Inkjet printing: a exible manufacturing of functional ceramic coatings by Chemical Solution Deposition

Abstract

La proposta inicial de la Tesi ha estat l’estudi de la viabilitat de la utilització de la tecnologia d’impressió per raig de tinta per a la producció de recobriments ceràmics funcionals tant en forma de capes com en dissenys predeterminats. S’han utilitzat com a models dos materials ceràmics diferents: l’òxid mixt de coure, itri i bari (YBa2Cu3O7-x), amb aplicacions per a l’obtenció de cintes superconductores d’alta temperatura i l’òxid mixt de lantà, estronci i manganès (La0.7Sr0.3MnO3) amb propietats de magnetoresistència gegant i transició metall-aïllant. La Tesi està dividida en set capítols, essent el primer una introducció als materials ceràmics funcionals i la seva obtenció mitjançant el procés de Deposició de Solucions Químiques (CSD), els diferents sistemes de deposició correntment utilitzats i els avantatges que pot suposar la utilització de l’impressió per raig de tinta. En el segon capítol es presenta els fonaments bàsics de la tecnologia d’ impressió per raig de tinta (inkjet printing) així com una visió de “ l’estat de l’art”, els diferents sistemes que poden utilitzar- se, i els requeriments de les tintes en cada cas. Seguidament hi ha un capítol experimental de preparació i característiques dels materials ceràmics estudiats en la Tesi així com de les diferents tècniques de caracterització utilitzades. El quart capítol s’inicïa amb una introducció històrica a la problemàtica de la formació de gotes i seguidament s’estudien diferents aspectes del procés d’inkjet printing tant des de el punt de vista fisicoquímic de les tintes emprades, com des de l’ajust en el procés de formació de la gota mitjançant la modificació de les propietats reològiques de la tinta i els paràmetres d’actuació del capçal d’impressió. Seguidament en els capítols 5 i 6 es presenta l’aplicació de l’inkjet printing en la formació dels dos sistemes d’òxids funcionals abans esmentats. En el capítol 5, es descriu l’obtenció del material ceràmic superconductor (YBa2Cu3O7-x) tant en recobriments continus (capes), com en dissenys predeterminats (tracks i dibuixos), on es demostra que és possible controlar el gruix de la capa final sense cap modificació prèvia de la tinta, controlant els paràmetres de deposició com són el nombre de gotes per unitat d’àrea o el volum de la gota. En el capítol 6 es descriu la producció del material magnetoresistiu (La0.7Sr0.3MnO3), tant en capes contínues com en tracks. En aquest capítol es presenta, a més, l’obtenció d’un aparell magnetoresistiu combinant la deposició de solucions químiques amb la tecnologia d’inkjet printing. Finalment, en el capítol 7 es presenten els resultats recents en l’escalat de cintes comercials amb recobriments ceràmics. D’aquesta manera, s’obre el camí per a la transferència tecnològica dels resultats presentats ja que es demostra que la impressió implementada en un procés continu de materials ceràmics funcionals és factible sobre cintes metàl·liques comercials. La Tesi finalitza amb unes conclusions generals i consta també d’un apèndix glossari dels termes de dinàmica de fluids emprats al llarg del text. En el transcurs d’aquesta Tesi s’ha demostrat doncs, per primera vegada, que la deposició de solucions químiques combinada amb la tecnologia d’inkjet printing és factible i dóna lloc a materials ceràmics amb propietats comparables als formats obtinguts amb les tècniques de deposició més convencionals, amb l’avantatge addicional de la possibilitat de combinar en la mateixa línia de producció patrons i capes contínues de diverses formes i gruixos.

The initial objective of the present PhD Thesis has been the study of the viability of inkjet printing systems for the manufacturing of layered and patterned ceramic functional coatings. For this purpose, two model systems were studied: the copper, barium and yttrium mixed oxide (YBa2Cu3O7-x), with application in the production of superconducting tapes, and the lanthanum, strontium and manganese mixed oxide (La0.7Sr0.3MnO3), having properties of colossal magnetoresistance and metal-insulator transition. The present Thesis is divided in seven chapters, being the first an introduction to functional ceramic oxides and their manufacturing by means of Chemical Solution Deposition (CSD) methodology and the inkjet deposition systems currently used, pointing out the added value which offers the implementation of the inkjet printing technology with the CSD methodology. In chapter 2, the “state of the art” of inkjet printing is reviewed, together with the different existing printing technologies and ink requirements. All the ink development and characterization, and the thermal treatments performed for the various ceramic oxide systems object of this work are presented in Chapter 3, with special emphasis to the morphological, structural and magnetic characterization techniques. Chapter 4 begins with an historical overview of drop formation process and the influence of the relevant ink physicochemical properties and the actuation parameters of the printhead on this process. Particularly, the dependence of drop characteristics such as drop speed and drop volume with the ink rheological characteristics and the driving waveform parameters of the printhead were analyzed in order to obtain a reliable drop ejection process. In chapters 5 and 6, the application of inkjet printing technology to the previous cited ceramic oxide systems is presented. In Chapter 5, the superconducting ceramic material YBa2Cu3O7-x was obtained in continuous layers and also in form of tracks and drawings. It has been shown that by modifying drop volume and the number of drops per unit area, film thickness may be tuned. Chapter 6 exhibits the formation of the magnetoresistive material (La0.7Sr0.3MnO3) also in continuous coatings and patterns. As an example, it has been demonstrated the manufacturing of a magnetoresistive device with high reproducibility by means of a predetermined design. Finally, in chapter 7, preliminary results in the upscaling of ceramic coated tapes are presented. These results represent the starting point for further technological development to longer lengths, demonstrating the enormous feasibility to implement the CSD methodology with the inkjet printing technology to produce long lengths functional ceramic oxides on metallic tapes in continuous reel to reel systems. At last, general conclusions are presented and an appendix is also included with a glossary of the different concepts of fluid dynamics mentioned throughout the text. During this PhD Thesis, it has been demonstrated for the first time, the possibility of using the inkjet printing technology as a deposition technique for the manufacturing of functional ceramic oxides. Moreover, the coatings obtained exhibit properties which are comparable with the more conventional deposition techniques such as spin coating, with the added value which offers the inkjet printing technology to produce patterned coatings in a single pass of different thickness and shapes.