Erzielung eines hohen Dehnungsverhältnisses eines flexiblen Wellenkreises durch Laserschnitzen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 17745 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Dehnbare Wellenschaltungen sind ein wesentlicher Bestandteil flexibler Geräte, die in verschiedenen Bereichen breite Anwendung finden. Im industriellen Bereich ist die Dehnbarkeit der Schaltung ein entscheidender Faktor für flexible Geräte. Daher schlägt diese Studie eine Laser-Carving-Methode vor, um sowohl das Dehnungsverhältnis als auch die Geräteauflösung des flexiblen Geräts zu erhöhen. Die aus dem Experiment und der Finite-Elemente-Analyse erhaltenen Ergebnisse bestätigen, dass das Laserschneiden auf dem Wellenkreis das maximale Dehnungsverhältnis des Wellenkreises erhöht. Das erhaltene Analysemodell bestätigt, dass das Laserschnitzen einen geneigten Abschnitt auf dem Wellenkreis erzeugt und die Biegesteifigkeit des kurvigen Punktes des Wellenkreises verringert. Die Studie bestätigte auch, dass die lasergeschnitzte Rille eine Rissausbreitung senkrecht zur Schaltungsrichtung induziert, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Trennung bei der lasergeschnitzten wellenförmigen Schaltung geringer ist als bei der ungeschnitzten wellenförmigen Schaltung. Aufgrund der geringeren Biegesteifigkeit und Rissbildung dehnt sich der gewellte Schaltkreis stärker aus als der herkömmliche ungeschnitzte gewellte Schaltkreis.

Flexible Geräte finden breite Anwendung in den Forschungsbereichen tragbare Geräte1,2, Soft-Robotik3, Biosensoren4,5 und Energiegewinnung6. Im industriellen Bereich gibt es hingegen nur wenige praktische Anwendungen; zum Beispiel rollbares/faltbares Display7,8. Eines der vielversprechenden Materialien für dehnbare Geräte ist ein Metall-Nanodraht-Verbundwerkstoff, der an anderer Stelle umfassend untersucht wird9,10,11,12,13,14,15,16,17, dennoch bleiben Strukturprobleme bei der Verbesserung flexibler Geräte bestehen. Eine der repräsentativen Strukturen, die in flexiblen Geräten verwendet werden, ist die Inselstruktur, die von Rogers et al. vorgeschlagen wurde. Der starre Teil dieser Struktur befindet sich in der Mitte und ist mit einem flexiblen Schaltkreis 18,19,20,21,22 verbunden. Da der starre Teil dieser Struktur nicht zur Dehnung der Zelle beiträgt, ist die Dehnfähigkeit des Schaltkreises ein entscheidender Faktor für flexible Geräte. Verschiedene Schaltkreisstrukturen wie Kirigami23,24, Helix25 und Wrinkling26,27,28 wurden entwickelt, um das maximale Dehnungsverhältnis des Schaltkreises zu erhöhen; Allerdings erforderten die meisten von ihnen spezielle Herstellungstechniken, um bei der Massenproduktion Härte zu erreichen 29. Die ebene Wellenstruktur wurde von Rogers et al. entwickelt. 30,31,32 ist die am weitesten verbreitete Struktur, die bei der Massenproduktion flexibler Geräte zum Einsatz kommt. Es gab jedoch auch einen Kompromiss zwischen Dehnungsverhältnis und Geräteauflösung33.

Um sowohl das Dehnungsverhältnis als auch die Geräteauflösung zu erhöhen, wurde ein geneigtes Wellenschaltungsdesign vorgeschlagen33; Es wurde jedoch noch keine konkrete Methodik für deren Übernahme in die Massenproduktion vorgeschlagen. In dieser Studie wird zur Verbesserung der Dehnfähigkeit und der Geräteauflösung die Laser-Carving-Methode zur Herstellung geneigter Abschnitte auf wellenförmigen Kreisen vorgeschlagen. Um diese Studie zu verifizieren, wurden die experimentellen und Simulationsmethoden mit mathematischer Analyse eingeführt.

Die Probe eines gekippten, wellenförmigen Schaltkreises wurde sowohl mit 3D-Druck (Moment 160) als auch mit Laserschnitzverfahren hergestellt. Die Schaltungsbasis für das Laserschnitzen wurde durch Drucken einer wellenförmigen Basisprobe vorbereitet, wie in Abb. 1a dargestellt. Um die Ablation des Lasers auf der 3D-gedruckten Basis zu maximieren, wurde für den Druck schwarz gefärbtes Polymilchsäure-Filament (PLA) verwendet. Der Laser wurde auf die Schaltungsbasis gestrahlt, wobei die Wellenlänge auf 365 nm, die Leistung auf 1750 mW und die Punktzeit an jeder Stelle auf 10 ms eingestellt waren. Der Abschnitt für den Wellenkreis ist in Abb. 1a) dargestellt. Nach dem Laserschnitzen wurde Au durch Ionensputtern (G20, GSEM) auf der gedruckten Wellenschaltung abgeschieden und ihre Dicke wurde mit 2–5 μm gemessen. PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) wurde als Matrix ausgewählt, die den Wellenkreis umgibt, und ihr Mischungsverhältnis zwischen Hauptmaterial und Härter wurde auf 10 zu 1 eingestellt. Das zunächst gemischte PDMS-Härter wurde in eine Vakuumkammer gegeben 1 h bei − 0,08 MPa vom Standarddruck, um Blasen aus dem Mischen zu entfernen. Die lasergeschnittene wellenförmige Schaltungsprobe wurde durch Gießen einer PDMS-Mischung in eine 3D-gedruckte Form hergestellt, wie in Abb. 1a dargestellt. Die Dicke der PDMS-Matrix ist auf 4 mm eingestellt.

(a) Schema zur Herstellung einer lasergeschnittenen wellenförmigen Schaltungsprobe und (b) Widerstandsspannungstest.

Um die Trennung des Au-Stromkreises zu überwachen, wurde der Widerstand des wellenförmigen Stromkreises zusammen mit der Stromkreisspannung überwacht, wie in Abb. 1b dargestellt. An dem Punkt, an dem der Widerstand des Stromkreises als Trennpunkt ansteigt, wurde das maximale Dehnungsverhältnis des wellenförmigen Stromkreises gemessen.

COMSOL wurde verwendet, um die Finite-Elemente-Methode durchzuführen, um die maximale Ausdehnung des Wellenkreises abzuleiten, wie in Abb. 2 dargestellt. Der Sparse-Löser MUMPS in COMSOL wird zur Lösung des inversen Problems ausgewählt. Um die Effizienz der Simulation zu erhöhen und nicht positive Jacobi-Fehler zu vermeiden, wurde die Dicke der Schaltkreisschicht auf 0,4 mm festgelegt. Um den Laser-Carving-Effekt bei maximalem Dehnungsverhältnis zu messen, wurde die Carving-Tiefe (dc) als Parameter für die Laserbehandlung verwendet. Unter Berücksichtigung mehrerer Splines und Schichten im Modell wurde für die Simulation ein Tetraedernetz verwendet und die Schnittstelle zwischen verschiedenen Schichten als Verbindungsbedingung festgelegt. Unter Berücksichtigung der Linearisierung wurden Modul und Poisson-Verhältnis für die Schaltungsbasis (PLA), die Metallschicht (Au) und die Matrix (PDMS) als Werte in Tabelle 1 festgelegt. Um Spannung zu erzeugen, wird eine Seite der Schaltung (einschließlich der PDMS-Oberfläche) verwendet ) ist fest und die vorgeschriebene Verschiebung wurde auf der anderen Seite des Wellenkreises eingebettet.

Schema zur Modellierung der Finite-Elemente-Methode für lasergeschnittene Wellenschaltungen und der wichtigsten Simulationsparameter \({d}_{c}\), \(w\).

Abbildung 3a zeigt die maximale Ausdehnung des Wellenkreises mit verschiedenen Schnitztiefen und Breiten des Wellenkreises. Die Simulationsdaten deuten darauf hin, dass eine Erhöhung der Schnitztiefe in gewissem Maße einen Vorteil bei der Vergrößerung der maximalen Ausdehnung des Wellenkreises hat; Die Simulationsdaten deuten jedoch auch darauf hin, dass übermäßiges Laserschneiden den Effekt des zunehmenden Dehnungsverhältnisses des wellenförmigen Schaltkreises abschwächt.

(a) Simulationsergebnis für maximale Belastung des lasergeschnittenen Wellenkreises in verschiedenen Schnitztiefen und Abschnittsbreiten. (b) Experimentelles Ergebnis für Leitfähigkeitsänderungen entlang der Strecke des Wellenkreises.

Abbildung 3b zeigt das experimentelle Ergebnis der Leitfähigkeitsänderung im Wellenkreis während der Dehnung. Die Leitfähigkeit des Wellenkreislaufs sinkt tendenziell, wenn der Wellenkreislauf den maximalen Dehnungspunkt erreicht. Die Streck-Leitfähigkeitsdaten deuten darauf hin, dass die maximale Dehnung eines lasergeschnittenen Wellenkreises ein besseres Dehnungsverhältnis aufweist als ebene Wellenkreise. Spezifische Datenpunkte für Abbildung 3 sind in der Zusatzdatei beschrieben.

Tabelle 2 zeigt den elektrischen Widerstand des Wellenkreises und ihre Bogenlänge des Kreises im Abschnitt des Wellenkreises. Die Daten deuten darauf hin, dass die vergrößerte Oberfläche durch Laserschnitzen die Leitfähigkeit des wellenförmigen Schaltkreises erhöht.

Abbildung 4 vergleicht die zyklische Spannungsfreisetzungseigenschaft eines geschnitzten Wellenkreises mit einem ungeschnitzten. Die Amplitude für den Spannungszyklus ist auf 10 % eingestellt. Wenn Spannung auf den Stromkreis ausgeübt wird, steigt der Widerstand tendenziell an und kehrt beim Entfernen der Spannung zum ursprünglichen Widerstandszustand zurück.

Widerstandsänderung im Wellenkreis während zyklischer Dehnung (0,5 Hz, 10 % Amplitude) (a) ohne Laserschnitzen und (b) mit Laserschnitzen.

Die zyklischen Daten deuten darauf hin, dass der lasergeschnittene Wellenkreis im Vergleich zum ungeschnitzten Kreis eine geringere Widerstandsänderung aufweist, was bedeutet, dass der lasergeschnittene Wellenkreis im dynamischen Zustand im Vergleich zum ebenen Wellenkreis relativ stabil ist.

Sowohl Simulations- als auch Versuchsergebnisse deuten außerdem auf eine Erhöhung des maximalen Dehnungsverhältnisses des lasergeschnittenen Schaltkreises hin, während gleichzeitig eine stabile Leitfähigkeit während der Dehnung aufrechterhalten wird.

Sowohl Simulations- als auch experimentelle Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Laserschnitzverfahren die Ausdehnung des Wellenkreises erhöht. Die Spannungsanalyse der Simulation zeigt, dass das Laserschnitzen die Spannungskonzentration im kurvigen Punkt verringert. Die Abnahme der Spannungskonzentration kann auf die Abnahme der Biegesteifigkeit am gekrümmten Punkt des Wellenkreises zurückgeführt werden. Durch die Einführung einer Neigung im Schnitt durch Laserschnitzen und Aufbringen eines Schaltkreises wird die Biegung des kurvigen Punktes einfacher als diejenige in der ersten Ebene, was in den Gleichungen und Abb. 5a wie folgt ausgedrückt wird.

(a) Schema zur Biegesteifigkeitsanalyse in lasergeschnittenen wellenförmigen Schaltkreisen und (b) axiale Biegung, die durch die symmetrische Torsion des geneigten Schaltkreisabschnitts verursacht wird (Maßstab für REM: 500 μm und 50 μm).

Hier gilt Gl. (1) und (2) stellen jeweils die Neigung der lasergeschnittenen Oberfläche und die Biegesteifigkeit des Schaltungsabschnitts dar. \(d_{c}\) und \(w\) stellen die Schnitztiefe und -breite des Schaltungsabschnitts dar; \(t\), \(R\) und \(P\) stellen jeweils die Dicke, den Radius des gekrümmten Punkts und die Steigung des Wellenkreises dar, wie in Abb. 5a dargestellt. Unter der Annahme, dass der gekrümmte Punkt als Balken gebogen wird, kann der Biegewinkel des gekrümmten Punkts wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung (3) stellt den Biegeimpuls dar, der im Abschnitt des kurvigen Punktes wirkt, und Gleichung (3). (4) stellt den Biegewinkel (\(\theta_{Biegung}\)) dar, der durch die Dehnungskraft \(F\) an jedem Ende des Stromkreises verursacht wird. \(E\) und \(\theta\) stellen den Modul des Stromkreises bzw. den Winkel des gekrümmten Punktes dar. Unter der Annahme einer kleinen Biegung kann die Nettodehnung, die durch die Biegung des kurvigen Punktes verursacht wird, wie folgt formuliert werden:

Gleichung (5) stellt die Nettodehnung dar, die durch die Dehnungskraft (\(F\)) verursacht wird. Durch Einstellen der Dimension ähnlich den experimentellen Bedingungen (\(w = 2,5\;{\text{mm}}\), \(E = 4,3\;{\text{GPa}}\), \(P = R = 4 \;{\text{mm}}\), \(t = 2\;{\text{mm}}\)) und Einstellung von \(F = 10\;{\text{N}}\), maximale Dehnung des Wellenkreises zusammen mit der Laserschnitztiefe kann analytisch dargestellt werden, wie in Abb. 6 dargestellt.

Analyseergebnis der maximalen Dehnung eines lasergeschnittenen Wellenkreises bei einer Spannung von 10 N.

Die Dehnungsanalyse für einen ebenen Wellenkreis und die Dichte des Wellenkreises (Kehrwert der Auflösung) können als Gleichungen ausgedrückt werden. (6) und (7)33:

Da die Streckungsgleichung in lasergeschnitzten Schaltkreisen den Laserschnitzparameter (\(d_{c}\)) im Nenner hat, kann der lasergeschnitzte Schaltkreis die maximale Dehnung erhöhen, ohne die Parametersteigung (P) und den Radius des kurvigen Punkts (R) zu erhöhen. Da eine Erhöhung von P und R die Schaltkreisdichte verringert, in anderen Welten jedoch die Geräteauflösung abnimmt, ist die Erhöhung der Laserparameter die bessere Option für einen wellenförmigen Schaltkreis, um das Dehnungsverhältnis zu erhöhen, ohne die Geräteauflösung zu beeinträchtigen.

Zunehmendes Laserschneiden führt zu Spannungskonzentration und Rissausbreitung, da die durch das Laserschneiden erzeugten Rillen anfällig für Spannungskonzentrationen werden, die durch Querschnittsverzerrungen verursacht werden. Der in Abb. 3a dargestellte Fall einer Abschnittsbreite von 2 mm impliziert, dass eine übermäßige Schnitztiefe zu einem Strukturversagen während der Dehnung führt. Die FEM-Analyse ergab außerdem, dass der geneigte Abschnitt am kurvigen Punkt des Wellenkreises dazu neigt, sich zu verformen, wenn eine Dehnung induziert wird. Im Fall einer geschnitzten Oberfläche gibt es zwei symmetrisch geneigte Abschnitte, und die Verzerrung tritt tendenziell symmetrisch auf, wie in Abb. 5b dargestellt. Aufgrund der symmetrischen Verzerrung unterliegt der kurvige Punkt im lasergeschnittenen Wellenkreis auch einer Querschnittsbiegung, die eine Spannungskonzentration in der Rille der geschnitzten Oberfläche induziert, wie in Abb. 5b dargestellt.

Dennoch unterscheidet sich die tatsächliche Trennung des Wellenkreises während der Dehnung, wie in Abb. 3b dargestellt, erheblich vom Simulationsergebnis in Abb. 3a. Wir versichern, dass der Grund für die Diskrepanz zwischen Simulation und Experiment in der Richtung der Rissausbreitung im Wellenkreis liegt. Das REM-Bild der Rissausbreitung in einem wellenförmigen Schaltkreis (Abb. 7a, b) zeigt, dass die Richtung der Rissausbreitung in einem lasergeschnittenen Schaltkreis parallel zur Schaltkreisrichtung verläuft, wodurch der elektrisch leitende Kanal des wellenförmigen Schaltkreises auch dann erhalten bleibt, wenn der Riss bis zu einem gewissen Grad fortgeschritten ist , wie in Abb. 7c dargestellt. Wir versichern auch, dass der Grund für den langsamen Abfall der Leitfähigkeit im lasergeschnittenen Wellenkreis in der parallelen Rissausbreitung liegt, die der direkten Trennung des Wellenkreises verzögerte, wie in Abb. 3b dargestellt. Die Rissausbreitung im Rillenpunkt des lasergeschnittenen wellenförmigen Schaltkreises impliziert, dass die Kontrolle des Rillenpunkts bei der Herstellung des Schaltkreises von entscheidender Bedeutung ist. Wenn die Krümmung des Rillenpunkts der Lasergravur stark ist, führt dies letztendlich zu einer Rissausbreitung. Möglicherweise sind mehrere Lasergravuren oder eine zusätzliche Wärmebehandlung erforderlich, um den Rillenpunkt zu kontrollieren.

REM-Bild der Rissausbreitung in (a) einem lasergeschnittenen Wellenkreis und (b) einem ungeschnitzten Wellenkreis. (c) Schema für die Rissausbreitung in einem lasergeschnittenen Wellenkreis.

Die Erhöhung des Dehnungsverhältnisses der Wellenschaltung ist entscheidend für die Steigerung der Leistung flexibler Geräte. Herkömmliche ebene Wellenschaltungen weisen jedoch verschiedene Einschränkungen auf, wenn es darum geht, das Dehnungsverhältnis zu erhöhen, da bei einer wellenförmigen Schaltung eine Erhöhung des Dehnungsverhältnisses eine Vergrößerung des Abstands erfordert, was letztendlich die Schaltungsdichte des flexiblen Geräts verringert22,24. Andererseits hat ein lasergeschnittener Schaltkreis den Effekt, dass er die Ausdehnung des wellenförmigen Schaltkreises erhöht, ohne Kompromisse bei der Geräteauflösung einzugehen, und er kann Risse parallel zur Schaltkreisrichtung hervorrufen, die eine Unterbrechung des Schaltkreises in gewissem Maße verhindern. Darüber hinaus kann das Laser-Carving-Verfahren problemlos in die herkömmliche Lithographie- oder 3D-Drucktechnik integriert werden, um flexible Geräte herzustellen, die in der Massenproduktion von Halbleiter-OLED-Displays und Nanomaterialien weit verbreitet sind37,38,39,40,41,42. In Anbetracht der oben genannten Vorteile; Das Laser-Carving-Verfahren wird wesentlich dazu beitragen, die Effizienz bei der Herstellung flexibler Geräte zu steigern.

Die im Manuskript beschriebenen Materialien, einschließlich aller relevanten Rohdaten, stehen jedem Forscher, der sie für nichtkommerzielle Zwecke nutzen möchte, frei zur Verfügung.

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JH Yun und M Cho sind die Autoren mit gleichen Beiträgen. Diese Arbeit wurde durch ein von der koreanischen Regierung (MSIT) finanziertes Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) (Nr. 2021R1F1A1051120) unterstützt. Diese Forschung wurde durch die „Regional Innovation Strategy (RIS)“ der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt und vom Bildungsministerium (MOE) finanziert (Nr. 2021RIS-004).

Abteilung für Maschinenbau und Automobiltechnik, Kongju National University, 1223-24, Cheonan Daero, Seobuk-gu, Cheonan-si, Chungnam, 31080, Korea

Jung-Hoon Yun

Abteilung für zukünftige Konvergenztechnik, Kongju National University, Cheonan, Korea

Jung-Hoon Yun & Adebisi Victoria

Fakultät für Maschinenbau, Seoul National University, Seoul, Korea

Maeghyo Cho

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J.-HY und MC haben das Hauptmanuskript geschrieben und die Abbildung vorbereitet. OVA organisierte Referenzen.

Korrespondenz mit Jung-Hoon Yun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Yun, JH., Victoria, AO & Cho, M. Erzielen eines hohen Dehnungsverhältnisses eines flexiblen Wellenkreises durch Laserschnitzen. Sci Rep 12, 17745 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2

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Eingegangen: 16. Juni 2022

Angenommen: 17. Oktober 2022

Veröffentlicht: 22. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2

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