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Jul 03, 2023

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Scientific Reports volume 13、記事番号: 3914 (2023) この記事を引用 866 アクセス 2 Altmetric Metrics の詳細 液体の流動性と金属伝導性を組み合わせたガリウム - インジウム (Ga-In) 合金

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3914 (2023) この記事を引用

866 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

液体の流動性と金属の導電性を兼ね備えたガリウム - インジウム (Ga-In) 合金は、伸縮性のある電子回路やウェアラブル医療機器などの分野で注目を集めています。 柔軟性が高いため、直接インク書き込み印刷は、Ga-In 合金の印刷にすでに広く採用されています。 現在、空気圧押出が直接インク書き込み印刷の主な方法ですが、Ga-In 合金の酸化皮膜と粘度が低いため、押出後の制御が困難です。 この研究では、微振動駆動の押出成形を利用した Ga-In 合金の直接インク書き込み印刷方法を提案しました。 微振動により Ga-In 合金液滴の表面張力が低下し、印刷中のランダムな液滴の出現が回避されます。 微振動によりノズル先端が酸化皮膜に突き刺さり、成形性の高い小さな液滴を形成します。 適切な微振動パラメータを最適化することで、液滴の成長プロセスが大幅に遅くなります。 そのため、成形性の高いGa-In合金の液滴をノズルに長時間保持することができ、印刷適性が向上します。 さらに、適切なノズル高さと印刷速度を選択することにより、微振動でより良い印刷結果が得られました。 実験結果は、Ga-In 合金の押出制御の点でこの方法の優位性を実証しました。 この方法により、液体金属の印刷適性が向上します。

ガリウムベースの合金は、融点の低い液体金属であり、その独特の物理的特性により、フレキシブルエレクトロニクス 1、2、材料合成 3、4、伸縮性エレクトロニクス 5、6、センサー 7、8 などの分野で一般的に使用されています。 Ga-In合金の成形能力は、3Dプリンティング技術を組み合わせることで向上します。 しかし、Ga-In 合金は空気中で急速に酸化され、粘弾性材料である自然酸化皮膜を形成します9。 酸化皮膜はレオロジー特性を支配し、表面張力を低下させます 10。これが Ga-In 合金の印刷を実現する鍵となります 11。 空気圧押出による Ga-In 合金の 3D プリンティングプロセスでは、酸化皮膜によりノズルに大きな Ga-In 合金液滴が発生し、成形性が低下します12。 そのため、押出プロセスの制御が困難になります。 押し出しの制御が難しいため、Ga-In 合金は印刷プロセス中にランダムなサイズの液滴を生成します。 これらのランダムなサイズの液滴は、印刷構造の解像度 13、14 および導電率 15 の要件に影響を与えます。 したがって、多くの研究者は、ランダムなサイズの液滴の生成を回避する方法を提案してきました。 液体金属の空気圧押出を支援するために 3 つの方法が採用されています。

酸化皮膜を外力で破壊することで印刷を実現します。 Cook et al.16 は、押出圧力を正確に制御することで液滴は押し出されるが落下せず、液滴と基板の間のせん断力を使用して液体金属を基板に付着させることを提案しました。 Ladd ら 17 は、引張力によって酸化皮膜を破壊し、自立型液体金属ワイヤを形成しました。 ただし、外力によって酸化皮膜を破壊する方法では、通常、ノズル高さの正確な制御など、印刷プロセスに対してより高い要件が要求されます。 液体金属のレオロジー特性は、金属材料または非金属材料を組み合わせることで変化し、液体金属が押出後もその形状を維持できるようになりました。 Wu et al.14 は、アルギン酸ナトリウムミクロゲルを混合することにより、巨大な表面張力を低下させ、接着性能を強化した液体ミクロゲルインクを提案しました。 Chan et al.13 は、SiO2 粒子を組み合わせることにより、液体金属の接着特性を改善する、リサイクル可能で可逆的な液体金属ペーストを提案しました。 Daalkhaijav et al.18 によれば、導電性のナノまたはマイクロニッケル材料を液体金属に添加すると、弾性率と降伏応力が向上し、3D プリンティングが可能になるとのことです。 押し出される液体金属の正確な制御の問題は、他の材料を追加することで効果的に解決できますが、追加される材料によって用途も制限されます。 ノズルの機械構造を再設計することで、同軸共押出印刷を実現しました。 連続的で安定した液体金属の流れを得るために、Khondoke et al.19 は、液体金属を熱可塑性エラストマーで包み込み、一緒に押し出すことができる同軸共押出ノズルを開発しました。 Wu et al.20 は、液体金属を安定的かつ効果的に包み込み、押し出すための内部ノズル延長部を備えた同軸ノズルを提案し、これにより多重解像度の液体金属印刷が可能になります。 しかし、この方法では液体金属の液滴を積み重ねて 3D 構造を印刷することはできません。 上記の方法は、液体金属印刷プロセスにおける酸化皮膜の問題を部分的に解決しますが、印刷プロセス、材料、または液体金属形成構造はある程度制限されます。 私たちは、材料やプロセスを限定することなく、酸化皮膜による印刷結果への影響を低減するために、微振動駆動による液体金属押出による3D印刷法を提案しました。 この方法を使用すると、液滴が十分なサイズに拡張しない場合、液滴の酸化皮膜が破壊されます。 この方法は、印刷構造内でのランダムな液滴の発生を効果的に回避します。