[논문 리뷰] Fully Automatic Liquid Metal Printer towards Personal Electronics Manufacture

Zheng Yi, Zhi‐Zhu He외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 11. 22.

Nanomaterials and Printing Technologies참고 문헌 36인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 복합 액체 금속 잉크 공급 및 인쇄 메커니즘을 사용하여 저비용, 고정밀 개인 전자기기 제조를 가능하게 하는 완전 자동 액체 금속 프린터를 제시한다. 노트북 컴퓨터로 제어되는 알고리즘을 타이핑 모드 분배 시스템과 통합함으로써, 이 프린터는 유연한 기판에 액체 금속을 신뢰성 있게 침착할 수 있게 되었으며, 산업용 시스템 비용의 일부에 불과한 비용으로 복잡한 도전성 패턴—IC, 안테나, 맞춤형 디자인 등을 포함하여 빠르게 제작할 수 있음을 보여주었다.

ABSTRACT

Printed electronics is quickly emerging with tremendous value in a wide variety of latest electrical engineering areas. However, restricted to the rather limited conductive inks and printing strategies, the currently existing electronics manufacturing tools are generally complicated, expensive, time, material, water and energy consuming, and thus mainly restricted to the industrial use. Here from an alternative way, the present article demonstrated for the first time an entirely automatic printing system for personal electronics manufacturing through introducing a composite liquid metal ink delivery and printing mechanism to overcome the large surface tension facing the solution, and integrating it with the notebook computer controlling algorithm. With the developed printer, any desired electronically conductive patterns spanning from single wires to various complex structures like integrated circuit (IC), antenna, PCB, RFID, electronic greeting cards, decoration arts, classical buildings (White House, Great Wall etc.) or more do-it-yourself (DIY) circuits were demonstrated to be printed out in a moment with high precision. And the total cost for the whole system has reached personal affordability, which is hard to offer by so far the state of the art technologies. Some fundamental fluid dynamics mechanisms related to the proposed tapping mode enabled reliable printing and adhesion of the liquid metal electronics on the flexible substrate was systematically disclosed through theoretical interpretation and experimental measurements. This clearly beyond-the-lab technology and pervasively available liquid metal printer opens the way for large scale home level electronics making in the coming time.

연구 동기 및 목표

• 개인 전자기기 제조를 위한 저비용, 완전 자동 인쇄 시스템을 개발하기 위해.
• 혁신적인 잉크 공급 메커니즘을 통해 액체 금속 잉크의 높은 표면장력 문제를 극복하기 위해.
• 다양한 전자응용 분야를 위한 탄성 기판에 액체 금속을 고정밀도로 침착할 수 있도록 하기 위해.
• 전자기기 제조의 비용과 복잡성을 낮춰 가정 및 개인용으로도 접근 가능하게 하기 위해.
• DIY 전자기기 및 빠른 프로토타이핑을 위한 확장 가능하고 사용자 친화적인 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 표면장력을 극복하기 위해 압력과 기계적 타이핑을 조합한 복합 액체 금속 잉크 공급 시스템을 사용하였다.
• 완전 자동화된 인쇄 과정을 위해 노트북 컴퓨터에 맞춤형 제어 알고리즘을 통합하였다.
• 정밀한 방울 기반의 액체 금속 침착을 가능하게 하기 위해 타이핑 모드 분배 메커니즘을 활용하였다.
• 유연한 기판과의 호환성을 고려하여 복잡한 전자 패턴과 탄성 표면에 적합하도록 시스템을 설계하였다.
• 인쇄 중 잉크 유동성과 부착력을 최적화하기 위해 이론적 유체역학 모델을 적용하였다.
• 잉크 거동과 인쇄 정밀도의 실험적 측정을 통해 시스템을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면장력이 높은 액체 금속 잉크를 전자 인쇄에 안정적으로 분배할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 탄성 기판에 액체 금속을 고정밀도로 침착하기 위해 어떤 기계적 및 제어 전략이 필요한가?
• RQ3 완전 자동, 저비용 인쇄 시스템이 개인 전자기기 제조에서 산업 수준의 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 타이핑 모드에서 신뢰할 수 있는 액체 금속 인쇄를 이끄는 기본적인 유체역학 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템은 단순한 선에서 복잡한 회로에 이르기까지 다양한 전자 설계를 어느 정도 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 타이핑 모드 잉크 공급 메커니즘이 액체 금속의 높은 표면장력을 성공적으로 극복하여 안정적이고 반복 가능한 분배를 가능하게 하였다.
• 시스템은 복잡한 구조물인 통합 회로와 안테나를 포함한 도전성 패턴의 고정밀 인쇄를 달성하였다.
• 완전 자동 프린터의 총 비용은 개인 사용에 적합한 수준으로 낮아졌으며, 기존 산업용 시스템보다 크게 낮아 보였다.
• 실험적 측정 결과 이론적 유체역학 모델이 검증되었으며, 인쇄 과정의 신뢰성은 입증되었다.
• 프린터는 빠른 제작이 가능하여 RFID 태그, 전자 메모, 건축 모델 등 다양한 전자 설계를 수분 내로 제작하였다.
• 액체 금속 패턴은 탄성 기판에 강한 부착력과 전기적 도전성을 보였으며, 기능성 전자기기용으로 적합하였다.