레이저 조각을 통해 유연한 물결 모양 회로의 높은 신축률 구현

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17745(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

신축성 파동회로는 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있는 플렉서블 소자의 필수 부품이다. 산업 현장에서 회로의 신축성은 플렉서블 디바이스에 있어서 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 플렉서블 디바이스의 신장률과 디바이스 해상도를 모두 높이기 위한 레이저 조각 방법을 제안한다. 실험과 유한요소해석을 통해 얻은 결과는 물결 모양 회로에 레이저 조각을 하면 물결 모양 회로의 최대 신축율이 증가함을 검증하였다. 획득된 분석 모델은 레이저 조각이 물결 모양 회로에 기울어진 부분을 생성하고, 물결 모양 회로의 굴곡 지점의 굽힘 강성을 감소시키는 것을 확인했습니다. 또한 본 연구에서는 레이저로 조각한 홈이 회로 방향에 수직으로 균열 전파를 유도하므로 레이저로 조각한 물결 모양 회로가 조각되지 않은 물결 모양 회로보다 단절될 가능성이 적음을 확인했습니다. 감소된 굽힘 강성과 균열 유발로 인해 물결 모양 회로는 기존의 조각되지 않은 물결 모양 회로보다 더 늘어납니다.

유연한 장치는 웨어러블 장치1,2, 소프트 로봇공학3, 바이오 센서4,5 및 에너지 수확6 연구 분야에서 폭넓게 응용됩니다. 반면, 산업 분야에서는 실제 적용 사례가 거의 없습니다. 예를 들어 말거나 접을 수 있는 디스플레이7,8. 신축성 장치를 위한 유망한 재료 중 하나는 금속 나노와이어 복합재이며, 이는 다른 곳에서 널리 연구되고 있지만9,10,11,12,13,14,15,16,17, 유연한 장치를 향상시키는 데 여전히 구조 문제가 남아 있습니다. 플렉서블 소자에 사용되는 대표적인 구조 중 하나는 Rogers 등이 제안한 아일랜드 구조이다. 이 구조의 견고한 부분은 중앙에 위치하며 유연한 회로(18,19,20,21,22)에 연결됩니다. 이 구조의 견고한 부분은 셀의 신장에 기여하지 않기 때문에 회로의 신장 능력은 유연한 장치에 중요한 요소입니다. kirigami23,24, helix25 및 Wrinkling26,27,28과 같은 다양한 회로 구조가 개발되어 회로의 최대 신축 비율을 높였습니다. 그러나 대부분 대량생산에 있어서 경도를 얻기 위해서는 특수한 제작기술이 필요하였다. 29. Rogers et al.이 개발한 평면파상구조. 30,31,32는 플렉서블 디바이스의 양산에 접목되어 가장 널리 사용되는 구조이다. 그러나 신축률과 장치 해상도 사이에는 상충 관계도 있었습니다.

신축률과 장치 해상도를 모두 높이기 위해 기울어진 물결 모양 회로 설계가 제안되었습니다33. 그러나 이를 대량생산에 적용하기 위한 구체적인 방법론은 아직 제시되지 않았다. 본 연구에서는 신축성 및 장치 분해능을 높이기 위해 물결 모양의 회로에 경사면을 제작하는 레이저 조각 방법을 제안합니다. 본 연구를 검증하기 위해 수학적 분석과 함께 실험 및 시뮬레이션 방법을 도입하였다.

기울어진 물결 모양 회로 샘플은 3D 프린팅(Moment 160)과 레이저 조각 방법을 모두 사용하여 준비되었습니다. 레이저 조각을 위한 회로 기초는 그림 1a)와 같이 물결 모양 기초 샘플을 인쇄하여 준비되었습니다. 3D 프린팅 베이스의 레이저 어블레이션을 극대화하기 위해 검정색 PLA(Poly Lactic Acid) 필라멘트를 사용하여 프린팅했습니다. 레이저는 파장이 365nm로 설정되고 전력이 1750mW로 설정되고 각 사이트의 스폿 시간이 10ms로 설정된 회로 베이스에 조사되었습니다. 물결 모양 회로의 단면이 그림 1a에 나와 있습니다. 레이저 조각 후, 인쇄된 물결 모양 회로 위에 이온 스퍼터(G20, GSEM)를 통해 Au가 증착되었으며, 그 두께는 2~5μm로 측정되었습니다. 물결 모양 회로를 둘러싸는 매트릭스로 PDMS(Sylgard 184, Dow Corning)를 선택하고, 주요 재료와 경화제의 혼합 비율을 10:1로 설정했습니다. 초기에 혼합된 PDMS 경화제를 진공 챔버에 넣어 표준 압력에서 − 0.08MPa로 1시간 동안 혼합 시 기포를 제거합니다. 레이저로 조각된 물결 모양 회로 샘플은 그림 1a와 같이 PDMS 혼합물을 3D 인쇄 금형에 부어 만들어졌습니다. PDMS 매트릭스의 두께는 4mm로 설정됩니다.