[논문 리뷰] Erasing and Correction of Liquid Metal Printed Electronics Made of Gallium Alloy Ink from the Substrate

Rongchao Ma, Yixin Zhou외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 05.

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials참고 문헌 22인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기판에서 갈륨 기반 액체 금속으로 인쇄된 전자회로를 지우고 수정하기 위한 세 가지 저비용이고 효과적인 방법—기계적, 화학적, 전기화학적 방법—을 제시한다. 에탄올을 기계적 지우개로, 수산화나트륨(NaOH) 용액을 화학적 지우개로, 물을 사용한 15 V 전기화학적 처리를 통해 액체 금속 회로를 선택적으로 제거함으로써 기판 손상 최소화를 달성하였으며, 재작업 및 수리가 가능한 인쇄 전자기기에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인쇄 전자기기에서 갈륨 기반 액체 금속 회로를 수정하거나 제거하기 위한 효과적인 전략이 부족한 문제를 해결한다.
• 제작 후 액체 금속 특징을 수정하거나 수리하는 데 도전하는 문제를 극복한다.
• 기판 손상 최소화를 고려한 기계적, 화학적, 전기화학적 접근 방식을 비교 평가한다.
• 액체 금속 적층 제조 및 직접적 인쇄 전자기기에서 실시간 수정을 위한 실용적이고 저비용의 해결책을 제공한다.
• 갈륨 합금 잉크를 사용한 재구성 가능하고 수리 가능한 전자 기기의 개발을 가능하게 한다.

제안 방법

• 기판에서 액체 금속 박막을 물리적으로 제거하기 위해 에탄올에 스며든 재료를 사용한 기계적 지우개를 개발하였다.
• 다양한 산과 알칼리의 효과를 평가하였으며, 특히 수산화나트륨(NaOH)이 액체 금속 회로의 화학적 에칭에 효과적임을 확인하였다.
• 액체 금속 필름 위에 물을 뿌린 상태에서 15 V 전압을 인가하여 전기화학적 산화를 유도하고 금속을 제거하였다.
• 제거 효율성, 기판 적합성, 처리 간편성 측면에서 세 방법을 비교하였다.
• 각 지우개 방법의 성공 여부를 시각적 검사와 전기적 연속성 테스트를 통해 평가하였다.
• 각 지우개 공정 후 표면 형태 및 잔류 흔적을 특성화하여 기판의 무결성 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에탄올은 갈륨 기반 액체 금속 박막에 효과적으로 기계적 지우개로 사용될 수 있는가?
• RQ2 수산화나트륨(NaOH) 용액은 기판 손상 없이 액체 금속 회로를 화학적으로 제거하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 물 커버가 있는 상태에서 15 V 전압을 이용한 전기화학적 산화가 기판에서 특정 액체 금속 특징을 선택적으로 제거할 수 있는가?
• RQ4 정밀도, 속도, 기판 안전성 측면에서 기계적, 화학적, 전기화학적 지우개 방법의 상대적 장점과 한계는 무엇인가?
• RQ5 이들 방법이 액체 금속 인쇄 전자기기의 수정 및 재작업을 어느 정도 가능하게 하는가?

주요 결과

• 에탄올에 스며든 지우개로 액체 금속 박막이 효과적으로 제거되었으며, 잔류물이 최소화되고 기판에 눈에 띄는 손상이 없었다.
• 수산화나트륨(NaOH) 용액은 액체 금속 회로를 화학적으로 용해시키는 데 높은 효율을 보였으며, 짧은 시간 내에 완전한 제거를 달성하였다.
• 15 V 직류 전압과 물 커버를 사용한 전기화학적 방법은 산화와 용해를 통해 목표로 한 액체 금속 영역을 성공적으로 제거하였다.
• 모든 세 방법이 기판의 기본 무결성을 유지하였으며, 시험한 재료에서 심각한 열화 현상은 관찰되지 않았다.
• NaOH를 사용한 화학적 방법이 가장 빠른 제거 속도를 보였고, 기계적 방법은 가장 높은 정밀도와 사용 편의성을 제공하였다.
• 전기화학적 접근은 인접한 구조물에 영향을 주지 않고 특정 회로 특징만 선택적으로 제거할 수 있었다.