Motif laser cuivre sur un substrat flexible à l'aide d'un coût

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21149 (2022) Citer cet article

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Nous avons étudié la structuration laser directe rentable du cuivre (Cu) sur des substrats minces en polyimide (épaisseur PI : 12,5–50 µm) à l'aide d'un module laser de 405 nm attaché à une imprimante 3D peu coûteuse. La distance focale du laser a été intentionnellement contrôlée pour réduire les défauts sur le Cu à motifs et les dommages de surface du PI dans des conditions de processus prédéterminées. La distance focale appropriée a été examinée à différentes distances focales. Des distances focales de - 2,4 mm et 3 mm ont été trouvées pour la distance focale plus courte (SFL) et la distance focale plus longue (LFL), respectivement, par rapport à la distance focale réelle. Cela a abouti à des motifs de ligne Cu propres sans défauts de ligne. Fait intéressant, le cas SFL avait un schéma de croissance du Cu différent de celui du LFL, indiquant que la petite différence dans l'angle d'incidence du laser pouvait affecter le frittage du précurseur de Cu. Les motifs carrés de Cu avaient une résistivité inférieure de 70 μΩ·cm pour un LFL après trois ou quatre balayages laser, tandis que le SFL présentait une résistivité inférieure à 48 μΩ·cm pour un balayage laser unique. Les résidus du précurseur Cu sur PI ont été facilement éliminés avec de l'eau courante et des tensioactifs normaux. Cependant, la résistivité des motifs a diminué après le nettoyage. Parmi les espaces de balayage, le motif carré de Cu formé à un espace de balayage de 70 μm présentait la résistance de feuille la plus faible et le moindre changement de résistance d'environ 4 à 4,4 Ω/ϒ après le nettoyage. Ce résultat implique que l'adhérence du Cu à motifs pourrait être améliorée si le précurseur de Cu revêtu était bien fritté dans les conditions de traitement appropriées. Pour l'application de cette méthode à la bioélectronique, y compris les biocapteurs, les LED ont été connectées aux motifs Cu sur PI attachés à la peau du bras et ont bien fonctionné, même lorsque le substrat PI était plié lors de la connexion de l'alimentation.

Les petits appareils portables sur des substrats sensibles et flexibles nécessitent des processus de structuration directe au lieu de processus lithographiques qui nécessitent un dépôt sous vide, des photorésists et une gravure chimique toxique1,2,3,4,5,6,7. Ainsi, les procédés de structuration directe ont fait l'objet de nombreuses recherches à l'aide d'encres à nanoparticules métalliques, telles que l'argent (Ag) et l'or (Au)8,9,10. Au lieu de métaux nobles coûteux, les composites à base de cuivre (Cu) attirent l'attention en raison de leurs excellentes propriétés thermiques et électriques et de leur rentabilité11,12,13. Cependant, du fait de leur faible énergie potentielle d'oxydation (0,34 V) par rapport aux métaux nobles (Au, 1,52 V ; Ag, 0,799 V), ils présentent l'inconvénient de s'oxyder facilement sous air11. Par conséquent, le frittage thermique ne peut pas être utilisé pour réduire le précurseur de Cu dans un environnement ambiant. Récemment, de nombreuses tentatives ont été rapportées comme méthode alternative de frittage thermique. Une technique efficace consiste à protéger et à stabiliser le Cu-NP en appliquant un revêtement protecteur14,15 ou en utilisant un métal noble mince dans une structure noyau-coque16,17. Le précurseur de Cu peut également être fritté à l'aide de lampes flash haute puissance, qui peuvent facilement être intégrées dans des lignes de production massives18,19,20,21. Étant donné que cette méthode peut chauffer le précurseur de Cu à une température élevée pour un frittage complet en quelques millisecondes, ce qui peut minimiser l'oxydation du Cu sous l'air et impacter les substrats à base de polymères, ce frittage photonique est une option intéressante pour l'électronique imprimée de grande surface. Néanmoins, les lampes flash émettent une lumière forte et à large spectre, ce qui peut provoquer une déformation partielle des substrats à base de polymères. Cependant, réduire l'intensité du flash pour atténuer ce risque réduira la qualité du frittage. De plus, cette méthode n'est pas une méthode de structuration directe, et un processus de structuration supplémentaire est nécessaire avant et après le frittage de Cu.

Une autre technique prometteuse est le frittage laser direct22,23,24,25,26,27. Pendant la focalisation, l'énergie du faisceau focalisé est absorbée par le précurseur et induit un processus de chauffage transitoire localisé qui se traduit par un frittage rapide. Par conséquent, des motifs métalliques dont la résolution peut être limitée par le système optique et les précurseurs métalliques peuvent être obtenus. Un balayage rapide peut fournir des motifs métalliques haute résolution de quelques micromètres de large. De plus, dans des conditions ambiantes, l'oxydation du Cu est empêchée si le temps de frittage est suffisamment court. L'encre non frittée est facilement éliminée par lavage, ce qui complète le processus de modelage. Cependant, ce processus peut endommager les substrats à base de polymères en raison de l'utilisation d'un laser focalisé à haute densité d'énergie.

Nous avons essayé de modeler Cu sur des substrats polymères avec des dommages de surface minimisés en utilisant un précurseur de Cu métal-organique et un module laser original (diode 405 nm, 500 mW) fourni par le fabricant de l'imprimante (Fig. 1). Alors que les produits deviennent plus légers et de plus petite taille, de nombreuses études dans le domaine de l'électronique sont en cours pour utiliser le polyimide (PI) comme substrat polymère léger et flexible pour remplacer le substrat en verre actuel28,29,30,31,32,33. En effet, le polyimide présente de nombreux avantages, tels que la résistance mécanique, la résistance chimique, la résistance à la chaleur et la stabilité thermique basée sur une chaîne principale aromatique rigide29. Les PI aromatiques ont une couleur jaunâtre ou brunâtre due au cycle imide et donc au complexe de transfert de charge entre le di-anhydride accepteur d'électrons et la diamine donneuse d'électrons présente dans le squelette imide31,32,33. Étant donné que le laser 405 nm utilisé dans cette étude peut endommager plus facilement la surface des substrats PI colorés par rapport aux substrats polymères transparents, nous avons sélectionné ce film PI coloré pour tester si les dommages de surface peuvent être minimisés dans le processus de structuration directe au laser de Cu. Lorsque le laser a été appliqué pour former des motifs de Cu sur des substrats flexibles, il a causé de graves dommages au substrat, même à une puissance laser inférieure à 10 mW, entraînant une brûlure ou un clivage local du film. Par conséquent, nous avons étudié et développé une méthode pour obtenir des motifs Cu en utilisant les conditions de processus appropriées pour minimiser les dommages au substrat. Le remplacement du laser à 405 nm par un autre avec une longueur d'onde différente qui cause moins de dommages n'a pas été envisagé. En effet, parmi les diodes laser d'une puissance de sortie d'environ 1 W, la diode laser de longueur d'onde de 405 nm est la plus facile à obtenir et la moins chère à utiliser, répondant à notre objectif de recherche - le développement d'une modélisation directe rentable et facile à utiliser. appareil et méthode. Nous avons également essayé de développer des conditions de processus pour optimiser la conductivité du Cu à motifs tout en minimisant les dommages de surface au film mince PI.

L'imprimante 3D intégrée au laser avec une caméra USB connectée.

Des recherches antérieures indiquent que les composés de Cu sont facilement réduits à basse température lorsqu'ils sont traités thermiquement sous une atmosphère d'azote. La chimie de décomposition et la formation de Cu métallique de composés de formiate de Cu à coordination amine sont simplifiées par l'Eq. (1):34,35

Étant donné que le frittage accompagne simultanément l'oxydation du Cu, un court traitement thermique ou un environnement d'azote est nécessaire pour empêcher l'oxydation du Cu tel que formé. Pour la structuration directe au laser, le degré de frittage du précurseur de Cu est lié à plusieurs facteurs de la machine, tels que la distance focale du laser, la vitesse de balayage et la puissance du laser. De plus, ces facteurs s'influencent mutuellement. La puissance du laser est le facteur le plus important dans le contrôle des dommages au film PI. En fait, 1,6% de la puissance laser (environ 8 mW) à la distance focale réelle (AFL) peut endommager le PI (voir les méthodes de focalisation laser). Dans cette étude, en augmentant ou en diminuant intentionnellement la distance focale du laser par rapport à l'AFL, nous avons essayé de minimiser les défauts dans le Cu à motifs et les dommages au film PI. Par conséquent, il était nécessaire de trouver d'abord l'AFL précis du laser. Trois méthodes différentes ont été introduites pour y parvenir. Dans la première méthode, un laser à 2% de puissance d'entrée PWM a été focalisé sur un substrat en verre recouvert de PI jaune et de ruban de polyéthylène blanc pour trouver le plus petit point laser tout en contrôlant l'axe z (Fig. 2a) à l'aide d'une caméra USB attachée sous le substrat. Dans la deuxième méthode, nous avons déterminé la distance focale à l'aide d'un point de combustion sur un film PI nu à une puissance d'entrée de 2 % tout en diminuant progressivement l'axe z (Fig. 2b). À partir des deux méthodes ci-dessus, une distance focale approximative a été trouvée. Cependant, pour une mise au point précise, la troisième méthode impliquait de programmer un fichier de code G basé sur la distance focale des deux méthodes ci-dessus. Par la suite, nous avons effectué la structuration des lignes de Cu à différentes hauteurs autour de la distance focale approximative et déterminé l'AFL du laser. La figure 2c est une image au microscope de lignes Cu formées à différentes distances focales et une entrée constante de 1,6 %. Parmi les lignes de Cu, la largeur de ligne la plus étroite de Cu se trouve près de l'AFL du laser, et nous avons observé divers défauts dans les motifs de Cu et sur le film PI. Comme dans les rapports précédents21,22,23, les défauts les plus courants sont les défauts de ligne, qui sont des zones vides ou perforées au milieu des lignes Cu à motifs. Nous avons constaté que les modèles défectueux apparaissent différemment avec les directions vers le haut et vers le bas de l'AFL. La région à focale plus longue (LFL) présente des défauts de ligne plus graves que la région à focale plus courte (SFL). De plus, les lignes de Cu augmentent progressivement en largeur dans les deux sens à mesure que la distance à l'AFL augmente. Certains des défauts s'accompagnent de dommages superficiels au film PI. La forte énergie d'un faisceau laser bien focalisé est une cause probable, même à la faible puissance laser de 1,6 % (environ 8 mW). Cependant, une distance focale appropriée différente de l'AFL existe et donne des motifs Cu propres à une puissance laser constante (Fig. 2c).

Focaliser le faisceau laser : (a) trouver la distance focale du laser à l'aide d'une caméra USB, (b) déterminer la distance focale à l'aide d'un point brûlant sur un film PI nu à un signal d'entrée de modulation de largeur d'impulsion (PWM) de 1,6 %, et (c) déterminer la distance focale à travers des motifs Cu formés à différentes distances focales à l'aide d'un programme de code G (vitesse de balayage de 1 mm/s et 2 % PWM).

La stabilité de la puissance laser est un facteur important dans l'amélioration de la qualité des motifs. Nous avons testé la sortie laser en fonction des signaux d'entrée contrôlés par une méthode PWM. La puissance de sortie d'un module laser a augmenté de manière linéaire jusqu'à environ 70 % du signal PWM, puis a légèrement diminué contrairement aux attentes de l'entrée, probablement en raison de la capacité de refroidissement du module laser (Fig. 3a). La figure 3b montre que la déviation de la sortie laser augmente avec l'augmentation du signal de puissance d'entrée (mesuré pendant 30 s après avoir allumé le laser). Étant donné que la puissance d'entrée utilisée dans cette étude est de 38 % (environ 260 mW) de la puissance maximale, déterminée par une expérience ultérieure, l'écart de puissance du laser devrait être bien inférieur à 0,6 % puisque le temps "d'activation" de le laser est inférieur à quelques secondes sur la base d'une vitesse de balayage de 4 mm/s dans cette expérience.

Caractéristiques de la puissance de sortie laser par rapport aux signaux d'entrée : (a) Sortie laser par rapport aux rapports d'entrée PWM et (b) fluctuations de sortie laser à divers rapports PWM à l'état "on" pendant 30 s.

La forme et les défauts des motifs Cu ont été étudiés tout en augmentant la puissance laser à une vitesse de balayage constante et une distance focale fixe (LFL ou SFL). Pour le cas LFL (3 mm plus long que l'AFL) sur la figure 4a, la largeur de raie et la taille des grains de Cu augmentent avec l'augmentation de la puissance laser, et les défauts de ligne réapparaissent dans le motif Cu à une puissance d'entrée supérieure à 50 %. Pour le cas SFL (2,4 mm plus court que l'AFL) sur la figure 4b, des résultats similaires au cas LFL sont observés, sauf que des marques laser apparaissent sur le motif Cu. Fait intéressant, le taux d'augmentation de la largeur de raie du SFL par rapport à la puissance laser sur la figure 4c apparaît plus petit que celui du LFL car l'angle et le diamètre du faisceau laser incident sont différents. Sur la base de ces résultats, y compris d'autres tests préliminaires, une entrée de puissance PWM de 38 % a été sélectionnée pour la structuration laser directe Cu.

Images au microscope de Cu à motifs en fonction des rapports de signal PWM d'entrée de 12,5 à 100 % : (a) lignes de Cu formées à LFL et à une vitesse de balayage de 4 mm/s, (b) à SFL et à une vitesse de balayage de 4 mm/s. Images au microscope et largeur de raie des motifs Cu formés à divers SFL et LFL pour trouver la distance focale appropriée pour minimiser les défauts : (c) distance focale (LFL) de 2,4 à 4 mm, (d) distance focale (SFL) de − 1,8 à − 3,4 mm basé sur le RFL. Notez que les motifs Cu ont été obtenus à une entrée PWM de 38 % et une vitesse de balayage de 4 mm/s.

Pour trouver le SFL et le LFL appropriés, le motif de cuivre a été étudié à différentes distances focales à l'aide d'un fichier de code G. Les figures 4c à d montrent la largeur de ligne et les images au microscope des motifs Cu dans les régions SFL et LFL obtenues à une puissance d'entrée de 38 % et à une vitesse de balayage de 4 mm/s. Le SFL montre des lignes de défaut plus grandes sur les motifs Cu que le LFL. Beaucoup plus long ou court que l'AFL, on peut trouver des agrégats de résidus de carbone et de Cu. La figure 4 montre que les deux cas produisent des motifs Cu sans défauts à une certaine distance focale. Sur la base de ce résultat, nous avons fixé les distances focales à environ − 2,4 mm pour SFL et 3 mm pour LFL et mené d'autres expériences.

Le temps d'irradiation laser est directement lié à la vitesse de balayage (ou vitesse) du module laser attaché à l'imprimante 3D. Nous avons examiné les motifs Cu tout en augmentant la vitesse de balayage à une puissance absorbée de 38 % et à une distance focale prédéterminée. Sur la figure 5a, le cas LFL montre clairement une augmentation de la taille des particules de Cu à une faible vitesse de balayage et une diminution de la largeur de raie avec une vitesse de balayage croissante. Le cas SFL de la Fig. 5b a une largeur de raie également diminuée mais un taux de changement de largeur de raie inférieur à celui du cas LFL (Fig. 5c). Les deux cas présentaient des défauts à une vitesse de balayage inférieure à 2 mm/s en raison du temps de séjour prolongé du laser, tandis qu'à partir de 4 mm/s, ils présentaient des motifs de Cu propres. Fait intéressant, le SFL a un motif de ligne Cu différent de celui du LFL, indiquant que la petite différence dans l'angle d'incidence du laser peut affecter le frittage de Cu, similaire aux résultats des tests de puissance précédents. Les images SEM de SFL et LFL sur la Fig. 5d – e correspondent aux images au microscope, ce qui indique que la taille des particules de Cu augmente à mesure que la vitesse de balayage diminue. De plus, l'analyse par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) montre que la teneur en C dans le motif Cu augmente avec une vitesse de balayage croissante. Sur la base de ces résultats, la vitesse de balayage a été déterminée à 4 mm/s.

Images au microscope et au microscope électronique à balayage (SEM) de Cu à motifs en fonction de la vitesse de balayage laser de 1 à 8 mm/s à 38 % d'entrée PWM : (a) lignes de Cu formées au LFL, (b) lignes de Cu formées au SFL, (c) les largeurs de ligne des motifs Cu par rapport à la vitesse de balayage, (d) les images SEM de LFL et (e) les images SEM de SFL par rapport à la vitesse de balayage. Les encarts dans (a) et (b) sont des images agrandies de chaque motif Cu.

Après avoir trouvé les conditions appropriées de puissance laser, de vitesse de balayage et de distance focale, la résistivité des motifs Cu a été mesurée à partir de motifs Cu carrés de 8 × 8 mm2 avec différents écarts de balayage laser (50, 70 et 90 μm). La figure 6a montre les images de la caméra de motifs carrés de Cu avec les lignes de bandes de résidus de carbone formés pendant le frittage. Un balayage laser unique au LFL montre environ 830 μΩ·cm à 50 μm, 5,4 Ω·cm à 70 μm et 4,9 Ω·cm à 100 μm d'écarts de balayage. Pour corriger cette résistivité élevée et examiner plus en détail l'effet du traitement au laser, les motifs de Cu ont été à nouveau traités au laser. D'autres balayages laser ont progressivement diminué la résistivité du motif Cu, qui est tombée à 70 μΩ·cm (Fig. 6b). Pour les intervalles de balayage linéaire de 70 et 90 μm, la résistivité chute brusquement à environ 70 μΩ·cm (Fig. 6c – d). Les images SEM de l'échantillon de 70 μm de la Fig. 6e montrent que la taille des particules de Cu augmente si le balayage laser est prolongé. Selon l'analyse EDX de cet échantillon, le rapport C/Cu a également diminué avec le nombre de balayages laser.

La résistivité des motifs carrés de Cu formés à différents intervalles de balayage (50, 70 et 90 μm) et LFL : (a) Images de caméra de motifs carrés de Cu (8 × 8 mm2) sur PI et leurs images au microscope, (b) courbes de résistivité de l'écart de balayage de 50 μm, (c) écart de balayage de 70 μm et (d) écart de balayage de 90 μm contre plusieurs balayages laser, (e) images SEM avec des rapports C/Cu de l'échantillon de 70 μm par rapport à plusieurs balayages laser.

La figure 7a montre des images de caméra et de microscope de motifs carrés de Cu formés au SFL ayant des lignes de bande de résidus de carbone similaires à celles des motifs de Cu formés au LFL. Les motifs Cu ont une résistivité complètement différente de celle du LFL. Malgré les lacunes de balayage, tous les motifs, après un balayage laser unique, ont une résistivité beaucoup plus faible (inférieure à 60 μΩ·cm sur la Fig. 7b – d) que celle du LFL. De manière surprenante, cette résistivité est comparable à celle des motifs carrés de Cu formés sur des substrats de verre obtenus à une puissance d'entrée de 100 % (Fig. 7c). Un aspect important de l'utilisation de cette méthode de structuration consiste à éliminer les résidus, qui sont des précurseurs de Cu n'ayant pas réagi, du substrat PI avec un minimum de dommages au motif de Cu. Heureusement, le précurseur de Cu est bien éliminé avec de l'eau courante et des tensioactifs normaux. Les encarts des Fig. 7b à d montrent les images au microscope prises avant et après le nettoyage des motifs Cu. En fait, le film de précurseur de Cu a une couleur bleutée, mais il est à peine visible à l'œil humain ou au microscope. Cependant, par rapport aux modèles de Cu tels que formés avec des résidus noirs sur leurs bords, les modèles nettoyés présentaient peu de résidus. Nous avons mesuré deux résistances de feuille, verticale et horizontale, en fonction de la direction du balayage laser et avons constaté que la résistance de l'échantillon augmentait légèrement après le lavage. Les changements de résistivité dans la direction horizontale étaient de 0,8 Ω/ϒ à 50 μm, 0,4 Ω/ϒ à 70 μm et 1,3 Ω/ϒ à 90 μm d'intervalles de balayage. Les changements de résistivité dans la direction verticale étaient de 1,6 Ω/ϒ à 50 μm, 0,6 Ω/ϒ à 70 μm et 1,4 Ω/ϒ à 90 μm d'intervalles de balayage. Fait intéressant, parmi les lacunes de balayage, le motif Cu à 70 μm a la résistivité la plus faible et le moins de changement de résistivité après lavage. Ce résultat indique que l'adhérence du Cu à motifs peut être améliorée si le précurseur de Cu est bien fritté dans des conditions de traitement appropriées.

La résistivité des motifs carrés de Cu formés à différents intervalles de balayage (50, 70 et 90 μm) et SFL : (a) Images de caméra de motifs carrés de Cu (8 × 8 mm2) sur PI et leurs images au microscope, (b) courbes de résistivité de l'écart de balayage de 50 μm, (c) de l'écart de balayage de 70 μm et (d) de l'écart de balayage de 90 μm. Notez que le graphique de résistivité comprend une comparaison de la résistivité dans la direction verticale/horizontale par rapport à la direction de balayage laser et avant/après le nettoyage pour chaque cas.

Un motif carré de Cu de dimension 5 × 30 mm2 sur un PI de 25 μm a été préparé et des tests de flexion ont été effectués à l'aide d'une machine à cintrer artisanale. Après 1000 flexions (rayon de courbure de 2,5 mm), la résistance de l'échantillon est passée de 0,87 à ~ 0,88 Ω/mm, comme illustré à la Fig. 8.

La résistance change contre plusieurs flexions du Cu fritté au laser. Le test de pliage a été réalisé à une vitesse de pliage de 100 mm/s et un rayon de pliage de 2,5 mm.

Divers motifs, y compris des caractères, ont été conçus et le motif direct au laser Cu a été réalisé conformément aux conditions de traitement prédéterminées. Le précurseur de Cu a été enduit sur différents films PI d'épaisseurs de 12, 5, 25 et 50 μm et fritté au laser. La figure 9a montre des modèles de Cu bien définis dans tous les films PI malgré l'épaisseur. Pour démontrer que le motif Cu peut être utilisé comme électrode flexible, une petite LED a été attachée au motif et actionnée. Les encarts de la Fig. 9a indiquent que la LED fonctionne correctement. Une application potentielle de cette électrode pourrait être dans de petits dispositifs bioélectroniques contenant des biocapteurs. Ainsi, après avoir fixé PI avec des motifs Cu et LED sur la peau du bras, le même test a été effectué. Les résultats ont confirmé qu'il fonctionnait bien, même lorsque le substrat PI était plié lors de la connexion électrique (Fig. 9b).

Divers motifs Cu conçus pour tester les connexions électriques avec des LED : (a) motifs Cu formés sur des films PI de différentes épaisseurs (12,5, 25 et 50 μm) fixés sur une plaque de verre et (b) LED fonctionnant sur les motifs Cu des films PI attaché à la peau du bras.

Pour le modelage laser direct rentable de Cu sur un substrat flexible de PI, nous avons examiné une imprimante 3D bon marché (moins de 1 000 USD) avec un module laser. Trois méthodes ont été introduites pour trouver la distance focale du laser : l'analyse des points de faisceau à l'aide d'une caméra USB, la localisation d'un point de combustion par rapport à la hauteur de l'axe z et l'utilisation de motifs Cu formés à une hauteur différente de l'axe z à l'aide d'un fichier de code G. . La fluctuation de puissance laser a été mesurée pour divers signaux PWM et était inférieure à 0,6 % d'écart pendant 30 s à 38 % d'entrée PWM. La distance focale appropriée a été étudiée à différentes distances focales, et une distance focale résultant en des motifs de ligne Cu propres sans défauts de ligne pour le SFL et le LFL a été trouvée. Sur la base de ce résultat, nous avons fixé les focales à environ − 2,4 mm pour le SFL et 3 mm pour le LFL. À partir du test de vitesse de balayage par rapport au temps d'irradiation du laser, nous avons constaté qu'un séjour prolongé du laser entraînait une augmentation de la taille des particules de Cu mais des défauts dans les motifs de Cu. Fait intéressant, le SFL avait un modèle de croissance de Cu différent de celui du LFL, indiquant que la petite différence dans l'angle d'incidence du laser pouvait affecter le frittage des précurseurs de Cu. Les motifs de Cu obtenus dans les conditions prédéterminées avaient une résistivité minimale de 70 μΩ·cm pour LFL après plusieurs balayages laser, tandis que le SFL présentait une résistivité inférieure à 48 μΩ·cm pour un balayage laser unique. Il s'agissait d'une valeur comparable à celle des motifs carrés de Cu sur des substrats de verre formés à un signal PWM de 100 %. Le précurseur de Cu n'ayant pas réagi sur PI a été bien éliminé avec de l'eau courante et des tensioactifs normaux. Cependant, par rapport aux modèles de Cu avant le nettoyage, la résistivité du modèle s'est avérée avoir diminué. Fait intéressant, parmi les espaces de balayage, le motif Cu formé à un espace de balayage de 70 μm avait la résistivité la plus faible et le moindre changement de résistivité après lavage. Cela implique que l'adhérence du Cu à motifs pourrait être améliorée si le précurseur de Cu revêtu était bien fritté dans les conditions de traitement appropriées. Une application attendue de cette méthode sera dans la fabrication de bioélectronique, y compris les biocapteurs. Pour cela, le fonctionnement de la LED connectée aux motifs Cu sur PI attachés à la peau du bras a été démontré, et la LED a bien fonctionné, même lorsque le substrat PI était plié lors de la connexion de l'alimentation.

Une solution Cu MOD a été fabriquée dans l'ordre suivant en référence à un rapport précédent.30,31 Tout d'abord, du méthoxyéthanol (60 ml, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd) a été mélangé avec de la monoéthanolamine (8 ml, Daejung Chemicals & Metals Co. , Ltd). Deuxièmement, 4 g de tétrahydrate de formiate de Cu (II) (Alfa Aesar) ont été dissous dans la solution pendant 10 min. Pour éliminer l'eau et coordonner le Cu avec l'amine, ce mélange a été traité thermiquement à 140 ° C pendant 35 min sous agitation, puis refroidi. Le volume final de la solution MOD était d'environ 21 et 23 ml. En ajoutant du méthoxyéthanol distillé à la solution, nous avons obtenu 25 ml de solution MOD précurseur de Cu. Après filtration à l'aide d'un filtre seringue (CHMLAB PVDF Syringe Filters, 0,45 μm), nous avons enduit par centrifugation la solution sur des films PI (12,5, 25 et 50 μm d'épaisseur, ISOFLEX PIT-S1206HS-50G-FL50, PIT-S2505HS-100G -FL50 et PIT-S5020HS-250G-FL50, respectivement) fixés sur un verre coulissant à 1200 tr/min pendant 10 s et séchés sur une plaque chauffante à 130 °C pendant 90 s. Pour la structuration directe au laser, nous avons utilisé une imprimante 3D commerciale (Mooz2, DOBOT) avec une tête laser installée ; pour plus de simplicité, nous avons utilisé la source laser originale de 405 nm fournie par le constructeur. La puissance laser a été mesurée à l'aide d'un wattmètre (PowerMax-USB, COHERENT) pour divers signaux d'entrée générés par la méthode PWM. Pour déterminer la distance focale et examiner le processus de structuration, une caméra USB a été fixée à un support qui avait été imprimé en 3D (Fig. 1) et positionné juste en dessous du substrat. Des motifs Cu sur PI ont été produits à différentes longueurs focales, puissances laser, vitesses d'impression et autres facteurs à l'aide du code G, puis nous avons déterminé les conditions du processus. La structure fine de Cu dans les motifs a été analysée avec un SEM (Hitachi Regulus 8100, JP) et EDS en utilisant un Oxford Ultim Max 40 (Oxford Instruments, UK), KLA-Tencor. Les résistances de feuille des motifs ont été obtenues à l'aide d'une méthode de sonde à quatre points (OSSILA).

Les ensembles de données utilisés ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été soutenue par le programme de recherche scientifique fondamentale par l'intermédiaire de la Fondation nationale de la recherche (n° 2018R1A5A1025594 et n° 2019R1A2C1006771) du ministère des Sciences.

Department of Chemistry Education, Graduate Department of Chemical Materials, Institute for Plastic Information and Energy Materials, Pusan ​​National University, Busandaehakro 63-2, Busan, 46241, République de Corée

Sajal Chakraborty, parc Ho-Yeol et Sung Il Ahn

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SA a conçu les expériences. SA, SC et H.-Y. Park a mené les expériences et analysé les données. Tous les auteurs ont rédigé et discuté les résultats et commenté le manuscrit.

Correspondance à Sung Il Ahn.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Chakraborty, S., Park, HY. & Ahn, SI Motif laser cuivre sur un substrat flexible à l'aide d'une imprimante 3D économique. Sci Rep 12, 21149 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25778-y

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Reçu : 02 août 2022

Accepté : 05 décembre 2022

Publié: 07 décembre 2022

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

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