감지 응용 분야를 위한 레이저 절제 보조 미세 패턴 스크린 인쇄 변환 전극

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6928(2022) 이 기사 인용

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이 연구에서 우리는 감지 응용을 위한 여러 용량성 변환 전극을 제작하는 손쉬운 방법을 제시합니다. 전극을 준비하기 위해 일반적인 작업장 레이저 조각 기계를 사용하여 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 기판에 최대 300\(\upmu\)m의 선폭을 생성했습니다. 레이저 절제 공정으로 준비된 형상은 일관성과 정확성을 위해 광학 현미경으로 특성화되었습니다. 나중에 습도 감지를 위해 형상을 기능성 폴리머 다공성 셀룰로오스로 장식된 감지 층으로 코팅했습니다. 결과 센서는 다양한 상대 습도(RH) 수준에서 테스트되었습니다. 일반적으로 0.13~2.37pF/%RH 범위의 감도를 갖는 센서에서 우수한 감지 응답이 생성되었습니다. 주변 조건에서 제작된 모든 센서에 대해 10초의 응답 시간이 나타났습니다. 또한, 실험 결과에 따르면 제작된 센서의 감도는 기하학적 구조에 크게 의존하며 전극 기하학적 구조를 변경하면 동일한 감지 레이어에서 감도가 최대 5배까지 증가할 수 있습니다. 전극 설계로 인한 제조 공정의 단순성과 높은 감도로 인해 제안된 전극은 공기 품질 센서뿐만 아니라 터치 또는 촉각 센서와 같은 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 예상됩니다.

새로운 기능, 우수한 장치 응답 및 성능을 달성하는 센서에 대한 변환 방식을 형성하기 위한 수많은 제조 기술이 문헌에 보고되었습니다. 그러나 대부분의 기술에는 이러한 센서를 제작하기 위해 복잡한 프로세스와 값비싼 시설이 필요합니다. 예를 들어, 감지 전극을 제조하기 위한 하향식 접근 방식인 기존의 미세 전자 기계 시스템(MEM) 포토리소그래피 공정에는 클린룸과 화학적 에칭 공정이 필요합니다1,2. 전체 공정은 화학적 낭비로 이어지고 환경 문제를 야기하며3,4,5 전극 설계의 맞춤화는 제품 비용이 제조 규모 및 배치 크기에 크게 의존하기 때문에 비용이 많이 드는 경우가 많습니다. 따라서 최근에는 클린룸을 제공하지 않는 비접촉 인쇄와 접촉 인쇄가 연구 개발 활동에서 관심을 받고 있습니다. 접촉 인쇄는 제지 산업 및 인쇄 매체에서 널리 사용됩니다. 이러한 인쇄 전략의 장점은 최대 50\(\upmu\)m의 인쇄 기능 정확도로 높은 처리량을 제공한다는 것입니다. 일반적으로 모든 접촉 인쇄 방법은 롤투롤 기술을 사용하여 기판6,7,8에 패턴을 각인합니다. 그러나 고속 및 압력에서 기판의 엄격한 공차 및 탄성 특성으로 인해 상호 연결 등록 제어는 본질적으로 복잡합니다. 대량 생산의 경우 롤투롤 기술을 통한 인쇄 기능 비용은 비접촉식 인쇄 방법보다 저렴합니다. 그러나 소규모 생산 배치 또는 맞춤형 인쇄물의 경우 품목당 비용이 비접촉식 인쇄보다 훨씬 높습니다. 비접촉식 인쇄 중에서 잉크젯 인쇄는 낮은 자본 비용과 광범위한 가용성으로 인해 인쇄 전자 응용 분야에 널리 사용되었습니다. 또한 롤투롤 인쇄 기술과 비교하여 맞춤형 패턴 인쇄는 이전에 인쇄된 특징에 추가로 특징을 인쇄하거나 잉크를 추가하는 기능을 통해 쉽게 수행할 수 있습니다. 열전사 및 압전 잉크젯 기술은 인쇄 공정과 호환되어야 하는 잉크 제제를 필요로 합니다. 잉크가 열 분해에 취약한 재료로 구성된 경우 열 잉크젯 인쇄 과정에서 품질이 저하되는 경우가 많으며, 더욱이 고점도 잉크는 압전 잉크젯 프린터와 함께 사용할 수 없습니다9,10. 간단한 실험실 기반 R&D 설정을 위한 스크린 인쇄는 위에서 언급한 제조 공정에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 변환 전극을 제조할 수 있는 솔루션인 것 같습니다. 스크린 인쇄에는 스텐실이 필요하며 공정은 간단하지만 저렴한 비용으로 변환 전극을 맞춤화하는 것이 큰 문제이며 이 공정에는 메시에 많은 양의 잉크를 퍼뜨리는 과정이 포함됩니다. 앞서 언급한 문제를 회피하기 위해 전도성 잉크의 스크린 인쇄를 위한 간단한 레이저 절제 공정이 변환 전극 제조를 위한 더 쉬운 경로인 것으로 보입니다. 상업용 레이저 절단기의 레이저 절제 공정은 변환 전극을 쉽게 구현할 수 있을 뿐만 아니라 기존 잉크 스크린 인쇄에 비해 잉크 낭비도 적습니다. 이 연구에서는 분석물의 전기화학적 거동을 감지하기 위한 인쇄된 용량성 구조가 레이저 절제 기술을 통해 형성됩니다. 용량성 센서의 장점은 에너지 소비가 적고 방사선에 덜 민감하며 감도가 좋고 빠른 응답을 제공한다는 것입니다11,12,13,14,15,16. 용량성 응답을 측정하기 위한 가장 잘 알려진 설계는 전기 단자가 유전체 재료17,18에 의해 격리된 평행판(PP) 전극입니다. 감지 응용 분야, 특히 박막 용량성 센서의 경우 IDE(Interdigitated Electrode)는 단순한 설계, 분석 및 수치 모델링19,20,21,22로 인해 가장 널리 사용되는 전극일 것입니다.