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Aug 04, 2023

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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3914(2023) 이 기사 인용 931 액세스 2 Altmetric Metrics 세부 정보 액체 유동성과 금속 전도성 결합, 갈륨-인듐(Ga-In) 합금

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3914(2023) 이 기사 인용

931 액세스

2 알트메트릭

측정항목 세부정보

액체 유동성과 금속 전도성을 결합한 갈륨-인듐(Ga-In) 합금은 신축성 있는 전자 회로 및 착용 가능한 의료 기기와 같은 분야에서 주목을 받고 있습니다. 높은 유연성으로 인해 직접 잉크 쓰기 인쇄는 이미 Ga-In 합금 인쇄에 널리 사용되고 있습니다. 현재 공압 압출이 직접 잉크 쓰기 인쇄의 주요 방법이지만 Ga-In 합금의 산화물 표면과 낮은 점도로 인해 압출 후 제어가 어렵습니다. 이 연구는 미세 진동 구동 압출을 활용하여 Ga-In 합금의 직접 잉크 쓰기 인쇄 방법을 제안했습니다. 미세 진동은 Ga-In 합금 방울의 표면 장력을 감소시키고 인쇄 중에 무작위 방울이 나타나는 것을 방지합니다. 미세 진동 하에서 노즐 팁은 산화물 표면을 관통하여 성형성이 높은 작은 방울을 형성합니다. 적절한 미세 진동 매개변수를 최적화하면 액적 성장 프로세스가 크게 느려집니다. 따라서 성형성이 높은 Ga-In 합금 액적을 노즐에 장기간 유지할 수 있어 인쇄성이 향상된다. 또한, 적절한 노즐 높이와 인쇄 속도를 선택하여 미세 진동으로 더 나은 인쇄 결과를 얻을 수 있었습니다. 실험 결과는 Ga-In 합금 압출 제어 측면에서 이 방법의 우수성을 입증했습니다. 이 방법을 사용하면 액체 금속의 인쇄성이 향상됩니다.

융점이 낮은 액체 금속인 갈륨 기반 합금은 고유한 물리적 특성으로 인해 유연한 전자 장치1,2, 재료 합성3,4, 신축성 전자 장치5,6, 센서7,8 및 기타 분야에 일반적으로 사용됩니다. Ga-In 합금의 성형성은 3D 프린팅 기술을 결합하여 향상됩니다. 그러나 Ga-In 합금은 공기 중에서 빠르게 산화되어 점탄성 물질인 천연 산화물 표면을 형성합니다9. 산화물 피부는 유변학적 특성을 지배하고 Ga-In 합금 인쇄를 달성하는 데 핵심인 표면 장력을 감소시킵니다. 공압 압출 Ga-In 합금 3D 프린팅 공정에서 산화물 표면은 노즐에 큰 Ga-In 합금 방울을 생성하여 성형성을 감소시킵니다12. 그러면 압출 공정을 제어하기가 어렵습니다. 압출 제어가 어렵기 때문에 Ga-In 합금은 인쇄 과정에서 임의의 크기의 물방울을 생성합니다. 이러한 무작위 크기의 물방울은 인쇄된 구조의 해상도13,14 및 전도성15 요구 사항에 영향을 미칩니다. 따라서 많은 연구자들은 무작위 크기의 물방울 생성을 방지하는 방법을 제안했습니다. 액체 금속의 공압 압출을 지원하기 위해 세 가지 방법이 채택되었습니다.

인쇄는 외력에 의해 산화피막이 부서지면서 구현됩니다. Cook et al.16은 압출 압력을 정밀하게 제어하여 액적이 압출되지만 떨어지지 않고 액적과 기판 사이의 전단력을 사용하여 액체 금속을 기판에 접착시키는 것을 제안했습니다. Ladd 등17은 인장력에 의해 산화물 표면을 파열시켜 자립형 액체 금속 와이어를 형성했습니다. 그러나 외력에 의해 산화물 표면을 파괴하는 방법은 일반적으로 노즐 높이의 정밀한 제어와 같은 인쇄 공정에 대한 더 높은 요구 사항을 제시합니다. 금속이나 비금속 재료를 결합해 액체금속의 유변학적 특성을 변화시킴으로써, 압출 후에도 액체금속의 형태를 유지할 수 있게 됐다. Wu 등14)은 알긴산 나트륨 마이크로겔을 혼합하여 엄청난 표면 장력을 감소시키고 접착 성능을 향상시킨 액체 마이크로겔 잉크를 제안했습니다. Chan 등13은 SiO2 입자를 결합하여 액체 금속의 접착 특성을 향상시킨 재활용 가능하고 가역적인 액체 금속 페이스트를 제안했습니다. Daalkhaijav et al.18에 따르면 전도성 나노 또는 마이크로 니켈 재료를 액체 금속에 추가하면 탄성 계수와 항복 응력이 향상되고 3D 프린팅이 가능해집니다. 압출된 액체 금속의 정밀한 제어 문제는 다른 재료를 추가하여 효과적으로 해결할 수 있지만, 추가된 재료에 따라 적용도 제한됩니다. 노즐의 기계적 구조를 재설계하여 동축 공압출 인쇄가 가능해졌습니다. 지속적이고 안정적인 액체 금속 흐름을 얻기 위해 Khondoke 등19은 열가소성 엘라스토머에 액체 금속을 감싸서 함께 압출할 수 있는 동축 공압출 노즐을 개발했습니다. Wu 등20은 액체 금속을 안정적이고 효과적으로 감싸고 압출하기 위해 내부 노즐 확장이 있는 동축 노즐을 제안했으며, 이는 다중 해상도 액체 금속 인쇄를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 방법으로는 액체 금속 방울을 쌓아 3D 구조를 인쇄할 수 없습니다. 위의 방법은 액체 금속 인쇄 공정에서 발생하는 산화피막 문제를 부분적으로 해결하지만, 인쇄 공정, 재료 또는 액체 금속 형성 구조물이 어느 정도 제한됩니다. 재료나 공정에 제한을 두지 않고 산화피막이 인쇄 결과에 미치는 영향을 줄이기 위해 액체 금속 압출을 위한 미세 진동 구동 3D 인쇄 방법을 제안했습니다. 이 방법을 사용하면 액적이 충분한 크기로 팽창하지 않을 때 액적의 산화물 표피가 파손됩니다. 이 방법은 인쇄 구조에서 임의의 물방울이 발생하는 것을 효과적으로 방지합니다.