レーザー彫刻によりフレキシブル波形回路の高伸縮率を実現
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伸縮可能な波状回路は、さまざまな分野で幅広い用途に使用されるフレキシブルデバイスに不可欠なコンポーネントです。 産業分野では、回路の伸縮能力はフレキシブルデバイスにとって重要な要素です。 したがって、本研究では、フレキシブルデバイスの延伸率とデバイス解像度の両方を向上させるためのレーザー彫刻方法を提案します。 実験と有限要素解析から得られた結果から、波状回路へのレーザー彫刻により、波状回路の最大伸縮率が増加することが確認されました。 得られた解析モデルより、レーザー彫刻により波状回路に傾斜部分が発生し、波状回路の曲線点の曲げ剛性が低下することが確認された。 この研究では、レーザー彫刻された溝が回路方向に対して垂直にクラックの伝播を誘発するため、レーザー彫刻された波状回路は彫刻されていない波状回路よりも断線する可能性が低いことも検証されました。 曲げ剛性の低下とクラック誘発により、波形サーキットは従来の非彫刻波形サーキットに比べて伸びます。
フレキシブル デバイスは、ウェアラブル デバイス 1、2、ソフト ロボティクス 3、バイオ センサー 4、5、およびエネルギー ハーベスティング 6 の研究分野で幅広い用途があります。 一方、産業分野では実用化例が少なく、実用化が進んでいない。 たとえば、巻き取り可能/折り畳み可能なディスプレイ7、8。 伸縮性デバイス用の有望な材料の 1 つは金属ナノワイヤ複合材料であり、他の分野で広く研究されています 9、10、11、12、13、14、15、16、17 が、フレキシブル デバイスの強化には依然として構造上の問題が残っています。 フレキシブルデバイスに用いられる代表的な構造の一つに、Rogersらによって提案されたアイランド構造があります。 この構造の剛性部分は中央に位置し、フレキシブル回路18、19、20、21、22に接続されている。 この構造の硬い部分はセルの伸縮に寄与しないため、回路の伸縮能力はフレキシブルデバイスにとって重要な要素となります。 回路の最大伸縮率を高めるために、キリガミ 23、24、ヘリックス 25、リンクリング 26、27、28 などのさまざまな回路構造が開発されています。 しかし、それらのほとんどは、大量生産を採用する際に硬度を実現するために特殊な製造技術を必要としました。 29. Rogers らが開発した平面波状構造。 30、31、32 は、フレキシブル デバイスの量産に組み込まれる最も広く使用されている構造です。 ただし、伸縮率とデバイスの解像度の間にはトレードオフもありました33。
伸縮率とデバイス解像度の両方を向上させるために、傾斜した波形回路設計が提案されています 33。 ただし、大量生産にそれらを採用するための具体的な方法論はまだ提案されていません。 本研究では、伸縮性とデバイス解像度を向上させるために、波形回路上に傾斜部分を作製するレーザー彫刻法を提案する。 この研究を検証するために、数学的解析を伴う実験およびシミュレーション手法が導入されました。
傾斜した波状回路サンプルは、3D プリンティング (Moment 160) とレーザー彫刻法の両方を使用して作成されました。 レーザー彫刻用の回路基盤は、図 1a) に示すように、波状の基盤サンプルを印刷することによって準備されています。 3D プリントベースでのレーザーのアブレーションを最大化するために、黒色のポリ乳酸 (PLA) フィラメントがプリントに使用されています。 レーザーは、波長 365 nm、出力 1750 mW、各サイトのスポット時間 10 ms に設定して回路基盤に照射されました。 波形回路の断面を図 1a) に示します。 レーザー彫刻後、イオンスパッタ (G20、GSEM) によって波状プリント回路上に Au が蒸着され、その厚さは 2 ~ 5 μm と測定されました。 波形回路を囲むマトリックスとして PDMS (Sylgard 184、Dow Corning) が選択され、主材料と硬化剤の混合比は 10 対 1 に設定されました。最初に混合された PDMS 硬化剤は真空チャンバー内に置かれ、混合から気泡を除去するために、標準圧力から-0.08 MPaで1時間。 図1a)に示すように、レーザー彫刻された波状回路サンプルは、PDMS混合物を3Dプリントされたモールドに注ぐことによって作成されました。 PDMS マトリックスの厚さは 4 mm に設定されます。
(a) レーザー彫刻された波状回路サンプルの製造スキーム、および (b) 抵抗引張試験。
Au回路の断線を監視するために、図1b)に示すように、波形回路の抵抗と回路張力が監視されています。 回路の抵抗値が急上昇する点を断線点とし、波状回路の最大伸び率を測定しました。
COMSOL は、図 2 に示すように、有限要素法を実行して波状回路の最大伸びを導き出すために使用されています。COMSOL の MUMPS スパース ソルバーは、逆問題を解くために選択されています。 シミュレーションの効率を高め、非正のヤコビアン誤差を回避するために、回路層の厚さは 0.4 mm に設定されました。 最大延伸比に対するレーザー彫刻の効果を測定するために、彫刻深さ DC がレーザー処理のパラメーターとして使用されています。 モデル内の複数のスプラインとレイヤーを考慮して、シミュレーションには四面体メッシュが使用され、異なるレイヤー間の境界面が結合条件として設定されています。 線形化を考慮し、回路基盤(PLA)、金属層(Au)、マトリックス(PDMS)の弾性率とポアソン比を表1の値に設定しました。張力を持たせるために、回路の片側(PDMS表面を含む) )を固定し、波形回路の反対側に所定の変位を埋め込みました。
レーザー彫刻された波状回路の有限要素法をモデル化するためのスキームと主要なシミュレーション パラメーター \({d}_{c}\)、\(w\)。
図 3a は、さまざまな彫刻深さと波状回路の幅での波状回路の最大伸びを示しています。 シミュレーション データは、彫刻の深さを増やすと、波状回路の最大伸びをある程度増やすのに有利であることを示唆しています。 ただし、シミュレーション データは、過剰なレーザー彫刻により、波形回路の伸縮率の増加による効果が減少することも示唆しています。
(a) さまざまな彫刻深さとセクション幅におけるレーザー彫刻された波形回路の最大ひずみのシミュレーション結果。 (b) 波形回路の伸張に伴うコンダクタンス変化の実験結果。
図3bは、伸長中の波形回路のコンダクタンス変化の実験結果を示しています。 波形回路のコンダクタンスは、波形回路が最大伸張点に達すると低下する傾向があります。 伸縮コンダクタンス データは、レーザー彫刻された波状回路の最大伸縮が平面波状回路よりも優れた伸縮率を示すことを示唆しています。 図 3 の特定のデータ ポイントは補足ファイルで説明されています。
表2に波状回路の電気抵抗率と波状回路の断面における回路のアーク長を示します。 このデータは、レーザー彫刻による表面積の増加により、波形回路の導電率が増加することを示唆しています。
図4は、彫刻された波状回路と彫刻されていない回路の周期的な張力-解放特性を比較しています。 張力サイクルの振幅は 10% に設定されます。 回路に張力がかかると、抵抗が増加する傾向があり、張力がなくなると抵抗の初期状態に戻ります。
周期的ストレッチ中の波形回路の抵抗の変化 (0.5 Hz、振幅 10%) (a) レーザー彫刻なし、および (b) レーザー彫刻あり。
周期データは、レーザー彫刻された波状回路が彫刻されていないものと比較して抵抗変化が小さいことを意味し、これは、レーザー彫刻された波状回路が動的状態において平面波状回路と比較して比較的安定していることを意味します。
シミュレーションと実験の結果はどちらも、張力中に安定した導電性を維持しながら、レーザー彫刻された回路の最大伸縮率が増加していることを示しています。
シミュレーション結果と実験結果はどちらも、レーザー彫刻手順により波状回路の伸びが増加することを示唆しています。 シミュレーションの応力解析により、レーザー彫刻により曲線点での応力集中が軽減されることがわかりました。 応力集中の減少は、波形回路の曲線点における曲げ剛性の低下に起因すると考えられます。 レーザー彫刻による断面の傾斜の誘導と回路の堆積により、曲線点の曲げは平面での曲げよりも容易になり、これは次の式と図5aで表されます。
(a) レーザー彫刻された波状回路の曲げ剛性解析のスキーム、および (b) 傾斜した回路セクションの対称ねじれによって引き起こされる軸外曲げ (SEM のスケール バー: 500 μm および 50 μm)。
ここで、Eq. (1)、(2)はそれぞれレーザー彫刻面の傾き、回路部の曲げ剛性を表します。 \(d_{c}\) と \(w\) は回路部分の彫刻の深さと幅を表します。 図5aに示すように、\(t\)、\(R\)、\(P\)はそれぞれ、波形回路の厚さ、曲線点の半径、ピッチを表します。 曲線点の曲がりを梁と仮定すると、曲線点の曲がり角は次のように表すことができます。
式(3)は曲線点の断面にかかる曲げ運動量を表し、式(3)は曲線点の断面に加わる曲げ運動量を表す。 (4) は、回路の両端の伸長力 \(F\) によって生じる曲げ角度 (\(\theta_{bending}\)) を表します。 \(E\) と \(\theta\) はそれぞれ回路の係数と曲線点の角度を表します。 曲げが小さい場合を想定すると、曲線点の曲げによって生じる正味ひずみは次のように定式化できます。
式 (5) は、伸張力 (\(F\)) によって生じる正味ひずみを表します。 実験条件と同様の次元を設定すると (\(w = 2.5\;{\text{mm}}\)、\(E = 4.3\;{\text{GPa}}\)、\(P = R = 4) \;{\text{mm}}\)、\(t = 2\;{\text{mm}}\)) および設定 \(F = 10\;{\text{N}}\)、最大ストレッチ図 6 に示すように、波形回路の形状とレーザー彫刻の深さを解析的に示すことができます。
10 N の張力でレーザー彫刻された波状サーキットの最大伸びの解析結果。
平面波状回路の伸縮解析と波状回路の密度(解像度の逆数)は、式(1)および式(2)で表すことができます。 (6) および (7)33:
レーザー彫刻回路の伸縮方程式は、分母にレーザー彫刻パラメーター (\(d_{c}\)) を持っているため、レーザー彫刻回路はパラメーターのピッチ (P) や曲線点の半径 (R) を増やすことなく、最大伸縮率を増やすことができます。 P と R を増加すると回路密度が減少し、別の世界ではデバイスの解像度が低下するため、デバイスの解像度を犠牲にすることなく伸縮率を高めるには、レーザー パラメータを増加することが波状回路にとってより良い選択肢となります。
レーザー彫刻が増加すると、レーザー彫刻で発生した溝は断面歪みによる応力集中を受けやすくなるため、応力集中やクラックの伝播が発生します。 図 3a に示す断面幅 2 mm の場合は、過剰な彫刻深さが伸長中に構造破壊を引き起こすことを意味します。 また、FEM解析により、波状回路の曲線点の傾斜部分は、伸びが誘起されると歪む傾向があることも判明した。 彫刻面の場合、図5bに示すように対称な傾斜部分が2つあり、対称的に歪みが発生しやすくなります。 対称的な歪みにより、図5bに示すように、レーザー彫刻された波状回路の曲線点も断面曲げを受け、彫刻面の溝に応力集中が引き起こされます。
それにもかかわらず、図 3b に示す伸長中の波状回路の実際の切断は、図 3a のシミュレーション結果とは大きく異なります。 シミュレーションと実験の間の相違の理由は、波状回路における亀裂の伝播方向によるものであることを保証します。 波状回路における亀裂伝播のSEM画像(図7a、b)は、レーザー彫刻された回路における亀裂の伝播方向が回路方向と平行であることを示しており、亀裂がある程度進行した場合でも、波状回路の導電チャネルは維持されます。 、図7cに示すように。 また、図3bに示すように、レーザー彫刻された波状回路のコンダクタンスがゆっくりと低下する理由は、波状回路の直接切断に遅れる平行亀裂の伝播によるものであることも保証します。 レーザー彫刻された波状回路の溝点での亀裂の伝播は、回路の製造において溝点の制御が不可欠であることを意味します。 レーザー彫刻の溝先端の曲率が大きいと、最終的にクラックの進展が発生します。 溝のポイントを制御するには、複数回のレーザー彫刻または追加の熱処理が必要になる場合があります。
(a) レーザー彫刻された波状回路、および (b) 彫刻されていない波状回路における亀裂伝播の SEM 画像。 (c) レーザー彫刻された波状回路における亀裂伝播のスキーム。
フレキシブルデバイスの性能を向上させるには、波形回路の伸縮率を高めることが重要です。 しかし、従来の平面波形回路では、伸縮率を高める際にさまざまな制限があります。波形回路では伸縮率を高めるにはピッチを大きくする必要があり、結果的にフレキシブルデバイスの回路密度が低下するためです22、24。 一方、レーザー彫刻による回路は、デバイスの解像度を犠牲にすることなく波形回路の伸びを大きくする効果があり、回路方向に平行にクラックを誘発することができ、回路の断線をある程度防ぐことができます。 さらに、レーザー彫刻法は、従来のリソグラフィーまたは 3D 印刷技術と簡単に組み込んでフレキシブルデバイスを製造でき、半導体 OLED ディスプレイやナノ材料の量産に広く使用されています 37、38、39、40、41、42。 上記の利点を考慮すると、 レーザー彫刻法はフレキシブルデバイスの生産効率向上に大きく貢献します。
関連するすべての生データを含む、原稿に記載されている資料は、非営利目的での使用を希望する研究者であれば自由に利用できます。
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JH Yun と M Cho は同等の貢献をした著者です。 この研究は、韓国政府 (MSIT) の資金提供を受けた韓国国立研究財団 (NRF) 助成金 (番号 2021R1F1A1051120) によって支援されました。 この研究は、教育省(MOE)の資金提供を受けた韓国国立研究財団(NRF)を通じた「地域イノベーション戦略(RIS)」(番号2021RIS-004)によって支援されました。
公州国立大学機械自動車工学部、1223-24、Cheonan Daero、Seobuk-gu、Cheonan-si、Chungnam、31080、韓国
ユン・ジョンフン
韓国、天安市、国立公州大学未来融合工学部
ユン・ジョンフン & アデビシ・ヴィクトリア
ソウル国立大学機械工学科、ソウル、韓国
チョ・メンヒョ
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J.-HYとMCがメイン原稿を書き、図を作成しました。 OVA の参考資料を整理しました。
ユン・ジョンフンさんへの通信。
著者らは競合する利害関係を宣言していません。
シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。
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Yun, JH.、Victoria, AO & Cho, M. レーザー彫刻によるフレキシブル波形回路の高い伸縮率を実現。 Sci Rep 12、17745 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2
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受信日: 2022 年 6 月 16 日
受理日: 2022 年 10 月 17 日
公開日: 2022 年 10 月 22 日
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2
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