In manufacturing of organic electronics, inkjet printing as an alternative technique for depositing materials is becoming increasingly important. Aside to the ink formulations challenges, improving the resolution of the printed patterns is a major goal. In this study we will discuss a newly developed technique to selectively modify the substrate surface energy using plasma treatment as a means to achieve this goal. First, we look at the effects of the μPlasma treatment on the surface energy for a selection of plastic films. Second, we investigated the effects of the μPlasma treatment on the wetting behaviour of inkjet printed droplets to determine the resolution of the μPlasma printing technique. We found that the surface energy for all tested films increased significantly reaching a maximum after 3-5 repetitions. Subsequently the surface energy decreased in the following 8-10 days after treatment, finally stabilizing at a surface energy roughly halfway between the surface energy of the untreated film and the maximum obtained surface energy. When μPlasma printing lines, an improved wetting abillity of inkjet printed materials on the plasma treated areas was found. The minimal achieved μPlasma printed line was found to be 1 mm wide. For future application it is important to increase the resolution of the plasma print process. This is crucial for combining plasma treatment with inkjet print technology as a means to obtain higher print resolutions.
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 article we investigate the change in wetting behavior of inkjet printed materials on either hydrophilic or hydrophobic plasma treated patterns, to determine the minimum obtainable track width using selective patterned μPlasma printing. For Hexamethyl-Disiloxane (HMDSO)/N2 plasma, a decrease in surface energy of approx. 44 mN/m was measured. This resulted in a change in contact angle for water from <10 up to 105 degrees, and from 32 up to 46 degrees for Diethyleneglycol-Dimethaclylate (DEGDMA). For both the nitrogen, air and HMDSO/N2 plasma single pixel wide track widths of approx. 320 μm were measured at a plasma print height of 50 μm. Combining hydrophilic pretreatment of the glass substrate, by UV/Ozone or air μPlasma printing, with hydrophobic HMDSO/N2 plasma, the smallest hydrophilic area found was in the order of 300 μm as well.
Nauwkeurige en snelle detectie van verontreinigingen in voedselproducten is een noodzakelijk maar vaak lastig en technisch ingewikkeld proces. Huidige gouden standaard methoden zijn vooral gebaseerd op nauwkeurige maar dure lab technieken die verontreinigingen kunnen detecteren in verschillende samples. Snellere en goedkopere beschikbare alternatieve technieken bestaan veelal uit dipstick methoden die onvoldoende nauwkeurig zijn en slechts één stof kunnen detecteren. De recente fipronil-affaire laat nogmaals zien dat, ondanks de enorme technologische vooruitgang in detectie technologie, er nog steeds een grote behoefte is aan goedkope, snelle en betrouwbare tests voor het routinematige screenen van voedselproducten. De zuivelindustrie is zeer geïnteresseerd in een snelle, handzame en kosten-effectieve methode om verontreinigingen zoals antibiotica en bacteriën in melk, wei en babyvoeding te detecteren, omdat de huidige standaard detectie methoden, die zij gebruiken, duur en zeer tijds- en arbeids-intensief zijn. Het duurt meestal uren tot dagen voordat een betrouwbaar resultaat is verkregen. Een snellere analyse van de melk bespaart enorme kosten die nu gemaakt worden met het vernietigen van grote hoeveelheden melk (waar sporen van antibiotica worden gevonden) als gevolg van de late beschikbare uitslag. Daarnaast resulteert een snellere analyse in een snellere vrijgave voor de distributie van melkproducten en draagt zo bij tot directe besparingen in operationele kosten. In samenwerking met een aantal MKB-bedrijven en andere relevante partners zal Saxion in dit project een draagbare demonstrator realiseren voor snelle, handzame en multiplexe detectie van antibiotica zoals tetracyclines in melk, gebaseerd op een multikanaals fotonische sensor prototype.. Verschillende bestaande innovatieve technologieën zoals lab-on-a-chip, microfluidica, inkjet-printing en geïntegreerde fotonische sensoren zullen in een demonstrator geïntegreerd worden om het gestelde doel te bereiken. De draagbare demonstrator is een eerste stap richting een handheld device dat in staat is om ter plaatse, zoals bij melkveehouderijen en melkfabrieken, antibiotica in melk snel en nauwkeurig te kunnen detecteren.
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.
