With a market demand for low cost, easy to produce, flexible and portable applications in healthcare, energy, biomedical or electronics markets, large research programs are initiated to develop new technologies to provide this demand with new innovative ideas. One of these fast developing technologies is organic printed electronics. As the term printed electronics implies, functional materials are printed via, e.g. inkjet, flexo or gravure printing techniques, on to a substrate material. Applications are, among others, organic light emitting diodes (OLED), sensors and Lab-on-a-chip devices. For all these applications, in some way, the interaction of fluids with the substrate is of great importance. The most used substrate materials for these low-cost devices are (coated) paper or plastic. Plastic substrates have a relatively low surface energy which frequently leads to poor wetting and/or poor adhesion of the fluids on the substrates during printing and/ or post-processing. Plasma technology has had a long history in treating materials in order to improve wetting or promote adhesion. The µPlasma patterning tool described in this thesis combines a digital inkjet printing platform with an atmospheric dielectric barrier discharge plasma tool. Thus enabling selective and local plasma treatment, at atmospheric pressure, of substrates without the use of any masking materials. In this thesis, we show that dependent on the gas composition the substrate surface can either be functionalized, thus increasing its surface energy, or material can be deposited on the surface, lowering its surface energy. Through XPS and ATR-FTIR analysis of the treated (polymer) substrate surfaces, chemical modification of the surface structure was confirmed. The chemical modification and wetting properties of the treated substrates remained present for at least one month after storage. Localized changes in wettability through µPlasma patterning were obtained with a resolution of 300µm. Next to the control of wettability of an ink on a substrate in printed electronics is the interaction of ink droplets with themselves of importance. In printing applications, coalescence of droplets is standard practice as consecutive droplets are printed onto, or close to each other. Understanding the behaviour of these droplets upon coalescence is therefore important, especially when the ink droplets are of different composition and/or volume. For droplets of equal volume, it was found that dye transport across the coalescence bridge could be fully described by diffusion only. This is as expected, as due to the droplet symmetry on either side of the bridge, the convective flows towards the bridge are of equal size but opposite in direction. For droplets of unequal volume, the symmetry across the bridge is no longer present. Experimental analysis of these merging droplets show that in the early stages of coalescence a convective flow from the small to large droplet is present. Also, a smaller convective flow of shorter duration from the large into the small droplet was identified. The origin of this flow might be due to the presence of vortices along the interface of the bridge, due to the strong transverse flow to open the bridge. To conclude, three potential applications were showcased. In the first application we used µPlasma patterning to create hydrophilic patterns on hydrophobic dodecyl-trichlorosilane (DTS) covered glass. Capillaries for a Lab-on-a-chip device were successfully created by placing two µPlasma patterned glass slides on top of each other separated by scotch tape. In the second application we showcased the production of a RFID tag via inkjet printing. Functional RFID-tags on paper were created via inkjet printing of silver nanoparticle ink connected to an integrated circuit. The optimal operating frequency of the produced tags is in the range of 860-865 MHz, making them usable for the European market, although the small working range of 1 m needs further improvement. Lastly, we showed the production of a chemresistor based gas sensor. In house synthesised polyemeraldine salt (PANi) was coated by hand on top of inkjet printed silver electrodes. The sensor proved to be equally sensitive to ethanol and water vapour, reducing its selectivity in detecting changes in gas composition.
In this study, we experimentally investigated the material flows of coloured dyes in coalescing small inkjet printed droplets of different volume ratios. With two differently coloured dyes, one in each droplet, we were able to distinguish the time-resolved contributions in dye transport across the coalescence bridge due to convection and diffusion. Droplets with differently coloured dyes were inkjet printed onto a glass substrate at a sufficiently large pitch such that they do not touch each other. Under UV exposure, the wetting of the substrate improves, causing the droplets to coalesce. Filmed at 50 fps, the coalescence and mixing of the droplets of volume ratios 1:1, 2:1 and 4:1 was followed. For equally sized drops, the mixing of the dyes shows good agreement with a 1D approximation of Fick’s second law along the central axes of the coalescing droplets with a diffusion coefficient D = 2 9 10-9 m2 s-1. For unequally sized droplets, convective flows from the small to the large droplet were demonstrated. The convective flows increase in size with increasing volume ratio, but only enter the droplet over a small distance. Complete mixing of the dyes in the unequally sized droplets is only reached after a long period and is diffusion controlled. At the initial moment of coalescence of unequally sized droplets, a small convective flow is observed from the large into the small droplets. Further investigation in this phenomenon is recommended.
LINK
Textielbedrijven moeten innoveren, instappen in een wereld die in toenemende mate beheerst wordt door Internet Of Things, Domotica en andere Smart producten. Textiel is een perfect platform voor deze connected omgeving: het is als interieur- en vloerbedekking een geaccepteerd onderdeel van onze leefomgeving en is qua structuur zeer geschikt voor integratie met elektrische componenten. Internationale bedrijven als Nike en Adidas pikken dit op, maar ook Google en Apple hebben recente patenten over in textiel geïntegreerde ICT. Nederlandse bedrijven willen hierop inspelen, maar hebben individueel niet de expertise om dit soort innovatieve producten te ontwikkelen. Tien textiel- en elektronicabedrijven, die de hele waardeketen omspannen, ontwikkelen met lectoren, docenten en studenten van Saxion en Fontys de route naar ‘embedded textile’. Doel is dat elektronische componenten direct en precies met deze textiele drager kunnen worden geïntegreerd, waardoor ze kunnen communiceren in en met de omgeving. Productiemethodes die ingezet gaan worden zijn Inkjet printen, 3D weven, technisch borduren, lamineren en Nano-coaten. Het resultaat: een innovatief meerlaags robuust textiel dat functionaliteiten mogelijk maakt als licht, warmte (energie-transitie) en sensing (gezondheid & veiligheid) in producten zoals fotovoltaïsche overkappingen, adaptieve zonwering, slimme vloerbedekking en beschermende kleding. Deze producten stellen bedrijven in staat om in te spelen op dit soort megatrends. Ons doel is minimaal drie demonstrators te ontwikkelen die de praktijktoepassing van embedded textile voor bedrijven inzichtelijk maken. Door de deelname van productiebedrijven uit de gehele voortbrengingsketen is voorzien in evenzoveel relevante business cases. Daarmee staat de nieuwe embedded textieltechnologie midden in de markt van the Internet of Things.
Recente ontwikkelingen op het gebied van microfluïdica en microreactoren maken het mogelijk verschillende laboratoriumtesten te miniaturiseren.Deze zogenaamde “lab-on-a-chip” technologieën maken diagnostische testen buiten het laboratorium (point of care testing) mogelijk.Voor medische testen hoeven artsen geen monsters meer op te sturen naar een gespecialiseerd laboratorium en te wachten op de uitslag, de gegevens kunnen meteen gelezen worden en eventuele therapie direct gestart of daarop aangepast worden. Desondanks loopt de toepassing van de “lab-on-a-chip” technologie in de praktijk achter bij de verwachtingen. De omzetting van idee tot device vergt vaak grote investeringen. Voor het aantonen van de toepasbaarheid van een idee zijn veelal al dure investeringen in productiemiddelen en geconditioneerde ruimten noodzakelijk, terwijl het benodigde geld voor de investeringen alleen verkregen kan worden als kan worden aangetoond dat het idee werkt (“valley of death”). Printtechnologieën kunnen op dat punt een uitkomst bieden. Inkjetprinten, plasmaprinten en 3D-printen zijn relatief eenvoudige, goedkope en flexibele technieken die bijna overal kunnen worden toegepast en ze zijn ook nog eens geschikt voor biologische materialen. In dit project willen we met een combinatie van verschillende printtechnieken (inkjet-, plasma- en 3D printen) een platform genereren waarmee MKBers middels prototypes de haalbaarheid van hun idee met betrekking tot een bio(medische) sensor kunnen aantonen. Door gebruik te maken van een innovatieve detectiemethode, recent ontwikkeld aan de Technische Universiteit Eindhoven, willen we een volledig geprinte sensor produceren die met een smartphone uit te lezen is. We zullen twee praktijkgerichte toepassingen als demonstrator uitwerken. Als eerste een sensor die een ernstige longontsteking van een onschuldige verkoudheid kan onderscheiden, door detectie van het ontstekingseiwit ‘C-reactief eiwit (CRP)’. Als tweede een sensor die snel en eenvoudig de spiegels van een nieuwe oncologische biomarker kan meten en gebruikt kan worden bij de diagnostiek van bepaalde soorten tumoren en het meten van de therapeutische respons.
