コストを使用したフレキシブル基板上の銅レーザーパターニング

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21149 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

私たちは、安価な 3D プリンタに取り付けられた 405 nm レーザーモジュールを使用して、薄いポリイミド基板 (PI 厚さ: 12.5 ～ 50 μm) 上に銅 (Cu) をコスト効率よく直接レーザーパターニングする方法を研究しました。レーザーの焦点距離は、所定のプロセス条件下でパターン化されたCuの欠陥とPIの表面損傷を減らすために意図的に制御されました。さまざまな焦点距離で適切な焦点距離を調べました。実際の焦点距離と比較して、短い焦点距離 (SFL) と長い焦点距離 (LFL) で、それぞれ - 2.4 mm と 3 mm の焦点距離が見つかりました。これにより、線欠陥のないきれいなCu線パターンが得られました。興味深いことに、SFL の場合には LFL とは異なる Cu 成長パターンがあり、レーザー入射角の小さな違いが Cu 前駆体の焼結に影響を与える可能性があることを示しています。銅正方形パターンは、3 回または 4 回のレーザースキャン後の LFL では 70 μΩ・cm と低い抵抗率を示しましたが、SFL では 1 回のレーザースキャンで 48 μΩ・cm 未満の抵抗率を示しました。 PI 上の Cu 前駆体の残留物は、流水と通常の界面活性剤で簡単に除去できました。しかしながら、洗浄後、パターンの抵抗率は減少した。スキャンギャップの中で、70μmのスキャンギャップで形成されたCu正方形パターンはシート抵抗が最も低く、洗浄後の抵抗変化は約4～4.4Ω/ϒで最も少なかった。この結果は、コーティングされた Cu 前駆体が適切なプロセス条件下で十分に焼結された場合、パターン化された Cu の接着が改善される可能性があることを意味します。この方法をバイオセンサーなどのバイオエレクトロニクスに応用するために、腕の皮膚に取り付けたPIのCuパターンにLEDを接続すると、電源接続中に基板PIが曲がった場合でも正常に動作しました。

敏感でフレキシブルな基板上の小型ポータブルデバイスには、真空蒸着、フォトレジスト、有害な化学エッチングを必要とするリソグラフィプロセスではなく、直接パターニングプロセスが必要です1、2、3、4、5、6、7。したがって、銀 (Ag) や金 (Au) などの金属ナノ粒子インクを使用した直接パターニングプロセスが広く研究されています 8、9、10。高価な貴金属の代わりに、銅 (Cu) ベースの複合材料が、その優れた熱的および電気的特性と費用対効果の高さから注目を集めています 11,12,13。ただし、貴金属（Au、1.52 V、Ag、0.799 V）と比較して酸化ポテンシャルエネルギー（0.34 V）が低いため、空気中で酸化されやすいという欠点があります11。したがって、熱焼結を使用して周囲環境で Cu 前駆体を還元することはできません。最近、代替の熱焼結法として多くの試みが報告されている。効果的な手法の 1 つは、保護コーティングを適用する 14,15 か、コアシェル構造に薄い貴金属を使用する 16,17 ことによって、Cu-NP を保護および安定化させることです。 Cu 前駆体は高出力フラッシュランプを使用して焼結することもでき、大規模な生産ラインに簡単に統合できます 18、19、20、21。この方法では、Cu 前駆体を高温に加熱して数ミリ秒以内に完全な焼結を行うことができ、空気中での Cu の酸化やポリマーベースの基板への影響を最小限に抑えることができるため、この光子焼結は大面積プリンテッドエレクトロニクスにとって魅力的なオプションです。それにもかかわらず、フラッシュランプは強力で広域スペクトルの光を放射するため、ポリマーベースの基板の部分的な変形を引き起こす可能性があります。ただし、このリスクを軽減するためにフラッシュ強度を下げると、焼結の品質が低下します。さらに、この方法は直接パターニングする方法ではなく、Cu焼結の前後に追加のパターニングプロセスが必要です。

もう 1 つの有望な技術は、直接レーザー焼結です 22、23、24、25、26、27。集束中、集束されたビームのエネルギーは前駆体によって吸収され、局所的な一時的な加熱プロセスが誘発され、その結果急速な焼結が生じます。その結果、光学系と金属前駆体によって解像度が制限される金属パターンを実現できます。高速スキャンにより、幅数マイクロメートルの高解像度の金属パターンを提供できます。さらに、周囲条件では、焼結時間が十分に短い場合、Cu の酸化は防止されます。未焼結のインクは洗浄により簡単に除去され、パターン形成プロセスが完了します。ただし、このプロセスでは高エネルギー密度の集束レーザーを使用するため、ポリマーベースの基板に損傷を与える可能性があります。

私たちは、有機金属 Cu 前駆体とプリンターメーカーから供給された独自のレーザーモジュール (405 nm ダイオード、500 mW) を使用して、表面損傷を最小限に抑えながらポリマー基板上に Cu をパターン化することを試みました (図 1)。製品の軽量化と小型化に伴い、エレクトロニクス分野では、現在のガラス基板に代わる軽量で柔軟なポリマー基板としてポリイミド（PI）を使用する多くの研究が進行中です28、29、30、31、32、33。これは、ポリイミドが剛直な芳香族主鎖に基づく機械的強度、耐薬品性、耐熱性、熱安定性など多くの利点を備えているためです29。芳香族 PI は、イミド環、つまりイミド骨格に存在する電子受容体二無水物と電子供与体ジアミンの間の電荷移動錯体により、黄色または茶色がかった色をしています 31、32、33。この研究で使用した 405 nm レーザーは、透明ポリマー基板と比較して着色 PI 基板の表面にダメージを与えやすいため、Cu のレーザーダイレクトパターニングプロセスで表面損傷を最小限に抑えることができるかどうかをテストするためにこの着色 PI フィルムを選択しました。フレキシブル基板上に Cu パターンを形成するためにレーザーを適用すると、たとえ 10 mW 未満のレーザー出力であっても、基板に深刻な損傷が生じ、その結果、膜が局所的に焼けたり、劈開したりする結果となりました。そこで、基板へのダメージを最小限に抑える適切なプロセス条件を使用してCuパターンを得る方法を研究し、開発しました。 405nmレーザーをダメージの少ない別の波長のものに変更することは考慮されていませんでした。これは、出力1W程度のレーザーダイオードの中で、波長405nmのレーザーダイオードが最も入手しやすく、安価であり、費用対効果が高く使いやすいダイレクトパターニングの開発という研究目的を満たしているためです。機械も方法も。また、PI 薄膜への表面損傷を最小限に抑えながら、パターン化された Cu の導電性を最適化するプロセス条件の開発にも努めました。

USBカメラを搭載したレーザー一体型3Dプリンター。

これまでの研究により、Cu化合物は窒素雰囲気下で熱処理すると低温で容易に還元されることが示されています。アミン配位ギ酸銅酸化合物の分解化学と金属銅の形成は、式 2 によって簡略化されます。 (1):34,35

焼結は同時に Cu の酸化を伴うため、形成されたままの Cu の酸化を防ぐために短時間の熱処理または窒素環境が必要です。レーザーダイレクトパターニングの場合、Cu 前駆体の焼結の程度は、レーザー焦点距離、スキャン速度、レーザー出力などの機械のいくつかの要素に関連します。さらに、これらの要因は相互に影響を及ぼします。レーザー出力は、PI フィルムの損傷を制御する上で最も重要な要素です。実際、実際の焦点距離 (AFL) でのレーザー出力の 1.6% (約 8 mW) が PI に損傷を与える可能性があります (レーザー集束方法を参照)。この研究では、AFL に対してレーザーの焦点距離を意図的に増減させることで、パターン化された Cu の欠陥と PI フィルムへの損傷を最小限に抑えることを試みました。したがって、最初にレーザーの正確な AFL を見つけることが必要でした。これを達成するために 3 つの異なる方法が導入されました。最初の方法では、2％のPWM入力パワーでレーザーを黄色のPIと白いポリエチレンテープで覆われたガラス基板に焦点を合わせ、下に取り付けられたUSBカメラを使用してz軸を制御しながら最小のレーザースポットを見つけました（図2a）。基板。 2番目の方法では、z軸を徐々に減少させながら、入力電力2％で裸のPIフィルムの燃焼点を使用して焦点距離を決定しました（図2b）。以上の2つの方法により、おおよその焦点距離が分かりました。ただし、正確に焦点を合わせるために、3 番目の方法では、上記の 2 つの方法の焦点距離に基づいて G コードファイルをプログラミングする必要がありました。続いて、大まかな焦点距離の周りのさまざまな高さで Cu のラインパターニングを実行し、レーザーの AFL を決定しました。図2cは、異なる焦点距離および1.6%の一定入力で形成されたCuラインの顕微鏡画像です。 Cu ラインの中で、Cu の線幅が最も狭いのはレーザーの AFL 付近であり、Cu パターンおよび PI 膜上にさまざまな欠陥が観察されました。以前のレポート 21、22、23 と同様に、最も一般的な欠陥は線欠陥であり、これはパターン化された Cu 線の中央にある空の領域または穴の開いた領域です。 AFLからの上下方向によって欠陥パターンの現れ方が異なることが分かりました。より長い焦点距離 (LFL) 領域では、より短い焦点距離 (SFL) 領域よりも深刻な線欠陥が見られます。さらに、Cu ラインの幅は、AFL からの距離が増加するにつれて両方向に徐々に増加します。欠陥の中には、PI フィルムの表面損傷を伴うものもあります。たとえ 1.6% (約 8 mW) という低いレーザー出力であっても、よく集束されたレーザービームの強いエネルギーが原因である可能性があります。ただし、AFLとは異なる適切な焦点距離が存在し、一定のレーザーパワーできれいなCuパターンが得られます（図2c）。

レーザービームの焦点合わせ: (a) USB カメラを使用してレーザー焦点距離を見つける、(b) 1.6% パルス幅変調 (PWM) 入力信号で裸の PI フィルム上の燃焼点を使用して焦点距離を決定する、および (c) を決定するG コードプログラム (スキャン速度 1 mm/s、2% PWM) を使用してさまざまな焦点距離で形成された Cu パターンによる焦点距離。

レーザー出力の安定性は、パターンの品質を向上させる上で重要な要素です。 PWM方式で制御された入力信号に応じたレーザー出力をテストしました。レーザーモジュールの出力パワーは、PWM 信号の約 70% まで直線的に増加しましたが、その後は入力からの予想に反してわずかに減少しました。これはおそらくレーザーモジュールの冷却能力によるものです (図 3a)。図3bは、入力パワー信号の増加に伴ってレーザー出力の偏差が増加することを示しています（レーザーをオンにしてから30秒間測定）。この研究で使用される入力パワーは、後の実験によって決定された最大パワーの 38% (約 260 mW) であるため、レーザーのパワー偏差は、レーザーの「ターンオン」時間以来 0.6% よりもはるかに小さいと予想されます。この実験では、スキャン速度 4 mm/s に基づいて、レーザーの照射時間は数秒未満です。

入力信号に対するレーザー出力の特性: (a) PWM 入力比に対するレーザー出力、および (b) 30 秒間の「オン」状態でのさまざまな PWM 比でのレーザー出力の変動。

一定の走査速度と固定焦点距離（LFLまたはSFL）でレーザー出力を増加させながら、Cuパターンの形状と欠陥を調査しました。図4aのLFLの場合（AFLより3 mm長い）では、レーザー出力の増加に伴ってCuの線幅と粒径が増加し、入力パワーが50％を超えるとCuパターンに線欠陥が再発します。図4bのSFLの場合（AFLより2.4 mm短い）では、Cuパターン上にレーザーマークが現れることを除いて、LFLの場合と同様の結果が観察されます。興味深いことに、図4cのレーザーパワーに対するSFLの線幅増加率は、入射レーザービームの角度と直径が異なるため、LFLよりも小さく見えます。他の予備テストを含むこれらの結果に基づいて、Cu ダイレクトレーザーパターニングには 38% の PWM パワー入力が選択されました。

12.5 ～ 100% の入力 PWM 信号比の関数としてのパターン化された Cu の顕微鏡画像: (a) LFL および 4 mm/s スキャン速度で形成された Cu ライン、(b) SFL および 4 mm/s スキャン速度で形成。欠陥を最小限に抑える適切な焦点距離を見つけるための、さまざまな SFL および LFL で形成された Cu パターンの顕微鏡画像と線幅: (c) 焦点距離 (LFL) 2.4 ～ 4 mm、(d) 焦点距離 (SFL) − 1.8 ～ − RFL に基づく 3.4 mm。 Cu パターンは 38% PWM 入力および 4 mm/s のスキャン速度で取得されたことに注意してください。

適切な SFL と LFL を見つけるために、G コードファイルを使用してさまざまな焦点距離で銅パターンを調査しました。図4c〜dは、38%の入力電力および4 mm/sのスキャン速度で取得されたSFLおよびLFL領域のCuパターンの線幅と顕微鏡画像を示しています。 SFL では、LFL よりも銅パターン上に大きな欠陥線が表示されます。 AFLよりもはるかに長いか短いかで、炭素残留物とCuの集合体が見つかります。図 4 は、どちらの場合も、特定の焦点距離で欠陥のない Cu パターンが生成されることを示しています。この結果に基づいて、焦点距離を SFL では約 -2.4 mm、LFL では 3 mm に固定し、さらなる実験を行いました。

レーザー照射時間は、3Dプリンターに取り付けられたレーザーモジュールのスキャン速度（または速度）に直接関係します。 38%の電力入力と所定の焦点距離でスキャン速度を上げながら、Cuパターンを検査しました。図5aでは、LFLの場合、低いスキャン速度でのCuの粒径の増加と、スキャン速度の増加に伴う線幅の減少を明確に示しています。図５ｂのＳＦＬの場合も同様に線幅が減少しているが、線幅の変化率はＬＦＬの場合（図５ｃ）よりも低い。どちらの場合も、スキャン速度が 2 mm/s 未満では、レーザー滞留時間が長かったために欠陥が発生しましたが、4 mm/s 以降では、きれいな Cu パターンが示されました。興味深いことに、SFL には LFL とは異なる Cu ラインパターンがあり、前の出力テストの結果と同様に、レーザーの入射角のわずかな違いが Cu の焼結に影響を与える可能性があることを示しています。図5d〜eのSFLとLFLのSEM画像は顕微鏡画像と一致しており、スキャン速度が低下するにつれてCu粒子サイズが増加することを示しています。さらに、エネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 分析では、スキャン速度の増加に伴って Cu パターン内の C 含有量が増加することが示されています。これらの結果に基づいて、スキャン速度は 4 mm/s と決定されました。

38% PWM 入力での 1 ～ 8 mm/s のレーザー走査速度の関数としてのパターン化された Cu の顕微鏡および走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像: (a) LFL で形成された Cu ライン、(b) SFL で形成された Cu ライン、（c）スキャン速度に対するCuパターンの線幅、（d）LFLのSEM画像、および（e）スキャン速度に対するSFLのSEM画像。 (a) と (b) の挿入図は、各 Cu パターンの拡大画像です。

レーザーパワー、スキャン速度、焦点距離の適切な条件を見つけた後、異なるレーザースキャンギャップ（50、70、および90μm）で8×8 mm2の正方形のCuパターンからCuパターンの抵抗率を測定しました。図6aは、焼結中に形成された炭素残留物のストリップラインを含むCu正方形パターンのカメラ画像を示しています。 LFLでの1回のレーザースキャンは、50μmで約830μΩ・cm、70μmで5.4Ω・cm、100μmのスキャンギャップで4.9Ω・cmを示します。この高い抵抗率を修正し、レーザー処理の効果をさらに調べるために、Cu パターンを再度レーザー処理しました。さらにレーザースキャンを行うと、Cuパターンの抵抗率が徐々に減少し、70μΩ・cmまで低下しました（図6b）。 70 μm および 90 μm のラインスキャンギャップでは、抵抗率は約 70 μΩ・cm まで急激に低下します (図 6c ～ d)。図6eの70μmサンプルのSEM画像は、レーザースキャンが延長されるとCu粒子サイズが増加することを示しています。このサンプルの EDX 分析によると、C/Cu 比もレーザースキャンの回数とともに減少しました。

異なるスキャンギャップ（50、70、および90μm）で形成されたCu正方形パターンの抵抗率とLFL：（a）PI上のCu正方形（8×8 mm2）パターンのカメラ画像とその顕微鏡画像、（b）抵抗率曲線50 μm スキャンギャップ、(c) 70 μm スキャンギャップ、および (d) 複数のレーザースキャンに対する 90 μm スキャンギャップ、(e) 複数のレーザースキャンに対する 70 μm サンプルの C/Cu 比の SEM 画像。

図7aは、LFLで形成されたCuパターンと同様の炭素残留ストリップラインを有するSFLで形成されたCu正方形パターンのカメラ画像と顕微鏡画像を示しています。 Cuパターンの抵抗率はLFLとは全く異なります。スキャンギャップにもかかわらず、1回のレーザースキャン後のすべてのパターンの抵抗率はLFLよりもはるかに低くなります（図7b〜dでは60μΩ・cm未満）。驚くべきことに、この抵抗率は、100%の入力電力で得られたガラス基板上に形成されたCu正方形パターンの抵抗率に匹敵します(図7c)。このパターニング方法を使用する重要な側面の 1 つは、Cu パターンの損傷を最小限に抑えながら、未反応の Cu 前駆体である残留物を PI 基板から除去することです。幸いなことに、Cu 前駆体は流水と通常の界面活性剤で十分に除去されます。図7b〜dの挿入図は、Cuパターンの洗浄前後に撮影された顕微鏡画像を示しています。実際、Cu 前駆体膜は青みがかった色をしていますが、人間の目や顕微鏡ではほとんど見えません。しかし、形成されたままの銅パターンのエッジに黒い残留物があったのと比較して、洗浄されたパターンでは残留物がほとんどありませんでした。レーザー走査方向に応じて、垂直と水平の 2 つのシート抵抗を測定したところ、洗浄後にサンプルの抵抗がわずかに増加することがわかりました。水平方向の抵抗率変化は、50 μm で 0.8 Ω/ϒ、70 μm で 0.4 Ω/ϒ、90 μm スキャンギャップで 1.3 Ω/ϒ でした。垂直方向の抵抗率変化は、50 μm で 1.6 Ω/ϒ、70 μm で 0.6 Ω/ϒ、90 μm スキャンギャップで 1.4 Ω/ϒ でした。興味深いことに、スキャンギャップの中で、70 μm の Cu パターンの抵抗率が最も低く、洗浄後の抵抗率の変化も最も少ないことがわかります。この結果は、Cu 前駆体が適切なプロセス条件下で十分に焼結されれば、パターン化された Cu の密着性が向上できることを示しています。

異なるスキャンギャップ（50、70、および90μm）およびSFLで形成されたCu正方形パターンの抵抗率：（a）PI上のCu正方形（8×8 mm2）パターンのカメラ画像とその顕微鏡画像、（b）抵抗率曲線50 μm のスキャンギャップ、(c) 70 μm のスキャンギャップ、(d) 90 μm のスキャンギャップ。なお、抵抗率グラフには、レーザー走査方向に対して垂直・水平方向の抵抗率と洗浄前後の抵抗率の比較も含まれています。

25 μm PI 上に 5 × 30 mm2 の正方形の Cu パターンを作成し、自作の曲げ機を用いて曲げ試験を実施しました。 1,000 回曲げた後 (曲げ半径 2.5 mm)、サンプルの抵抗は図 8 に示すように 0.87 Ω/mm から ~ 0.88 Ω/mm に変化しました。

レーザー焼結したCuを数回曲げると抵抗が変化します。曲げ試験は、曲げ速度１００ｍｍ／ｓ、曲げ半径２．５ｍｍで行った。

文字などの各種パターンをデザインし、所定のプロセス条件に従ってCuレーザーダイレクトパターニングを実施しました。 Cu 前駆体は、厚さ 12.5、25、および 50 μm のさまざまな PI フィルム上にコーティングされ、レーザーで焼結されました。図 9a は、厚さにもかかわらず、すべての PI フィルムで明確に定義された Cu パターンを示しています。 Cu パターンがフレキシブル電極として使用できることを実証するために、小型 LED をパターンに取り付けて動作させました。図 9a の挿入図は、LED が適切に動作していることを示しています。この電極の潜在的な用途の 1 つは、バイオセンサーを含む小型のバイオエレクトロニクスデバイスにある可能性があります。そこで、Cuパターンを施したPIとLEDを腕の皮膚に貼り付け、同様の試験を行った。その結果、電源接続中に基板PIが曲がった場合でも、正常に動作することが確認されました（図9b）。

LED との電気的接続をテストするために設計されたさまざまな Cu パターン: (a) ガラス板に貼り付けられた、異なる厚さ (12.5、25、および 50 μm) の PI フィルム上に形成された Cu パターン、および (b) PI フィルムの Cu パターン上で動作する LED腕の皮膚に付いています。

コスト効率の高い、PI のフレキシブル基板上の Cu の直接レーザーパターニングのために、レーザーモジュールを備えた安価な 3D プリンター (1000 ドル未満) を検討しました。レーザーの焦点距離を見つけるために 3 つの方法が導入されました。USB カメラを使用したビームスポット分析、Z 軸の高さに対して燃焼点の位置を特定する、および G コードファイルを使用して異なる Z 軸の高さで形成された Cu パターンを利用するです。。レーザー出力の変動はさまざまな PWM 信号に対して測定され、38% PWM 入力で 30 秒間の変動は 0.6% 未満でした。さまざまな焦点距離で適切な焦点距離を調査し、SFL と LFL で線欠陥のないきれいな Cu 線パターンが得られる焦点距離を見つけました。この結果に基づいて、焦点距離を SFL では約 -2.4 mm、LFL では 3 mm に固定しました。レーザーの照射時間に対するスキャン速度のテストから、レーザーを長時間照射すると、Cu 粒子サイズが増加しますが、Cu パターンに欠陥が生じることがわかりました。興味深いことに、SFL では LFL とは異なる Cu 成長パターンがあり、レーザー入射角のわずかな違いが Cu 前駆体の焼結に影響を与える可能性があることを示しています。所定の条件で得られたCuパターンは、数回のレーザースキャン後にLFLでは70μΩ・cmの最小抵抗率を示しましたが、SFLでは1回のレーザースキャンで48μΩ・cm未満の抵抗率を示しました。これは、100% PWM 信号で形成されたガラス基板上の Cu 正方形パターンの値と同等の値でした。 PI 上の未反応の Cu 前駆体は、流水と通常の界面活性剤で十分に除去されました。しかし、洗浄前のCuパターンと比較すると、パターンの抵抗率が低下していることがわかりました。興味深いことに、スキャンギャップの中で、70μmのスキャンギャップで形成されたCuパターンは、抵抗率が最も低く、洗浄後の抵抗率の変化が最も少なかった。これは、コーティングされた Cu 前駆体が適切なプロセス条件下で十分に焼結されれば、パターン化された Cu の接着が改善される可能性があることを意味します。この方法の期待される応用の 1 つは、バイオセンサーを含むバイオエレクトロニクスの製造です。このため、腕の皮膚に取り付けられたPIのCuパターンに接続されたLEDの動作が実証され、電源接続中に基板PIが曲がった場合でもLEDは正常に動作しました。

以前の報告を参考にして、Cu MOD 溶液を次の順序で製造しました 30,31。まず、メトキシエタノール (60 ml、大中化成金属株式会社) とモノエタノールアミン (8 ml、大中化成金属株式会社) を混合しました。、株式会社）。次に、４ｇのギ酸銅（ＩＩ）四水和物（ＡｌｆａＡｅｓａｒ）を１０分間溶液に溶解した。水を除去し、Cuをアミンと配位させるために、この混合物を撹拌しながら140℃で35分間熱処理し、その後冷却した。 MOD 溶液の最終体積は約 21 および 23 ml でした。この溶液に蒸留メトキシエタノールを加えることにより、２５ｍｌのＣｕ前駆体ＭＯＤ溶液を得た。シリンジフィルター (CHMLAB PVDF シリンジフィルター、0.45 μm) を使用して濾過した後、溶液を PI フィルム (厚さ 12.5、25、および 50 μm、ISOFLEX PIT-S1206HS-50G-FL50、PIT-S2505HS-100G) 上にスピンコートしました。 -FL50、およびPIT-S5020HS-250G-FL50）をスライドガラス上に1200 rpmで10秒間貼り付け、ホットプレート上で130 °Cで90秒間乾燥させました。レーザーダイレクトパターニングには、レーザーヘッドを取り付けた市販の 3D プリンター (Mooz2、DOBOT) を使用しました。簡単にするために、メーカーから提供された 405 nm のオリジナルのレーザー光源を使用しました。レーザパワーは、PWM方式で生成された各種入力信号に対してパワーメータ(PowerMax-USB、COHERENT)を用いて測定しました。焦点距離を決定し、パターン形成プロセスを調べるために、3D プリントされたホルダー (図 1) に USB カメラが取り付けられ、基板のすぐ下に配置されました。 PI 上の Cu パターンは、G コードを使用してさまざまな焦点距離、レーザー出力、印刷速度、その他の要因で生成され、プロセス条件が決定されました。パターン内の銅の微細構造は、SEM (Hitachi Regulus 8100、日本) および Oxford Ultim Max 40 (Oxford Instruments、英国)、KLA-Tencor を使用した EDS で分析されました。パターンのシート抵抗は、4 点プローブ (OSSILA) 法を使用して取得されました。

現在の研究中に使用または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

アテス、HC et al. ウェアラブルセンサーのエンドツーエンドの設計。ナット。メーター牧師。 15、1–23 (2022)。

Google スカラー

Kim, J.、Campbell, AS、de Ávila, BEF & Wang, J. ヘルスケアモニタリング用のウェアラブルバイオセンサー。ナット。バイオテクノロジー。 37、389–406 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Cheng, Y. et al. ウェアラブルデバイスアプリケーション用のセンサーの最近の開発。アナル。バイオアナル。化学。 413、6037–6057 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Kim、BC、Hong、JY、Wallace、GG、Park、HS フレキシブル電気化学キャパシタの最近の進歩: 電極材料、デバイス構成、および機能。上級エネルギーメーター。 5、(2015)。

Leal-Junior, A.、Avellar, L.、Frizera, A. & Marques, C. 伸縮性の高い多重光ファイバーシステムを使用した、マルチモーダルウェアラブルセンシング用のスマートテキスタイル。科学。議員 10、1–12 (2020)。

記事 Google Scholar

Nguyen、TMH、Shin、SG、Choi、HW & Bark、CW 自己電源型の柔軟な UVC 光検出器の最近の進歩。探検20210078（2022）。 https://doi.org/10.1002/exp.20210078

Zhou、J.ら。信号ヒステリシスが低いフレキシブルエレクトロニクス用の伸縮性の高い導体を 3D プリントします。 17、19–32 (2021)。

Sui, Y.、Dai, Y.、Liu, CC、Sankaran, RM & Zorman, CA インクジェット印刷金属用の新しいクラスの低温プラズマ活性化無機塩ベースの粒子フリーインク。上級メーター。テクノロジー。 4、1–10 (2019)。

記事 Google Scholar

Tan、HW、An、J.、Chua、CK、Tran、T. エレクトロニクスの 3D プリント用の金属ナノ粒子インク。上級電子。メーター。 5、(2019)。

Bacalzo、NP et al. フレキシブルプリンテッドエレクトロニクス用の水性金ナノ粒子インクのグリーンフォーミュレーションの安定剤として制御されたマイクロ波加水分解デンプン。 ACS アプリケーションナノメーター。 1、1247–1256 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Kang, B.、Han, S.、Kim, J.、Ko, S.、Yang, M. 酸化銅ナノ粒子のレーザー誘起直接局所還元および凝集による銅電極のワンステップ製造。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 C 115、23664–23670 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

クォン・ジェイら Cu ナノ粒子の低温酸支援レーザー加工による、柔軟で透明な Cu エレクトロニクス。上級メーター。テクノロジー。 2、(2017)。

Zhao、G.ら。高効率フレキシブル太陽電池用の安定した極薄部分酸化銅膜電極。ナット。共通。 6、1–8 (2015)。

記事 ADS Google Scholar

Chakraborty, D. et al. グレイザー-干し草カップリングによる非対称ジイン合成用の不均一系触媒としてフェノール-ピリジル COF 上に担持された Cu/Cu2O ナノ粒子。 ACS アプリケーションメーター。インターフェース 11、15670–15679 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Qi, S.、Liu, G.、Chen, J.、Lou, Y.、Zhao, Y. プラズモン Cu ナノ粒子の安定性を高めるための表面調整層。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 C 125、27624–27630 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

リー、Ｚら。コアシェル構造を備えた自己支持型の効率的な水素発生触媒: 相分離を介して設計。ナノスケール 14、325–332 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Pajor-Świerzy, A.、Szczepanowicz, K.、Kamyshny, A. & Magdassi, S. 導電性コーティングおよび印刷用の金属コアシェルナノ粒子。上級コロイド界面科学。 299、(2022)。

Kang, M.、Choi, SJ、Shin, D. & Lee, CS フレキシブル電子デバイスに使用されるポリマー基板上への銅ベースのインクジェット印刷パターンの 2 段階フラッシュ光焼結。物理学。ステータス Solidi アプリケーションメーター。科学。 218、1–9 (2021)。

Google スカラー

Hwang, HJ, Oh, KH & Kim, HS 深紫外および近赤外線照射と組み合わせたフラッシュ白色光による全光子乾燥および焼結プロセスにより、高導電性銅ナノインクを製造します。科学。議員6、1-10（2016）。

Google スカラー

Goh, GL、Zhang, H.、Goh, GD、Yeong, WY & Chong, TH エアロゾルジェット印刷薄膜の強力パルス光焼結プロセスの多目的最適化。メーター。科学。追記。メーカー 1、(2022)。

パーク、HJら。印刷可能なナノ粒子混合インクから作られた耐久性の高い Cu ベースの電極: フラッシュ光で焼結され、速度論的に制御された微細構造。ナノスケール 10、5047–5053 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Kumar Maurya、N. 他直接金属レーザー焼結 (DMLS) プロセスを通じて製造されたコンポーネントの疲労、引張強度、および硬度の調査の概要。メーター。今日はProc. 47、3979–3984 (2021)。

Mu, B.、Wang, X.、Zhang, X.、Xiao, X. フレキシブルエレクトロニクスにおける積層造形のためのレーザー直接焼結アプローチ。結果工学 13、100359 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

ヤン、G.ら。フレキシブル基板上の低温選択レーザー焼結プロセス中の Cu ナノ粒子の焼結と熱放散の挙動を理解します。Ｊ．Ｐｈｙｓ． D.Appl. 物理学。 54、(2021)。

アガルワラ、S.ら。在宅医療向けのウェアラブル包帯ベースのひずみセンサー: 3D エアロゾルジェットプリンティングとレーザー焼結を組み合わせたもの。 ACS センサー 4、218–226 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, Y.、Han, R.、Zhang, H.、Zhao, C. 選択的レーザー溶融プロセスにおける構造の形成に対するレーザー出力と走査速度の影響。メーター。解像度エクスプレス 9、(2022)。

Back, S. & Kang, B. レーザー誘起還元焼結と接着剤転写によるフレキシブル銅電極の低コスト光学製造。オプション。レーザー工学 101、78–84 (2018)。

記事 Google Scholar

Yan, K.、Li, J.、Pan, L.、Shi, Y. フレキシブルでウェアラブルなエレクトロニクス用のインクジェット印刷。 APLメーター。 8、(2020)。

Zhang、G.ら。機械的に堅牢でリサイクル可能なポリイミド基板と環状 Ti-オキソクラスターを組み合わせたフレキシブル有機太陽電池用基板。 npjフレックス。電子。 6、1–9 (2022)。

Huang, S. et al. フレキシブルポリイミド基板上に結晶イオンスライスで作製した LiNbO3 単結晶薄膜の抵抗スイッチング効果。上級電子。メーター。 7、1–10 (2021)。

ADS CAS Google Scholar

Cao, G.、Chen, X.、Deng, B.、Wang, S. & Zhang, Q. 電荷移動錯体の制御と膨潤効果に基づくポリイミド繊維の色の構築。応用サーフィン。科学。 597、153593 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

アン、C.ら。ミスマッチな電荷移動錯体増強を利用した、優れた機械的強度と折り曲げ信頼性を備えた、透明度の高い無色の光学フィルムです。上級機能。メーター。 32、26–28 (2022)。

Google スカラー

Ni、HJ、Liu、JG、Wang、ZH、Yang、SY 無色で光学的に透明なポリイミドフィルムに関するレビュー: 化学、プロセス、エンジニアリングへの応用。 J.Ind.Eng. 化学。 28、16–27 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Shin, H. et al. 導電性分子インク設計のためのビス(アミノ)ギ酸銅の熱化学に関する機構的洞察。 ACS アプリケーションメーター。インターフェイス 12、33039 ～ 33049 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

パケ、C.ら。ギ酸銅ベースの分子インクから得られる銅膜の膜形態と電気的特性を支配する際のアミン配位子の役割。ナノスケール 10、6911–6921 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

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この研究は、科学省による国立研究財団を通じた基礎科学研究プログラム（番号 2018R1A5A1025594 および番号 2019R1A2C1006771）によって支援されました。

釜山国立大学プラスチック情報エネルギー材料研究所化学教育大学院化学教育学科、Busanaehakro 63-2, Busan, 46241, Republic of Korea

サジャル・チャクラボルティ、ホヨル・パク、ソン・イル・アン

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SA が実験を設計しました。 SA、SC、H.-Y。パーク氏は実験を実施し、データを分析した。著者全員が草案を作成し、その結果について議論し、原稿にコメントを付けました。

ソン・イルアンさんへの手紙。

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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転載と許可

チャクラボルティ、S.、パーク、HY。 & Ahn、SI 費用対効果の高い 3D プリンタを使用して、フレキシブル基板上に銅のレーザーパターニングを行います。 Sci Rep 12、21149 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25778-y

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受信日: 2022 年 8 月 2 日

受理日: 2022 年 12 月 5 日

公開日: 2022 年 12 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25778-y

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