하이브리드 멀티

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2513(2023) 이 기사 인용

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낮은 입자 간 연결성과 열등한 인쇄 품질로 인해 발생하는 마이크로전자 장치의 제한된 전기적 성능은 여전히 ​​에어로졸 제트 인쇄(AJP) 기술이 극복해야 할 가장 큰 장애물입니다. 탄소 나노튜브(CNT)와 특정 용매를 기능성 잉크에 통합하면 입자 간 연결성과 잉크 인쇄성을 각각 향상시킬 수 있음에도 불구하고 혼합물 설계에서 여러 가지 상충되는 특성을 동시에 고려하는 것은 여전히 ​​​​어려운 일입니다. 본 연구에서는 낮은 전기 저항률과 높은 인쇄 라인 품질을 달성하기 위한 최적의 기능성 잉크 구성을 결정하기 위한 새로운 하이브리드 다목적 최적화 방법을 제안합니다. 제안된 접근 방식에서는 혼합 설계에 따라 은 잉크, CNT 잉크 및 에탄올을 혼합하고 분산 분석을 기반으로 두 가지 반응 표면 모델(ReSM)을 개발했습니다. 그런 다음 바람직함 함수 방법을 사용하여 상충되는 반응의 균형을 맞추기 위해 2D 최적의 작동 재료 창을 식별합니다. 그 후, 비지배 정렬 유전 알고리즘 III(NSGA-III)과 개발된 ReSM 및 해당 통계적 불확실성의 통합을 통해 상충되는 목표가 3D 혼합 설계 공간에서 보다 강력한 방식으로 최적화됩니다. AJP 기술에서 다중 구성요소 및 다중 속성을 갖는 재료 설계 방법론을 확장하는 제안된 접근 방식의 효율성을 검증하기 위해 실험이 수행됩니다.

에어로졸 제트 프린팅(AJP)은 고해상도의 유연한 마이크로 전자 장치1,2를 제작하는 혁신적인 3차원(3D) 프린팅 기술로 떠오르고 있습니다. 에칭, 포토리소그래피, 전기 도금3과 같은 기존 제조 기술과 비교하여 AJP는 화학 폐기물을 크게 줄이고 제조 공정을 단순화하는 동시에4 제조 비용을 낮출 수 있습니다5. 따라서 첨단 마이크로전자 부품6,7,8을 제조하기 위해 전자 제조 산업에서 널리 채택되었습니다. 그러나 AJP의 상대적으로 높은 인쇄 라인 저항으로 인해 AJP에서 생산한 마이크로 전자 장치의 전기적 성능은 제한적입니다. 예를 들어 온도/변형 측정을 위한 인쇄 저항 센서의 낮은 감도/게이지 계수로 인해 넓은 범위가 제한됩니다. AJP 기술을 적용한 것입니다. 이는 입상 경계 및 구조적 결함과 같은 증착된 나노입자 구조의 틈과 결함 때문입니다9. 결과적으로, 금속 나노입자 사이의 연결성이 심각하게 손상되고, 인쇄된 금속 라인은 벌크 금속 재료에 비해 상대적으로 높은 전기 저항을 나타내어 인쇄 전자 장치의 전기적 성능을 크게 저하시킵니다. 소결 조건(온도 및 기술)을 최적화하면 인쇄 라인의 표면 형태를 개선하여 벌크 은 저항의 2배 미만 저항을 달성할 수 있음에도 불구하고10,11 연결성을 향상하여 인쇄 라인의 저항을 줄이는 것도 중요합니다. 프린팅 후 공정 전 나노입자 구조에서 게다가, 기능성 잉크의 낮은 잉크 인쇄성은 프린트 헤드 내에서 비평형 공기 역학적 상호 작용을 유도하는 경향이 있기 때문에 전도성 라인은 열악한 형태학적 특징으로 인쇄되어 생산된 전자 장치의 전기적 성능을 더욱 저하시킵니다.

극단적인 종횡비로 인해 탄소 나노튜브(CNT)는 인쇄된 전도성 라인의 결함/입상 경계를 연결하는 브리지로서의 이점을 보여줍니다. 이는 형성된 입자와 열팽창 계수 사이의 전기 접촉을 개선하여 인쇄 전자 장치의 전도성을 향상시킵니다. 인쇄된 패턴과 기판 사이14. 따라서 CNT를 나노입자 기능성 잉크에 통합하여 우수한 입자 간 연결성을 제공하고 에어로졸 제트 인쇄 전자 부품의 전기적 특성을 향상시키는 방법에 대한 다양한 연구가 있었습니다. 전기적 특성을 향상시키는 것 외에도 인쇄된 필름의 주문형 전도성 기능은 맞춤화되고 제어 가능한 CNT 로딩을 기반으로 달성될 수 있습니다. 그러나 CNT의 전도성은 금속 나노입자 기능성 잉크보다 상대적으로 낮기 때문에 전도성 강화 필러로서의 CNT의 성능은 퍼콜레이션 수준과 비교한 상대 농도에 따라 달라집니다. 따라서 전도성 향상을 위해 CNT와 나노입자 기능성 잉크 사이의 상대적 조성을 최적화하는 추가 연구가 필요합니다. 한편, 증착 라인은 에어로졸 제트 인쇄 전자 부품의 기본 요소이므로 인쇄 라인 품질을 최적화하기 위해 다양한 기계 학습 방법과 경험적 접근 방식이 채택되었으며 이는 획득된 전기 성능에 도움이 될 것입니다. 이러한 연구가 특정 측면에서 AJP 기술의 적용을 촉진하는 데 도움이 됨에도 불구하고 인쇄 라인 전도도와 인쇄 품질을 동시에 최적화하여 전반적인 전기 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있습니다.