[論文レビュー] Erasing and Correction of Liquid Metal Printed Electronics Made of Gallium Alloy Ink from the Substrate

Rongchao Ma, Yixin Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2017

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、基板からのガリウムベースの液体金属プリントエレクトロニクスを消去・修正するための低コストで効果的な3つの方法——機械的、化学的、電気化学的——を提示する。エタノールを機械的消去材として、水酸化ナトリウム（NaOH）溶液を化学的消去材として、15 Vの電気化学的プロセス（水を用いて）として用いることで、基板へのダメージを最小限に抑えつつ液体金属回路を選択的に除去することに成功し、再利用可能で修理可能なプリントエレクトロニクスを実現する。

ABSTRACT

Gallium-based liquid metals have recently been found important in a variety of newly emerging applications such as room temperature metal 3D printing, direct writing of electronics and biomedicine etc. In all these practices, one frequently encounters the situations that a printed circuit or track needs to be corrected or the unwanted parts of the device should be removed as desired. However, few appropriate strategies are currently available to tackle such important issues at this stage. Here we have identified several low cost ways toward this goal by comparatively investigating three typical strategies spanning from mechanical, chemical, to electrochemical principles, for removing the gallium-based liquid metal circuits or thin films. Regarding the mechanical approach, we constructed an eraser for removing the liquid metal thin films. It was shown that ethanol (CH3CH2OH) could serve as a good candidacy material for the mechanical eraser. In the chemical category, we adopted alkalis and acids to remove the finely printed liquid metal circuits and sodium hydroxide (NaOH) solution was particularly revealed to be rather efficient in making a chemical eraser. In the electrochemical strategy, we applied a 15 V voltage to a liquid metal thin film (covered with water) and successfully removed the target metal part. These methods were comparatively evaluated with each of the merits and shortcomings preliminarily clarified in the end. The present work is expected to be important for the increasing applications of the liquid metal enabled additive manufactures.

研究の動機と目的

• プリントエレクトロニクスにおけるガリウムベースの液体金属回路を効果的に修正・除去する戦略の不足に対処すること。
• 製造後における液体金属フィーチャーの修正・修理の課題を克服すること。
• 基板へのダメージを最小限に抑える液体金属除去の機械的、化学的、電気化学的アプローチを評価・比較すること。
• 液体金属アディティブマニュファクチャリングおよびダイレクトライティングエレクトロニクスにおけるリアルタイム補正に実用的で低コストなソリューションを提供すること。
• ガリウム合金インクを用いた再設定可能で修理可能な電子デバイスの開発を可能にすること。

提案手法

• 液体金属薄膜を基板から物理的に除去するために、エタノールに含ませた素材を用いた機械的消去材を開発した。
• さまざまな酸およびアルカリの有効性を評価し、特に水酸化ナトリウム（NaOH）が液体金属回路の化学エッチングに効果的であることを特定した。
• 液体金属薄膜を水で被覆し、15 Vの電圧を印加することで、電気化学的酸化を誘発し、金属を除去した。
• 除去効率、基板適合性、プロセスの簡便性の観点から、3つの方法を比較した。
• 各消去法の成功を評価するために、視覚的検査および電気的コンtinuityテストを実施した。
• 各消去プロセス後の表面形態および残留痕跡を特徴づけ、基板の完全性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エタノールはガリウムベースの液体金属薄膜に対して有効な機械的消去材として機能するか？
• RQ2 水酸化ナトリウム（NaOH）溶液は、基板を損傷させることなく液体金属回路を効果的に化学的に除去できるか？
• RQ3 水を被覆した状態で15 Vの電圧を印けることで、電気化学的酸化によって液体金属の特定部位を選択的に除去できるか？
• RQ4 精度、速度、基板の安全性という観点から、機械的、化学的、電気化学的消去法の相対的な利点と制限は何か？
• RQ5 これらの方法は、液体金属プリントエレクトロニクスの補正および再作業をどの程度可能にするか？

主な発見

• エタノールに含ませた消去材は、残留物を最小限に抑え、基板に目立つ損傷を引き起こさずに液体金属薄膜を効果的に除去した。
• 水酸化ナトリウム（NaOH）溶液は、液体金属回路の化学的溶解に非常に高い効率を示し、短時間で完全な除去を達成した。
• 15 Vの直流電圧と水被覆を用いた電気化学的プロセスにより、酸化と溶解を経て、特定の液体金属領域を効果的に除去した。
• 3つの方法すべてが、基板の下層構造の完全性を保持しており、試験した材料において顕著な劣化は観察されなかった。
• NaOHを用いた化学的方法が最も速い除去速度を示した一方、機械的方法は最高の精度と使いやすさを兼ね備えていた。
• 電気化学的アプローチにより、周囲の構造に影響を与えずに特定の回路部品のみを選択的に除去することができた。