ〜約２０μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約１５μｍ、約５μｍ〜約２０μｍ、約１０μｍ〜約１５μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、または約１５μｍ〜約２０μｍである。いくつかの実施形態では、複数の液滴内の液滴のサイズは、約１μｍ、約５μｍ、約１０μｍ、約１５μｍ、または約２０μｍである。
ある場合には、噴霧器５０１は、穿孔プレート上に設置される。穿孔プレートは、エアロゾルがインクリザーバの反対側で退出することを可能にする。穿孔プレート（図に示されていない）の孔直径（図に示されていない）は、インクの性質およびタイプ、およびインク内に分散されるナノおよび／またはミクロンサイズの材料の粒径、また、プラズマジェット印刷のために要求されるエアロゾル液滴のサイズに応じて、選定されることができる。
ある場合には、噴霧器の振動の振幅、噴霧器の噴霧化率、または両方は、電圧源を使用して、独立して制御されることができる。ある場合には、電圧源は、ソフトウェアを使用して制御されることができる。振動の振幅を変動させることによって、１分あたり発生されるエアロゾルの数が、制御されることができ、振動の周波数を変化させることによって、エアロゾル粒径分布が、精密に制御されることができる。
いくつかの実施形態では、噴霧器５０１は、除去および交換されることができる。本モジュール式設計は、異なるタイプの噴霧器との流体送達アセンブリ５１０およびカートリッジ５００の再利用を可能にする。異なる噴霧器は、周波数範囲、振幅範囲、孔の直径、またはそれらの組み合わせが変動し得る。
いくつかの実施形態では、ガス入口５０５は、印刷のためにエアロゾルをプリントヘッドに搬送するように、噴霧器メッシュの下方に位置する。
いくつかの実施形態では、カートリッジは、エアロゾル化されたインクをプラズマジェットプリントヘッドに送達する。ある場合には、穴縁５０６は、噴霧器５０１の下方のカートリッジ５００の底部に位置する。穴縁５０６は、プリントヘッドのプラズママニホールドの中へのエアロゾル化されたインクの下向きの流動を補助する。穴縁は、ガス入口５０５からのガス流とのエアロゾル化されたインクの直接接触の防止を支援する。ガス流がループを伴わずに直接導入されるとき、ガス流は、プリントヘッドの壁を変位させ、エアロゾルを急冷する、高流率を伴ってエアロゾルに面するであろう。
いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、少なくとも約５０ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、最大で約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ〜約１００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約２５０ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約２５０ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約５００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約１，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約２，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約３，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ〜約４，０００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍ、または約４，０００ｓｃｃｍ〜約５，０００ｓｃｃｍである。いくつかの実施形態では、ガス流率は、約５０ｓｃｃｍ、約１００ｓｃｃｍ、約２５０ｓｃｃｍ、約５００ｓｃｃｍ、約１，０００ｓｃｃｍ、約２，０００ｓｃｃｍ、約３，０００ｓｃｃｍ、約４，０００ｓｃｃｍ、または約５，０００ｓｃｃｍである。
いくつかの実施形態では、カートリッジ５００は、誘電体スペーサ５０７を通してプリントヘッドのプラズママニホールド２００に接続される。ある場合には、誘電体スペーサ５０７は、結合器アセンブリ５０８の内側に設置される。誘電体スペーサ５０７の目的は、エアロゾルをプラズママニホールド２００の中に搬送することである。別の目的は、両方とも電子を伝導することが可能な金属を含むプラズママニホールド内の電極２２１と噴霧器５０１との間に電気アーク放電を防止することである。
いくつかの実施形態では、高電圧が、プラズマを発生させるように少なくとも２つの電極２２１および２３１に印加されることができる。電極２２１等の任意の電極のより近くに直接露出した金属表面が存在する場合、これは、電気アーク放電をもたらし、および／または電極２２１と２３１との間に発生されるプラズマを抑制し得る。金属接触噴霧器５０１と電極２２１との間のアーク放電を防止するために、それらは両方とも、誘電体スペーサ５０７によって分離される必要がある。誘電体スペーサの長さは、プラズママニホールド２００内の電極２２１と電極２３１との間の距離等の電極の間の距離よりも大きくなるべきである。スペーサ５０７の目的は、プラズママニホールドの上部電極２２１と金属接触噴霧器５０１等におけるカートリッジの任意の金属部分との間の電気アーク放電を防止することである。ある場合には、誘電体スペーサ５０７は、スペーサの壁へのエアロゾル化されたインクの任意の損失をもたらす、内面上へのエアロゾル化されたインクの吸着を防止するための平滑内面を有してもよい。
いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、少なくとも約５ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、最大で約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約５ｍｍ〜約１５ｍｍ、約５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約１５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約１５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２０ｍｍ〜約４０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約３５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約４０ｍｍ、約３０ｍｍ〜約３５ｍｍ、約３０ｍｍ〜約４０ｍｍ、または約３５ｍｍ〜約４０ｍｍである。いくつかの実施形態では、第１の電極と第２の電極との間の距離は、約５ｍｍ、約１０ｍｍ、約１５ｍｍ、約２０ｍｍ、約２５ｍｍ、約３０ｍｍ、約３５ｍｍ、または約４０ｍｍである。
いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、少なくとも約１ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、最大で約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍ、約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１ｍｍ〜約７５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約７５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１０ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約５０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約７５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約２５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約７５ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１００ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約５０ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１００ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約７５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１２５ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１００ｍｍ〜約１８０ｍｍ、約１２５ｍｍ〜約１５０ｍｍ、約１２５ｍｍ〜約１８０ｍｍ、または約１５０ｍｍ〜約１８０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電極の間の距離は、約１ｍｍ、約１０ｍｍ、約２５ｍｍ、約５０ｍｍ、約７５ｍｍ、約１００ｍｍ、約１２５ｍｍ、約１５０ｍｍ、または約１８０ｍｍである。
いくつかの実施形態では、電極２２１および２３１は、外部高電圧電力供給源に接続される。ある場合には、電極２２１および２３１は、一次誘電体管２１０の外面上に分散されることができる。プラズマは、ガスおよび高電圧電位の導入に応じて、一次誘電体管２１０内で発生される。ガス入口５０５は、１つ以上の材料性質の調整を可能にするように、１つである、または１つよりも多くあり得る（図示せず）。例えば、水素が、銅を印刷している間に酸化銅を還元するように、ヘリウムまたはアルゴンに加えて導入されることができ、例えば、酸素が、二酸化ケイ素を印刷するために、ヘキサメチルジシロキサンまたはオルトケイ酸テトラエチルを重合させるように、ヘリウムまたはアルゴンに加えて導入されることができる。
図２８は、カートリッジ５００を備える、例示的流体送達アセンブリ５１０を提供する。本例示的実施形態では、カートリッジ５００は、噴霧器５０１と、インクリザーバ５０２と、入口および／または出口５０３および５０４等の液体入口および／または出口のうちの少なくとも２つと、ガス入口５０５と、穴縁５０６と、スペーサ５０７とを備える。
本例示的実施形態では、流体送達モジュールは、２つの別個の部分、すなわち、（ａ）誘電体スペーサ５０７と、ガス入口５０５とを備える、結合器アセンブリ５０８、および（ｂ）インクリザーバ５０２と、噴霧器５０１と、１つ以上の流体入口および／または出口５０３ならび５０４と、穴縁５０６とを備える、カートリッジ５００に取り外されることができる。
図２９は、２つのカートリッジ６００ａおよび６００ｂを伴う例示的多重材料流体送達システムを提供する。両方のカートリッジは、流体送達アセンブリ６１０内に搭載されることができる。各カートリッジ６００ａおよび６００ｂは、それぞれ、インクリザーバ６０２ａおよび６０２ｂを備え、また、それぞれ、噴霧器６０１ａおよび６０１ｂも備える。
ガス入口６０５ａは、単一の入口であり得る。ある場合には、別のガス入口（図示せず）もまた、導入されることができる。各カートリッジは、それぞれ、流体入口６０３ａおよび６０３ｂを備え、それぞれ、流体出口６０４ａおよび６０４ｂを備える。
ある場合には、各カートリッジは、穴縁６０６ａおよび６０６ｂを備える。ある場合には、両方のカートリッジは、いずれかが単一の誘電体スペーサ６０７を伴って単一の結合器６０８に搭載されることができる。ある場合には、第２のカートリッジ６００ｂは、一次カートリッジ６００ａ上に搭載されることができる。
多重材料流体送達アセンブリ６１０全体は、漏出防止様式でプラズマジェットプリントヘッドのプラズママニホールド２００に接続されることができる。
図３０は、結合器上に垂直に搭載されたカートリッジを伴う流体送達アセンブリを示す。流体送達アセンブリ７１０は、カートリッジ７００を備える。本例示的実施形態では、カートリッジ７００は、噴霧器７０１と、インクリザーバ７０２と、少なくとも２つの液体入口および／または出口７０３および７０４と、ガス入口７０５と、穴縁７０６と、誘電体スペーサ７０７とを備える。ある場合には、流体送達モジュールは、２つの別個の部分、すなわち、（ａ）誘電体スペーサ７０７と、ガス入口７０５とを備える、結合器アセンブリ７０８、および（ｂ）インクリザーバ７０２と、噴霧器７０１と、流体入口／出口７０３および７０４と、穴縁７０６とを備える、カートリッジ７００にへと切り離されることができる。
銅、銀、金、二酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組み合わせ等の種々の材料のエアロゾル支援プラズマジェット印刷のための流体送達システムが、本明細書に提供される。ある場合には、材料は、アミン官能化およびカルボキシ官能化を含む、１つ以上の有機官能基を有してもよい。ある場合には、材料は、銅・二酸化チタン等の複合材料を含む。ある場合には、材料は、金ナノ粒子を伴う二酸化ケイ素のようなハイブリッドコーティングを含む。流体送達システムは、プラズマジェットプリントヘッドに組み立てられる、および／またはそこから分解され得る、カートリッジと、誘電体スペーサとを備える、モジュール式システムである。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、噴霧器を備える。ある場合には、噴霧器は、電気的に制御可能なエアロゾル発生器を備える。ある場合には、噴霧器は、穿孔プレートと、複数の孔とを備える。
噴霧器のいくつかの性質は、着目印刷結果を達成するように、高い精度で制御されることができる。ある場合には、性質は、穿孔プレートの孔のサイズ、振動周波数、振幅、表面エネルギー、またはそれらの組み合わせを含むことができる。ある場合には、噴霧器は、必要に応じて、プラズマプリントヘッドアセンブリに取り付けられ、そこから取り外されることができる。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、インクを貯蔵し、噴霧器に送達するためのインクリザーバを備える。インクが噴霧器内でエアロゾル化された後、エアロゾル化されたインクは、プリントヘッドに送達される。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、インクリザーバの底面に位置する噴霧器を備える。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、噴霧器の底部側にガス入口を備える。ある場合には、ガス入口は、噴霧器からプリントヘッドの中にエアロゾルを搬送するように噴霧器の下方に位置する。プリントヘッド内で、エアロゾルは、プラズマを発生させるために使用されることができる。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、穴縁を備える。ある場合には、穴縁は、噴霧器アセンブリの底区分に位置する。穴縁の目的は、噴霧器から発生されるいずれのエアロゾルも、ガス入口から高流率を伴って高圧ガスに直接暴露されることを防止することである。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、誘電体スペーサを備える。ある場合には、誘電体スペーサは、平滑内面を伴う非伝導性材料を含む。誘電体スペーサは、噴霧器アセンブリをプラズマジェットプリントヘッドに接続することができる。
ある場合には、誘電体スペーサの長さは、プラズマジェットプリントヘッド内の少なくとも２つの電極の間の距離よりも大きい。これは、プリントヘッドの上部電極とアセンブリ内に設置される金属噴霧器との間のアーク放電を防止する。いくつかの実施形態では、誘電体スペーサの長さは、噴霧器と上部電極との間のアーク放電を回避するように、２つの電極の間の距離以下ではあり得ない。
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、インクリザーバを備える。ある場合には、インクリザーバは、液体入口および液体出口を通した大型インク貯蔵タンクから噴霧器およびプリントヘッドへのインクの連続供給を提供する。液体入口および液体出口は、インクリザーバの上部に接続されてもよい。
ある場合には、インクリザーバは、事前装填されたインクを噴霧器に提供するために十分に大きい。本構成では、流体送達アセンブリは、事前装填されたインクを伴う内蔵封入型カートリッジを備える。
いくつかの実施形態では、２つ以上の噴霧器が、流体送達アセンブリの誘電体スペーサに取り付けられることができる。いくつかの実施形態では、２つ以上のインクリザーバユニットが、流体送達アセンブリの誘電体空間に取り付けられることができる。これらの場合では、第１の噴霧器および／またはインクリザーバが、誘電体スペーサの側面に取り付けられることができ、第２の噴霧器および／またはインクリザーバが、誘電体スペーサの上部に取り付けられることができる。
２つ以上の噴霧器と、２つ以上のインクリザーバとを備える、流体送達アセンブリが、印刷のために２つ以上のエアロゾルをプラズマジェットプリントヘッドの中に導入するために使用されることができる。ある場合には、２つ以上のエアロゾルは、同一の材料を含む。他の場合では、２つ以上のエアロゾルは、異なる材料を含む。２つ以上の噴霧器と、２つ以上のインクリザーバとを備える、流体送達アセンブリが、単一のプリントヘッドを使用して、ハイブリッドコーティング、複合材料、ポリマー、合金、または組み合わせで２つ以上の材料を印刷するために、使用されることができる。他の場合では、２つ以上の噴霧器と、２つ以上のインクリザーバとを備える、流体送達アセンブリが、単一のプリントヘッドを使用して、多層印刷に使用されることができる。いくつかの実施形態では、流体送達アセンブリは、アーク放電が起こらないように、全て漏出防止様式で接続される、噴霧器と、スペーサと、プリントヘッドとを備える。
実施例
例示的実施形態では、銅が、ポリエチレンテレフタレートおよびポリカーボネート等の低ガラス転移温度プラスチック上に印刷されることができる。本例示的実施形態で使用され得るプリントヘッドは、流体送達アセンブリと、プラズママニホールドとを備える。
流体送達アセンブリは、カートリッジを備える。本例示的実施形態では、カートリッジは、噴霧器と、約２，５４４ｍｍ３の容積を伴うインクリザーバと、液体入口と、液体出口と、ガス入口と、約４ｍｍの長さを伴う穴縁と、スペーサであって、約７０ｍｍの長さ、約１０ｍｍの内径、および約１３ｍｍの外径を伴う誘電体スペーサ５０７と、約４ｍｍの長さを伴う穴縁５０６とを備える。
印刷するために、ガスが、約６００ｓｃｃｍのガス流率においてガス入口を通して流体送達アセンブリの中に導入される。
噴霧器の動作周波数は、約１１６ＫＨｚであり、噴霧化率は、本周波数において最大許容噴霧化の約４０％に設定される。噴霧化率は、噴霧器に入力される電圧を増加させることによって増加されることができる。６０％よりも大きい噴霧化率において、より多くのエアロゾルが、プラズマ領域に進入し、印刷されたパターンは、より低い噴霧化率における乾燥した一様なパターンと対照的に、湿潤し、非一様である。加えて、噴霧化率が、より高いとき、より多くのエアロゾルが、プラズマ領域に進入し、電極の間の一様なプラズマ発生を防止する。最適な噴霧化率は、噴霧化率の４０〜５０％である。外部から印加された高電圧は、約２ｋＶ〜約６ｋＶの範囲内であり、周波数は、約３０ＫＨｚ〜約６０ＫＨｚの範囲内である。
プラズママニホールドは、一次誘電体管を備える。誘電体管は、約６ｍｍの外径と、約４ｍｍの内径とを有する。プラズママニホールドはさらに、少なくとも２つの電極を備える。２つの電極の間の分離は、約３０ｍｍである。
約６００ｓｃｃｍの率において流動するアルゴンガスが、プラズママニホールド内でプラズマを発生させるために使用されることができる。プラズマは、銅への酸化銅の酸化状態を調整することができる。ある場合には、水素ガスは、約５０ｓｃｃｍのガス流率において水素ガスを流動させることによって、アルゴンガスに添加されることができる。ある場合には、水素およびガスの組み合わせは、印刷中に発生し得る。ある場合には、組み合わせは、銅への酸化銅の酸化状態を調整するためのプラズマ処理後に発生し得る。
印刷されている基板は、約３ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。プリンタオリフィスと基板との間の作業距離は、約３ｍｍ〜約５ｍｍまで変動されることができる。３ｍｍよりも低い作業距離において、基板は、プラズマプリントヘッド内で温度による影響を受け得、基板の部分溶融をもたらし得る。７ｍｍよりも大きい、より大きい距離において、プラズマ効果は、非常に最小限であり、印刷されたパターンの接着は、不良であり得る。
条件は、所望の印刷特性を獲得するために重要である。例えば、印加された電圧が２ｋＶを下回るとき、プラズマ強度および温度は、最小限であり、プラズマ領域を通過する銅ナノ材料は、有意な形態変化を受けない。例えば、電極分離が、約１０ｍｍにおいて最小限であるとき、かつ印加された電位が低いとき、銅ナノ材料へのプラズマ種の影響は、非常に最小限であり、形態および／または酸化変化を引き起こさない。粒子は、粒径および形状を維持し、これは、一様な伝導フィルムをもたらさない。
より高い電位が、１０ｍｍ以上のより大きい電極分離と組み合わせて、水素の存在下で使用されるとき、エアロゾル内の酸化銅が、原位置印刷で還元され、伝導金属銅パターンが、基板上に形成される。ある場合には、アルゴンおよび水素ガス混合物を使用する後処理が、一様な伝導フィルムを確実にする。
ある場合には、堆積中の低温における不良な接着に起因して、ガラス、石英、セラミック等のいくつかの基板上に銅を印刷することは、困難であり得る。しかしながら、そのような基板は、高温に耐えることができる。そのような場合では、電極の間の距離は、電極の間の高温で強いプラズマを確実にするように、かつプラズマ領域内の銅ナノ材料の滞留時間を増加させるように、約３０ｍｍよりも大きくあり得る。ある場合には、外部から印加された電位は、６ｋＶよりも大きくあり得る、および／または基板とプリントヘッドとの間の作業距離は、約２ｍｍ〜約５ｍｍであり得る。噴霧化率は、一様なプラズマ放電を潜在的に防止し得る、より多くの銅ナノ粒子がエアロゾル化され、プラズマを通して進入されることを回避するように、最大噴霧化率の約４０〜約５０％であり得る。これはまた、湿潤フィルム堆積をもたらし、酸化銅の形態および酸化状態は、同一のままであり得る。より大きい電極分離、より高い電位、より低い作業距離、ガス混合物内のより高い水素含有量、およびより長い後処理時間等の印刷条件は、ガラス、石英、他のセラミック材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）タイプの基板へのより良好な接着、およびバルク銅のものにより近い伝導度の増加を伴うフィルムをもたらすであろう。
より高い温度に耐え得、より低い温度で堆積されたときに、印刷された銅の接着が問題になる、ガラス、石英、セラミック等のような基板上に銅を印刷するために、電極の間の距離は、電極の間のより高温の強いプラズマを確実にするように、かつプラズマ領域内の銅ナノ材料の滞留時間を増加させるように、３０ｍｍ超まで増加される。また、外部から印加された電位は、６キロボルトよりもさらに大きく増加されることができ、基板とプリントヘッドとの間の作業距離は、２ｍｍ〜５ｍｍに留まるように最小限にされることができる。噴霧化率は、一様なプラズマ放電を潜在的に防止し得る、より多くの銅ナノ粒子がエアロゾル化され、プラズマを通して進入されることを回避するように、最大噴霧化率の約４０〜約５０％において最適なままとなるべきである。また、これは、湿潤フィルム堆積をもたらし、酸化銅の形態および酸化状態は、同一のままであり得る。より大きい電極分離、より高い電位、より低い作業距離、ガス混合物内のより高い水素含有量、より長い後処理時間等は、ガラス、石英、他のセラミック材料、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）タイプの基板へのより良好な接着、およびバルク銅のものにより近い伝導度の増加を伴うフィルムをもたらすであろう。
本発明の好ましい実施形態が、本明細書に示され、説明されたが、そのような実施形態が一例のみとして提供されることが当業者に明白であろう。多数の変形例、変更、および代用が、ここで、本発明から逸脱することなく当業者に想起されるであろう。本明細書に説明される本発明の実施形態の種々の代替物が、本発明を実践する際に採用され得ることを理解されたい。以下の請求項は、本発明の範囲を定義し、これらの請求項およびそれらの均等物の範囲内の方法および構造は、それによって網羅されることが意図される。

Claims (50)

  1. プラズマモジュールを備える印刷用の装置であって、前記プラズマモジュールは、少なくとも１つの誘電体管を備え、前記少なくとも１つの誘電体管は、前記少なくとも１つの誘電体管の外側に少なくとも２つの電極を伴っており、前記少なくとも２つの電極は、前記少なくとも１つの誘電体管の長さに沿って移動されることができる、装置。
  2. 前記少なくとも２つの電極のそれぞれは、誘電体カプセル化を備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記誘電体カプセル化は、前記少なくとも１つの誘電体管の厚さよりも大きい厚さを有する、請求項２に記載の装置。
  4. 前記誘電体カプセル化は、前記少なくとも１つの誘電体管の厚さよりも少なくとも３倍大きい厚さを有する、請求項３に記載の装置。
  5. 前記少なくとも２つの電極は、異なる表面積を有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記誘電体カプセル化は、第１の誘電体材料を含み、前記誘電体管は、第２の誘電体材料を含み、前記第１の誘電体材料は、前記第２の誘電体材料の誘電強度よりも大きい誘電強度を有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  7. 前記少なくとも１つの誘電体管は、約１０ｍｍ〜約２００ｍｍの長さを有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  8. 前記少なくとも１つの誘電体管は、酸化アルミニウム、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはそれらの組み合わせを含む、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  9. 前記少なくとも１つの誘電体管は、約０．０２ｃｍ〜約２ｃｍの直径を有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  10. 前記少なくとも２つの電極は、高電圧電力供給源に接続される、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  11. 前記少なくとも２つの電極は、ガスの存在下で前記少なくとも１つの誘電体管内にプラズマを発生させる、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  12. 前記ガスは、アルゴン、ヘリウム、またはそれらの組み合わせを含む、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  13. 前記装置はさらに、入口モジュールを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  14. 前記入口モジュールは、前記プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／または前記プラズマモジュールから取り外されることができる、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  15. 前記入口モジュールは、少なくとも１つの入口を備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  16. 前記少なくとも１つの入口は、前記入口モジュールの中への１つ以上の材料の入力を可能にする、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  17. 前記入口モジュールは、前記入口モジュールから前記プラズマモジュールの少なくとも１つの誘電体管の中への前記１つ以上の材料の流動を可能にする、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  18. 前記１つ以上の材料は、前記少なくとも１つの誘電体管内で発生されるプラズマに暴露される、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  19. 前記１つ以上の材料の性質は、前記１つ以上の材料が前記プラズマに暴露されるときに変化される、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  20. 前記性質は、酸化状態、形態、分子構造、またはそれらの組み合わせを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  21. 前記装置はさらに、ノズルモジュールを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  22. 前記ノズルモジュールは、前記プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／または前記プラズマモジュールから取り外されることができる、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  23. １つ以上の材料は、前記プラズマモジュールから前記ノズルモジュールに流入する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  24. 前記ノズルモジュールは、内側オリフィスと、外側オリフィスとを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  25. 前記ノズルモジュールの内側オリフィスは、前記プラズマモジュールと流体接触する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  26. 前記内側オリフィスは、前記外側オリフィスの直径未満である直径、前記外側オリフィスの直径と等しい直径、または前記外側オリフィスの直径よりも大きい直径を有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  27. １つ以上の材料は、前記ノズルモジュールの外側オリフィスを通して基板上に前記装置から退出する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  28. 前記外側オリフィスは、基板と流体連通する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  29. 前記１つ以上の材料は、前記基板の表面上に印刷される、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  30. 前記１つ以上の材料は、前記基板の表面上にフィルムを形成する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  31. 前記少なくとも１つの誘電体管の長さに沿った前記少なくとも２つの電極の間の距離は、約１ｍｍ〜約１８０ｍｍである、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  32. 装置であって、
    ａ）入口モジュールであって、前記入口モジュールは、１つ以上の入口と、噴霧器とを備える、入口モジュールと、
    ｂ）前記請求項のいずれか１項に記載のプラズマモジュールと
    を備える、装置。
  33. １つ以上の材料は、前記１つ以上の入口を通して前記入口モジュールに進入する、請求項２７に記載の装置。
  34. 前記噴霧器は、前記１つ以上の入口を通して前記入口モジュールに進入する前記１つ以上の材料をエアロゾル化する、請求項２８に記載の装置。
  35. 前記１つ以上の材料は、光学材料を含む、請求項２９に記載の装置。
  36. 前記入口モジュールは、前記プラズマモジュールと流体連通する、請求項２９に記載の装置。
  37. 前記噴霧器は、約５０ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数において動作する、請求項２９に記載の装置。
  38. 前記入口モジュールは、前記プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／または前記プラズマモジュールから取り外されることができる、請求項２７に記載の装置。
  39. 装置であって、
    ａ）流体送達アセンブリと、
    ｂ）前記請求項のいずれか１項に記載のプラズマモジュールと
    を備える、装置。
  40. 前記流体送達アセンブリは、前記プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／または前記プラズマモジュールから取り外されることができる、請求項３４に記載の装置。
  41. 前記流体送達アセンブリは、カートリッジを備える、請求項３５に記載の装置。
  42. 前記カートリッジは、インクリザーバを備える、請求項４１に記載の装置。
  43. 前記流体送達アセンブリはさらに、噴霧器、１つ以上の流体入口、１つ以上の流体出口、誘電体スペーサ、穴縁、またはそれらの組み合わせを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  44. 前記流体送達アセンブリは、前記プラズマモジュールと流体連通する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  45. 前記誘電体スペーサは、前記流体送達アセンブリを前記プラズマモジュールに接続する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  46. 前記流体アセンブリの誘電体スペーサは、前記プラズマモジュール内の前記少なくとも２つの電極の間の距離よりも大きい長さを有する、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  47. 前記流体送達アセンブリは、２つ以上のカートリッジを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  48. 前記装置は、前記流体送達アセンブリと、前記プラズマモジュールと、ノズルモジュールとを備える、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  49. 前記ノズルモジュールは、前記プラズマモジュールに取り付けられることができる、および／または前記プラズマモジュールから取り外されることができる、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
  50. 印刷されるべき１つ以上の材料を前記請求項のいずれか１項に記載のプラズマモジュールの中に導入することと、前記プラズマモジュール内で前記１つ以上の材料をプラズマに暴露することと、前記プラズマ処理された１つ以上の材料を１つ以上の基板上に印刷することとを含む、印刷の方法。
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