Patrones láser de cobre sobre un sustrato flexible utilizando un costo

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21149 (2022) Citar este artículo

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Estudiamos el patrón láser directo rentable de cobre (Cu) en sustratos de poliimida delgados (grosor de PI: 12,5–50 µm) utilizando un módulo láser de 405 nm conectado a una impresora 3D económica. La distancia focal del láser se controló intencionalmente para reducir los defectos en el patrón de Cu y el daño superficial del PI en condiciones de proceso predeterminadas. La distancia focal apropiada se examinó a varias distancias focales. Se encontraron distancias focales de -2,4 mm y 3 mm para la distancia focal más corta (SFL) y la distancia focal más larga (LFL), respectivamente, en comparación con la distancia focal real. Esto dio como resultado patrones de línea de Cu limpios sin defectos de línea. Curiosamente, el caso de SFL tenía un patrón de crecimiento de Cu diferente al de LFL, lo que indica que la pequeña diferencia en el ángulo de incidencia del láser podría afectar la sinterización del precursor de Cu. Los patrones cuadrados de Cu tenían una resistividad menor de 70 μΩ·cm para un LFL después de tres o cuatro escaneos láser, mientras que el SFL mostró una resistividad inferior a 48 μΩ·cm para un escaneo láser único. Los residuos del precursor de Cu en PI se eliminaron fácilmente con agua corriente y tensioactivos normales. Sin embargo, la resistividad de los patrones disminuyó después de la limpieza. Entre los espacios de escaneo, el patrón cuadrado de Cu formado en un espacio de escaneo de 70 μm tuvo la resistencia de hoja más baja y el menor cambio en la resistencia de alrededor de 4 a 4,4 Ω/ϒ después de la limpieza. Este resultado implica que la adhesión del Cu modelado podría mejorarse si el precursor de Cu revestido se sinterizara bien en las condiciones de proceso adecuadas. Para la aplicación de este método a la bioelectrónica, incluidos los biosensores, los LED se conectaron a los patrones de Cu en PI adheridos a la piel del brazo y funcionaron bien, incluso cuando el sustrato PI se dobló durante la conexión de alimentación.

Los dispositivos portátiles pequeños sobre sustratos sensibles y flexibles requieren procesos de creación de patrones directos en lugar de procesos litográficos que requieren deposición al vacío, fotoprotectores y grabado químico tóxico1,2,3,4,5,6,7. Por lo tanto, los procesos de creación de patrones directos se han investigado ampliamente utilizando tintas de nanopartículas metálicas, como plata (Ag) y oro (Au)8,9,10. En lugar de costosos metales nobles, los compuestos a base de cobre (Cu) llaman la atención debido a sus excelentes propiedades térmicas y eléctricas y su rentabilidad11,12,13. Sin embargo, debido a su baja energía potencial de oxidación (0,34 V) en comparación con los metales nobles (Au, 1,52 V; Ag, 0,799 V), tienen la desventaja de que se oxidan fácilmente al aire11. Por lo tanto, la sinterización térmica no se puede utilizar para reducir el precursor de Cu en un entorno ambiental. Recientemente, se han informado numerosos intentos como método alternativo de sinterización térmica. Una técnica efectiva es proteger y estabilizar Cu-NP mediante la aplicación de una capa protectora14,15 o el uso de un metal noble delgado en una estructura de núcleo-carcasa16,17. El precursor de Cu también se puede sinterizar utilizando lámparas de destello de alta potencia, que se pueden integrar fácilmente en líneas de producción masivas18,19,20,21. Dado que este método puede calentar el precursor de Cu a una temperatura alta para una sinterización completa en unos pocos milisegundos, lo que puede minimizar la oxidación de Cu bajo el aire y el impacto en los sustratos basados ​​en polímeros, esta sinterización fotónica es una opción atractiva para la electrónica impresa de gran superficie. No obstante, las lámparas de destello emiten una luz intensa de amplio espectro que puede provocar una deformación parcial de los sustratos a base de polímeros. Sin embargo, reducir la intensidad del flash para mitigar este riesgo reducirá la calidad del sinterizado. Además, este método no es un método de modelado directo y se requiere un proceso de modelado adicional antes y después de la sinterización de Cu.

Otra técnica prometedora es la sinterización directa por láser22,23,24,25,26,27. Durante el enfoque, la energía del haz enfocado es absorbida por el precursor e induce un proceso de calentamiento transitorio y localizado que da como resultado una rápida sinterización. En consecuencia, se pueden lograr patrones metálicos cuya resolución puede ser limitada por el sistema óptico y los precursores metálicos. El escaneo rápido puede generar patrones metálicos de alta resolución que tienen unos pocos micrómetros de ancho. Además, en condiciones ambientales, se evita la oxidación del Cu si el tiempo de sinterización es lo suficientemente corto. La tinta sin sinterizar se elimina fácilmente con el lavado, lo que completa el proceso de creación de patrones. Sin embargo, este proceso puede dañar los sustratos a base de polímeros debido al uso de un láser enfocado con alta densidad de energía.

Intentamos modelar Cu en sustratos poliméricos con daños superficiales minimizados utilizando un precursor de Cu metal-orgánico y un módulo láser original (diodo de 405 nm, 500 mW) suministrado por el fabricante de la impresora (Fig. 1). A medida que los productos se vuelven más livianos y de menor tamaño, se están realizando muchos estudios en el campo de la electrónica para usar poliimida (PI) como un sustrato polimérico liviano y flexible para reemplazar el sustrato de vidrio actual28,29,30,31,32,33. Esto se debe a que la poliimida tiene muchas ventajas, como resistencia mecánica, resistencia química, resistencia al calor y estabilidad térmica basada en una cadena principal aromática rígida29. Los PI aromáticos tienen un color amarillento o pardusco debido al anillo de imida y, por lo tanto, al complejo de transferencia de carga entre el dianhídrido aceptor de electrones y la diamina donante de electrones presentes en el esqueleto de imida31,32,33. Dado que el láser de 405 nm utilizado en este estudio puede dañar la superficie de los sustratos de PI coloreados más fácilmente en comparación con los sustratos de polímero transparente, seleccionamos esta película de PI coloreada para probar si el daño superficial se puede minimizar en el proceso de modelado directo con láser de Cu. Cuando se aplicó el láser para formar patrones de Cu sobre sustratos flexibles, provocó graves daños en el sustrato, incluso con una potencia de láser inferior a 10 mW, lo que provocó la quema local o la rotura de la película. Por lo tanto, estudiamos y desarrollamos un método para obtener patrones de Cu utilizando las condiciones de proceso adecuadas para minimizar el daño del sustrato. No se consideró cambiar el láser de 405 nm a uno con una longitud de onda diferente que cause menos daño. Esto se debe a que entre los diodos láser con una potencia de salida de aproximadamente 1 W, el diodo láser de longitud de onda de 405 nm es el más fácil de obtener y el más económico de usar, lo que satisface nuestro propósito de investigación: el desarrollo de un patrón directo rentable y fácil de usar. máquina y método. También tratamos de desarrollar condiciones de proceso para optimizar la conductividad del Cu estampado mientras minimizamos el daño superficial a la película delgada de PI.

La impresora 3D integrada con láser con una cámara USB adjunta.

Investigaciones anteriores indican que los compuestos de Cu se reducen fácilmente a bajas temperaturas cuando se tratan térmicamente en una atmósfera de nitrógeno. La química de descomposición y la formación de Cu metálico de compuestos de formiato de Cu coordinados con amina se simplifica mediante la ecuación. (1):34,35

Dado que la sinterización acompaña simultáneamente a la oxidación del Cu, se requiere un tratamiento térmico breve o un entorno de nitrógeno para evitar la oxidación del Cu tal como se ha formado. Para el modelado directo con láser, el grado de sinterización del precursor de Cu está relacionado con varios factores de la máquina, como la distancia focal del láser, la velocidad de exploración y la potencia del láser. Además, estos factores se influyen entre sí. La potencia del láser es el factor más importante para controlar el daño de la película PI. De hecho, el 1,6 % de la potencia del láser (alrededor de 8 mW) en la distancia focal real (AFL) puede dañar el PI (consulte los métodos de enfoque del láser). En este estudio, al aumentar o disminuir intencionalmente la distancia focal del láser en relación con el AFL, tratamos de minimizar los defectos en el Cu estampado y el daño a la película PI. Por lo tanto, primero fue necesario encontrar el AFL preciso del láser. Se introdujeron tres métodos diferentes para lograr esto. En el primer método, un láser con una potencia de entrada PWM del 2% se enfocó en un sustrato de vidrio cubierto con PI amarillo y cinta de polietileno blanco para encontrar el punto láser más pequeño mientras se controlaba el eje z (Fig. 2a) usando una cámara USB conectada debajo. el sustrato En el segundo método, determinamos la distancia focal utilizando un punto de combustión en una película PI desnuda con una potencia de entrada del 2% mientras disminuíamos gradualmente el eje z (Fig. 2b). De los dos métodos anteriores, se encontró una distancia focal aproximada. Sin embargo, para un enfoque preciso, el tercer método involucró la programación de un archivo de código G basado en la distancia focal de los dos métodos anteriores. Posteriormente, realizamos un patrón de líneas de Cu a diferentes alturas alrededor de la distancia focal aproximada y determinamos el AFL del láser. La Figura 2c es una imagen de microscopio de líneas de Cu formadas a diferentes distancias focales y una entrada constante de 1,6%. Entre las líneas de Cu, el ancho de línea más estrecho de Cu se encuentra cerca del AFL del láser, y observamos varios defectos en los patrones de Cu y en la película de PI. Al igual que en informes anteriores21,22,23, los defectos más comunes son los defectos de línea, que son áreas vacías o perforadas en medio de las líneas de Cu estampadas. Encontramos que los patrones defectuosos aparecen de manera diferente junto con las direcciones hacia arriba y hacia abajo del AFL. La región de distancia focal más larga (LFL) exhibe defectos de línea más severos que la región de distancia focal más corta (SFL). Además, las líneas de Cu aumentan gradualmente de ancho en ambas direcciones a medida que aumenta la distancia desde el AFL. Algunos de los defectos van acompañados de daños en la superficie de la película de PI. La fuerte energía de un rayo láser bien enfocado es una causa probable, incluso con la baja potencia del láser del 1,6 % (alrededor de 8 mW). Sin embargo, existe una distancia focal adecuada diferente de la AFL, y proporciona patrones de Cu limpios a una potencia de láser constante (Fig. 2c).

Enfocando el rayo láser: (a) encontrar la distancia focal del láser usando una cámara USB, (b) determinar la distancia focal usando un punto de quemado en una película PI desnuda con una señal de entrada de modulación de ancho de pulso (PWM) del 1,6 %, y (c) determinar la distancia focal a través de patrones de Cu formados en varias distancias focales usando un programa de código G (velocidad de escaneo de 1 mm/s y 2% PWM).

La estabilidad de la potencia del láser es un factor importante para mejorar la calidad de los patrones. Probamos la salida del láser en función de las señales de entrada controladas por un método PWM. La potencia de salida de un módulo láser aumentó linealmente hasta alrededor del 70 % de la señal PWM y luego disminuyó ligeramente contrariamente a lo esperado de la entrada, probablemente debido a la capacidad de enfriamiento del módulo láser (Fig. 3a). La Figura 3b muestra que la desviación de la salida del láser aumenta con el aumento de la señal de potencia de entrada (medida durante 30 s después de encender el láser). Dado que la potencia de entrada utilizada en este estudio es del 38 % (alrededor de 260 mW) de la potencia máxima, determinada por un experimento posterior, se espera que la desviación de potencia del láser sea mucho menor que el 0,6 % desde el tiempo de "encendido" de el láser es inferior a unos pocos segundos según una velocidad de exploración de 4 mm/s en este experimento.

Características de la potencia de salida del láser frente a las señales de entrada: (a) salida del láser frente a relaciones de entrada PWM y (b) fluctuaciones de salida del láser en varias relaciones PWM en el estado "encendido" durante 30 s.

Se investigaron la forma y los defectos de los patrones de Cu mientras se aumentaba la potencia del láser a una velocidad de exploración constante y una distancia focal fija (LFL o SFL). Para el caso LFL (3 mm más largo que el AFL) en la Fig. 4a, el ancho de línea y el tamaño de grano de Cu aumentan con el aumento de la potencia del láser, y los defectos de línea reaparecen en el patrón de Cu con una potencia de entrada superior al 50%. Para el caso de SFL (2,4 mm más corto que el AFL) en la Fig. 4b, se observan resultados similares a los del caso de LFL, excepto que aparecen marcas de láser en el patrón de Cu. Curiosamente, la tasa de aumento del ancho de línea del SFL con respecto a la potencia del láser en la Fig. 4c parece menor que la del LFL porque el ángulo y el diámetro del rayo láser incidente son diferentes. En base a estos resultados, incluidas otras pruebas preliminares, se seleccionó una entrada de potencia PWM del 38 % para el patrón de láser directo de Cu.

Imágenes de microscopio de Cu estampado en función de las relaciones de señal PWM de entrada de 12,5 a 100%: (a) líneas de Cu formadas a LFL y velocidad de escaneo de 4 mm/s, (b) a SFL y velocidad de escaneo de 4 mm/s. Imágenes de microscopio y ancho de línea de patrones de Cu formados en varios SFL y LFL para encontrar la distancia focal adecuada para minimizar los defectos: (c) Distancia focal (LFL) de 2,4 a 4 mm, (d) distancia focal (SFL) de − 1,8 a − 3,4 mm basado en la RFL. Tenga en cuenta que los patrones de Cu se obtuvieron con una entrada PWM del 38 % y una velocidad de exploración de 4 mm/s.

Para encontrar el SFL y el LFL apropiados, se investigó el patrón de cobre a varias distancias focales utilizando un archivo de código G. Las figuras 4c–d muestran el ancho de línea y las imágenes microscópicas de los patrones de Cu en las regiones SFL y LFL obtenidas con una potencia de entrada del 38 % y una velocidad de exploración de 4 mm/s. El SFL muestra líneas de defectos más grandes en los patrones de Cu que el LFL. Mucho más largo o corto que el AFL, podemos encontrar agregados de residuos de carbono y Cu. La Figura 4 muestra que ambos casos producen patrones de Cu sin defectos a una determinada distancia focal. Basándonos en este resultado, fijamos las distancias focales en alrededor de -2,4 mm para SFL y 3 mm para LFL y realizamos más experimentos.

El tiempo de irradiación del láser está directamente relacionado con la velocidad de escaneo (o la velocidad) del módulo láser conectado a la impresora 3D. Examinamos los patrones de Cu mientras aumentamos la velocidad de escaneo a una potencia de entrada del 38 % y una distancia focal predeterminada. En la Fig. 5a, el caso LFL muestra claramente un aumento en el tamaño de partícula de Cu a una velocidad de exploración baja y una disminución en el ancho de línea a medida que aumenta la velocidad de exploración. El caso SFL en la Fig. 5b tiene un ancho de línea reducido de manera similar pero una tasa de cambio de ancho de línea más baja que el caso LFL (Fig. 5c). Ambos casos tenían defectos a una velocidad de escaneo inferior a 2 mm/s debido al prolongado tiempo de permanencia del láser, mientras que a partir de 4 mm/s mostraban patrones limpios de Cu. Curiosamente, el SFL tiene un patrón de línea de Cu diferente al del LFL, lo que indica que la pequeña diferencia en el ángulo de incidencia del láser puede afectar la sinterización de Cu, de forma similar a los resultados de las pruebas de potencia anteriores. Las imágenes SEM de SFL y LFL en la Fig. 5d-e coinciden con las imágenes del microscopio, lo que indica que el tamaño de las partículas de Cu aumenta a medida que disminuye la velocidad de exploración. Además, el análisis de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) muestra que el contenido de C en el patrón de Cu aumenta con una velocidad de exploración creciente. En base a estos resultados, se determinó que la velocidad de exploración era de 4 mm/s.

Imágenes de microscopio y microscopio electrónico de barrido (SEM) de Cu estampado en función de la velocidad de barrido láser de 1 a 8 mm/s con una entrada de PWM del 38 %: (a) líneas de Cu formadas en LFL, (b) líneas de Cu formadas en SFL, ( c ) anchos de línea de patrones de Cu contra la velocidad de escaneo, ( d ) imágenes SEM de LFL y ( e ) imágenes SEM de SFL contra la velocidad de escaneo. Los recuadros en (a) y (b) son imágenes ampliadas de cada patrón de Cu.

Después de encontrar las condiciones apropiadas de potencia del láser, velocidad de escaneo y distancia focal, se midió la resistividad de los patrones de Cu a partir de patrones de Cu cuadrados de 8 × 8 mm2 con diferentes espacios de escaneo láser (50, 70 y 90 μm). La Figura 6a muestra las imágenes de la cámara de patrones cuadrados de Cu con las líneas de tira de residuos de carbono formadas durante la sinterización. Un escaneo láser único en el LFL muestra espacios de escaneo de alrededor de 830 μΩ·cm a 50 μm, 5,4 Ω·cm a 70 μm y 4,9 Ω·cm a 100 μm. Para corregir esta alta resistividad y examinar más a fondo el efecto del tratamiento con láser, los patrones de Cu se trataron con láser nuevamente. Los escaneos láser posteriores redujeron gradualmente la resistividad del patrón de Cu, que se redujo a 70 μΩ·cm (Fig. 6b). Para los espacios de exploración de línea de 70 y 90 μm, la resistividad cae bruscamente a aproximadamente 70 μΩ·cm (Fig. 6c–d). Las imágenes SEM de la muestra de 70 μm en la Fig. 6e muestran que el tamaño de las partículas de Cu aumenta si se extiende el escaneo láser. Según el análisis EDX de esta muestra, la relación C/Cu también disminuyó con el número de escaneos láser.

La resistividad de los patrones cuadrados de Cu formados en diferentes espacios de escaneo (50, 70 y 90 μm) y LFL: (a) imágenes de cámara de patrones cuadrados de Cu (8 × 8 mm2) en PI y sus imágenes de microscopio, (b) curvas de resistividad de la brecha de exploración de 50 μm, (c) brecha de exploración de 70 μm y (d) brecha de exploración de 90 μm contra varias exploraciones láser, (e) imágenes SEM con relaciones C/Cu de la muestra de 70 μm versus varias exploraciones láser.

La Figura 7a muestra imágenes de cámara y microscopio de patrones de cuadrados de Cu formados en el SFL que tienen líneas de franjas de residuos de carbono similares a las de los patrones de Cu formados en el LFL. Los patrones de Cu tienen una resistividad completamente diferente a la de LFL. A pesar de las brechas de escaneo, todos los patrones, después de un escaneo láser único, tienen una resistividad mucho más baja (por debajo de 60 μΩ·cm en la Fig. 7b–d) que la de LFL. Sorprendentemente, esta resistividad es comparable a la de los patrones cuadrados de Cu formados en sustratos de vidrio obtenidos con una potencia de entrada del 100% (Fig. 7c). Un aspecto importante del uso de este método de creación de patrones es la eliminación de residuos, que son precursores de Cu sin reaccionar, del sustrato de PI con un daño mínimo en el patrón de Cu. Afortunadamente, el precursor de Cu se elimina bien con agua corriente y tensioactivos normales. Las inserciones en la Fig. 7b-d muestran las imágenes del microscopio tomadas antes y después de limpiar los patrones de Cu. De hecho, la película precursora de Cu tiene un color azulado, pero apenas es visible al ojo humano o al microscopio. Sin embargo, en comparación con los patrones de Cu formados con residuos negros en sus bordes, los patrones limpios mostraron pocos residuos. Medimos las resistencias de dos láminas, vertical y horizontal, según la dirección del escaneo láser y descubrimos que la resistencia de la muestra aumentó ligeramente después del lavado. Los cambios de resistividad en la dirección horizontal fueron de 0,8 Ω/ϒ a 50 μm, 0,4 Ω/ϒ a 70 μm y 1,3 Ω/ϒ a espacios de exploración de 90 μm. Los cambios de resistividad en la dirección vertical fueron de 1,6 Ω/ϒ a 50 μm, 0,6 Ω/ϒ a 70 μm y 1,4 Ω/ϒ a espacios de exploración de 90 μm. Curiosamente, entre los espacios de escaneo, el patrón de Cu a 70 μm tiene la resistividad más baja y el menor cambio en la resistividad después del lavado. Este resultado indica que la adhesión del Cu modelado se puede mejorar si el precursor de Cu se sinteriza bien en condiciones de proceso adecuadas.

La resistividad de los patrones cuadrados de Cu formados en diferentes espacios de escaneo (50, 70 y 90 μm) y SFL: (a) imágenes de cámara de patrones cuadrados de Cu (8 × 8 mm2) en PI y sus imágenes de microscopio, (b) curvas de resistividad del espacio de exploración de 50 μm, (c) espacio de exploración de 70 μm y (d) espacio de exploración de 90 μm. Tenga en cuenta que el gráfico de resistividad incluye una comparación de la resistividad en la dirección vertical/horizontal con respecto a la dirección de exploración del láser y antes/después de la limpieza para cada caso.

Se preparó un patrón cuadrado de Cu con una dimensión de 5 × 30 mm2 en PI de 25 μm y se realizaron pruebas de flexión utilizando una máquina dobladora casera. Después de 1000 plegados (radio de plegado de 2,5 mm), la resistencia de la muestra cambió de 0,87 a ~ 0,88 Ω/mm, como se muestra en la Fig. 8.

Cambios de resistencia frente a varias flexiones del Cu sinterizado por láser. El ensayo de flexión se realizó a una velocidad de flexión de 100 mm/sy un radio de flexión de 2,5 mm.

Se diseñaron varios patrones, incluidos los caracteres, y el patrón directo con láser Cu se realizó de acuerdo con las condiciones de proceso predeterminadas. El precursor de Cu se revistió sobre diferentes películas de PI con espesores de 12,5, 25 y 50 μm y se sinterizó con el láser. La Figura 9a muestra patrones de Cu bien definidos en todas las películas de PI a pesar del espesor. Para demostrar que el patrón de Cu se puede usar como un electrodo flexible, se adjuntó un pequeño LED al patrón y se operó. Las inserciones en la Fig. 9a indican que el LED funciona correctamente. Una posible aplicación de este electrodo podría ser en pequeños dispositivos bioelectrónicos que contengan biosensores. Así, después de unir PI con patrones de Cu y LED a la piel del brazo, se realizó la misma prueba. Los resultados confirmaron que funcionó bien, incluso cuando el sustrato PI se dobló durante la conexión eléctrica (Fig. 9b).

Varios patrones de Cu diseñados para probar conexiones eléctricas con LED: (a) patrones de Cu formados en películas de PI con diferentes espesores (12,5, 25 y 50 μm) unidos a una placa de vidrio y (b) LED que funcionan en los patrones de Cu de películas de PI unido a la piel del brazo.

Para el patrón láser directo rentable de Cu en un sustrato flexible de PI, examinamos una impresora 3D económica (menos de USD $ 1000) con un módulo láser. Se introdujeron tres métodos para encontrar la distancia focal del láser: análisis de punto de haz usando una cámara USB, ubicando un punto de combustión contra la altura del eje z y utilizando patrones de Cu formados en una altura diferente del eje z usando un archivo de código G . La fluctuación de la potencia del láser se midió para varias señales PWM y estuvo por debajo del 0,6 % de desviación durante 30 s con una entrada PWM del 38 %. Se investigó la distancia focal apropiada a varias distancias focales, y se encontró una distancia focal que dio como resultado patrones de líneas de Cu limpios sin defectos de línea para SFL y LFL. Basándonos en este resultado, fijamos las distancias focales en alrededor de -2,4 mm para el SFL y 3 mm para el LFL. A partir de la prueba de velocidad de escaneo en relación con el tiempo de irradiación del láser, encontramos que la permanencia prolongada del láser resultó en un aumento del tamaño de las partículas de Cu pero defectos en los patrones de Cu. Curiosamente, el SFL tenía un patrón de crecimiento de Cu diferente al del LFL, lo que indica que la pequeña diferencia en el ángulo de incidencia del láser podría afectar la sinterización de los precursores de Cu. Los patrones de Cu obtenidos en las condiciones predeterminadas tenían una resistividad mínima de 70 μΩ·cm para LFL después de varios escaneos láser, mientras que SFL mostró una resistividad inferior a 48 μΩ·cm para un escaneo láser único. Este fue un valor comparable al de los patrones cuadrados de Cu sobre sustratos de vidrio formados con una señal PWM del 100 %. El precursor de Cu sin reaccionar sobre PI se eliminó bien con agua corriente y tensioactivos normales. Sin embargo, cuando se compararon con los patrones de Cu antes de la limpieza, se encontró que la resistividad del patrón había disminuido. Curiosamente, entre los espacios de escaneo, el patrón de Cu formado en un espacio de escaneo de 70 μm tenía la resistividad más baja y el menor cambio en la resistividad después del lavado. Esto implica que la adhesión del Cu modelado podría mejorarse si el precursor de Cu revestido se sinterizara bien en las condiciones de proceso adecuadas. Una aplicación esperada de este método será la fabricación de productos bioelectrónicos, incluidos los biosensores. Para esto, se demostró el funcionamiento del LED conectado a los patrones de Cu en PI adherido a la piel del brazo, y el LED funcionó bien, incluso cuando el sustrato PI se dobló durante la conexión de alimentación.

Se fabricó una solución de Cu MOD en el siguiente orden con referencia a un informe anterior.30,31 Primero, se mezcló metoxietanol (60 ml, Daejung Chemicals & Metals Co., Ltd) con monoetanolamina (8 ml, Daejung Chemicals & Metals Co. , Ltda.). En segundo lugar, se disolvieron en la solución 4 g de formiato de Cu (II) tetrahidratado (Alfa Aesar) durante 10 min. Para eliminar el agua y coordinar el Cu con la amina, esta mezcla se trató térmicamente a 140 °C durante 35 min mientras se agitaba y posteriormente se enfriaba. El volumen final de la solución MOD fue de alrededor de 21 y 23 ml. Al agregar metoxietanol destilado a la solución, se obtuvieron 25 ml de solución MOD precursora de Cu. Después de filtrar con un filtro de jeringa (CHMLAB PVDF Syringe Filters, 0,45 μm), recubrimos por rotación la solución en películas de PI (12,5, 25 y 50 μm de espesor, ISOFLEX PIT-S1206HS-50G-FL50, PIT-S2505HS-100G -FL50 y PIT-S5020HS-250G-FL50, respectivamente) adheridos a un vidrio deslizante a 1200 rpm durante 10 s y secados en placa caliente a 130 °C durante 90 s. Para el modelado directo con láser, utilizamos una impresora 3D comercial (Mooz2, DOBOT) con un cabezal láser instalado; por simplicidad, utilizamos la fuente láser original de 405 nm provista por el fabricante. La potencia del láser se midió utilizando un medidor de potencia (PowerMax-USB, COHERENT) para varias señales de entrada generadas por el método PWM. Para determinar la distancia focal y examinar el proceso de creación de patrones, se conectó una cámara USB a un soporte que había sido impreso en 3D (Fig. 1) y se colocó justo debajo del sustrato. Los patrones de Cu en PI se produjeron a diferentes distancias focales, potencias de láser, velocidades de impresión y otros factores utilizando el código G, y luego determinamos las condiciones del proceso. La estructura fina de Cu en los patrones se analizó con un SEM (Hitachi Regulus 8100, JP) y EDS utilizando un Oxford Ultim Max 40 (Oxford Instruments, Reino Unido), KLA-Tencor. Las resistencias de hoja de los patrones se obtuvieron utilizando un método de sonda de cuatro puntos (OSSILA).

Los conjuntos de datos utilizados o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación (No. 2018R1A5A1025594 y No. 2019R1A2C1006771) del Ministerio de Ciencia.

Departamento de Educación Química, Departamento de Graduados de Materiales Químicos, Instituto de Información Plástica y Materiales Energéticos, Universidad Nacional de Pusan, Busandaehakro 63-2, Busan, 46241, República de Corea

Sajal Chakraborty, Ho-Yeol Park y Sung Il Ahn

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SA diseñó los experimentos. SA, SC y H.-Y. Park realizó los experimentos y analizó los datos. Todos los autores redactaron y discutieron los resultados y comentaron el manuscrito.

Correspondencia a Sung Il Ahn.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Chakraborty, S., Park, HY. & Ahn, SI Patrones láser de cobre en un sustrato flexible utilizando una impresora 3D rentable. Informe científico 12, 21149 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25778-y

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Recibido: 02 Agosto 2022

Aceptado: 05 diciembre 2022

Publicado: 07 diciembre 2022

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

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