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여기서 우리는 미세한 지형적 특징을 가진 금속 표면에 갈륨 기반 액체 금속 합금의 흡수 유발, 자발적 및 선택적 습윤 특성을 보여줍니다.갈륨 기반 액체 금속 합금은 엄청난 표면 장력을 지닌 놀라운 소재입니다.따라서, 이들을 얇은 필름으로 형성하는 것은 어렵다.갈륨과 인듐 공융 합금의 완전한 습윤은 HCl 증기 존재 하에 미세구조 구리 표면에서 달성되었으며, 이로 인해 액체 금속 합금에서 천연 산화물이 제거되었습니다.이러한 습윤은 Wenzel 모델과 삼투 과정을 기반으로 수치적으로 설명되며, 이는 미세 구조 크기가 액체 금속의 효율적인 삼투 유도 습윤에 중요하다는 것을 보여줍니다.또한, 우리는 액체 금속의 자발적인 습윤이 금속 표면의 미세 구조 영역을 따라 선택적으로 지시되어 패턴을 생성할 수 있음을 보여줍니다.이 간단한 공정은 외력이나 복잡한 조작 없이 넓은 면적에 액체 금속을 균일하게 코팅하고 성형합니다.우리는 액체 금속 패턴 기판이 늘어나거나 반복적인 스트레칭 주기 후에도 전기 연결을 유지한다는 것을 입증했습니다.
갈륨 기반 액체 금속 합금(GaLM)은 낮은 융점, 높은 전기 전도도, 낮은 점도 및 흐름, 낮은 독성 및 높은 변형성과 같은 매력적인 특성으로 인해 많은 주목을 받았습니다.순수한 갈륨의 융점은 약 30°C이며, In 및 Sn과 같은 일부 금속과 공융 조성으로 융합되면 융점은 실온보다 낮습니다.두 가지 중요한 GaLM은 갈륨 인듐 공융 합금(EGaIn, 75% Ga 및 25% In, 융점: 15.5°C)과 갈륨 인듐 주석 공융 합금(GaInSn 또는 galinstan, 68.5% Ga, 21.5% In, 10)입니다. 주석 %, 녹는점: ~11°C)1.2.액체 상태의 전기 전도성으로 인해 GaLM은 전자3,4,5,6,7,8,9 변형 또는 곡선 센서 10, 11, 12를 비롯한 다양한 응용 분야에서 인장 또는 변형 가능한 전자 경로로 적극적으로 연구되고 있습니다. , 13, 14 및 리드 15, 16, 17. GaLM의 증착, 인쇄 및 패터닝을 통해 이러한 장치를 제조하려면 GaLM 및 기본 기판의 계면 특성에 대한 지식과 제어가 필요합니다.GaLM은 높은 표면 장력(EGaIn18,19의 경우 624mNm-1, Galinstan20,21의 경우 534mNm-1)을 가지므로 취급이나 조작이 어려울 수 있습니다.주변 조건에서 GaLM 표면에 천연 갈륨 산화물의 단단한 껍질이 형성되면 GaLM을 비구형 형태로 안정화시키는 껍질이 제공됩니다.이 특성을 통해 GaLM을 인쇄하고, 마이크로채널에 이식하고, 산화물에 의해 달성된 계면 안정성으로 패턴화할 수 있습니다.또한 경질 산화물 껍질은 GaLM이 대부분의 매끄러운 표면에 접착되도록 허용하지만 점도가 낮은 금속이 자유롭게 흐르는 것을 방지합니다.대부분의 표면에서 GaLM을 전파하려면 산화물 껍질을 깨는 힘이 필요합니다.
산화물 껍질은 예를 들어 강산이나 염기를 사용하여 제거할 수 있습니다.산화물이 없는 경우 GaLM은 표면 장력이 크기 때문에 거의 모든 표면에 방울을 형성하지만 예외도 있습니다. GaLM은 금속 기판을 적십니다.Ga는 "반응성 습윤"이라고 알려진 과정을 통해 다른 금속과 금속 결합을 형성합니다.이러한 반응성 습윤은 종종 금속 간 접촉을 촉진하기 위해 표면 산화물이 없는 상태에서 검사됩니다.그러나 GaLM의 자연 산화물이 있더라도 산화물이 매끄러운 금속 표면과의 접촉에서 파손될 때 금속 간 접촉이 형성되는 것으로 보고되었습니다.반응성 습윤은 접촉각이 낮고 대부분의 금속 기판의 습윤이 양호합니다.
현재까지 GaLM 패턴을 형성하기 위해 GaLM과 금속의 반응성 습윤의 유리한 특성을 사용하는 방법에 대한 많은 연구가 수행되었습니다.예를 들어, GaLM은 스미어링, 롤링, 스프레이 또는 섀도우 마스킹을 통해 패턴화된 고체 금속 트랙에 적용되었습니다. 단단한 금속에 GaLM을 선택적으로 적시면 GaLM이 안정적이고 잘 정의된 패턴을 형성할 수 있습니다.그러나 GaLM의 높은 표면 장력은 금속 기판 위에서도 매우 균일한 박막 형성을 방해합니다.이 문제를 해결하기 위해 Lacour et al.금 코팅된 미세 구조 기판에 순수 갈륨을 증발시켜 넓은 영역에 걸쳐 매끄럽고 평평한 GaLM 박막을 생산하는 방법을 보고했습니다.이 방법은 진공 증착이 필요하며 이는 매우 느립니다.또한 GaLM은 취성 가능성으로 인해 일반적으로 이러한 장치에 허용되지 않습니다.증발은 또한 기판에 재료를 증착하므로 패턴을 생성하려면 패턴이 필요합니다.우리는 자연 산화물이 없는 상태에서 GaLM이 자발적이고 선택적으로 젖는 지형적 금속 특징을 설계하여 매끄러운 GaLM 필름과 패턴을 만드는 방법을 찾고 있습니다.여기에서는 포토리소그래피 구조의 금속 기판에 대한 고유한 습윤 거동을 사용하여 무산화물 EGaIn(일반적인 GaLM)의 자발적인 선택적 습윤을 보고합니다.우리는 흡수를 연구하기 위해 마이크로 수준에서 포토리소그래피로 정의된 표면 구조를 생성하여 산화물이 없는 액체 금속의 습윤을 제어합니다.미세 구조 금속 표면에서 EGaIn의 향상된 습윤 특성은 Wenzel 모델과 함침 공정을 기반으로 한 수치 분석을 통해 설명됩니다.마지막으로, 우리는 미세 구조 금속 증착 표면에서 자가 흡수, 자발적이고 선택적인 습윤을 통해 EGaIn의 대면적 증착 및 패터닝을 보여줍니다.EGaIn 구조를 통합한 인장 전극과 스트레인 게이지가 잠재적인 응용 분야로 제시됩니다.
흡수는 액체가 질감이 있는 표면(41)에 침입하여 액체의 확산을 촉진하는 모세관 수송입니다.우리는 HCl 증기에 증착된 금속 미세 구조 표면에서 EGaIn의 습윤 거동을 조사했습니다(그림 1).구리는 기본 표면의 금속으로 선택되었습니다. 평평한 구리 표면에서 EGaIn은 반응성 습윤으로 인해 HCl 증기가 있는 경우 <20°의 낮은 접촉각을 나타냈습니다(보조 그림 1). 평평한 구리 표면에서 EGaIn은 반응성 습윤으로 인해 HCl 증기가 있는 경우 <20°의 낮은 접촉각을 나타냈습니다(보조 그림 1). На плоских поверхностях EGaIn показал низкий краевой угол <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания31 (доп олнительный рисунок 1). 평평한 구리 표면에서 EGaIn은 반응성 습윤으로 인해 HCl 증기가 있는 경우 20° 미만의 낮은 접촉각을 나타냈습니다(보충 그림 1).에서 平坦 的铜表上，由于反应润湿，EGaIn 은 HCl에서 蒸气的情况下显示出<20° 低接触角31（补充图1）.平坦의 铜表면 위에, 由于反应润湿, EGaIn에서 HCl이 있습니다. На плоских медных поверхностях EGaIn демонстрирует низкие краевые углы <20 ° в присутствии паров HCl из-за реактивного смачивания (дополнительный рисунок 1). 평평한 구리 표면에서 EGaIn은 반응성 습윤으로 인해 HCl 증기가 있는 경우 낮은 <20° 접촉각을 나타냅니다(보조 그림 1).우리는 벌크 구리와 폴리디메틸실록산(PDMS)에 증착된 구리 필름에서 EGaIn의 가까운 접촉각을 측정했습니다.
a 기둥형(D(직경) = l(거리) = 25μm, d(기둥 사이의 거리) = 50μm, H(높이) = 25μm) 및 피라미드형(폭 = 25μm, 높이 = 18μm) Cu의 미세 구조 /PDMS 기판.b 평평한 기판 (미세 구조 없음)과 구리 코팅 PDMS가 포함 된 기둥 및 피라미드 배열의 접촉각의 시간에 따른 변화.c, d HCl 증기가 있는 상태에서 기둥이 있는 표면에 습윤된 EGaIn의 (c) 측면도 및 (d) 평면도의 간격 기록.
습윤에 대한 지형의 영향을 평가하기 위해 구리가 티타늄 접착층으로 증착된 원주형 및 피라미드형 패턴을 가진 PDMS 기판을 준비했습니다(그림 1a).PDMS 기판의 미세구조 표면은 구리로 컨포멀하게 코팅된 것으로 나타났습니다(보조 그림 2).패턴화되고 평면 구리 스퍼터링된 PDMS(Cu/PDMS)에서 EGaIn의 시간에 따른 접촉각이 그림 1과 2에 나와 있습니다.1b.패턴화된 구리/PDMS에서 EGaIn의 접촉각은 ~1분 이내에 0°로 떨어집니다.EGaIn 미세구조의 향상된 습윤성은 Wenzel 방정식\({{{{\rm{cos}}}}}}\,{\theta}_{{rough}}=r\,{{ { {{ \rm{ cos}}}}}}\,{\theta}_{0}\), 여기서 \({\theta}_{{거친}}\)는 거친 표면의 접촉각을 나타내고, \(r \) 표면 거칠기(= 실제 면적/겉보기 면적) 및 평면 접촉각 \({\theta}_{0}\).패턴화된 표면에서 EGaIn의 향상된 습윤 결과는 Wenzel 모델과 잘 일치합니다. 왜냐하면 후면 및 피라미드형 패턴 표면에 대한 r 값이 각각 1.78 및 1.73이기 때문입니다.이는 또한 패턴화된 표면에 위치한 EGaIn 드롭이 기본 릴리프의 홈에 침투한다는 것을 의미합니다.구조화되지 않은 표면에 EGaIn을 사용하는 경우(보충 그림 1)와 달리 이 경우 매우 균일한 평면 필름이 형성된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.
그림에서.1c, d(보충 영화 1) 30초 후에 겉보기 접촉각이 0°에 가까워짐에 따라 EGaIn은 흡수로 인해 방울 가장자리에서 더 멀리 확산되기 시작하는 것을 볼 수 있습니다(보충 영화 2 및 보충) 그림 3).평평한 표면에 대한 이전 연구에서는 반응성 습윤의 시간 규모를 관성 습윤에서 점성 습윤으로의 전환과 연관시켰습니다.지형의 크기는 자흡수 발생 여부를 결정하는 핵심 요소 중 하나입니다.열역학적 관점에서 흡수 전후의 표면 에너지를 비교함으로써 흡수의 임계 접촉각 \({\theta}_{c}\)이 도출되었습니다(자세한 내용은 보충 토론 참조).결과 \({\theta}_{c}\)는 \({{{({\rm{cos))))))\,{\theta}_{c}=(1-{\ phi } _{S})/(r-{\phi}_{S})\) 여기서 \({\phi}_{s}\)는 게시물 상단의 분수 영역을 나타내고 \(r\ )는 표면 거칠기를 나타냅니다. 흡수는 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), 즉 평평한 표면의 접촉각일 때 발생할 수 있습니다. 흡수는 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), 즉 평평한 표면의 접촉각일 때 발생할 수 있습니다. Впитывание может происходить, когда \ ({\ theta } _ {c} \) > \ ({\ theta } _ {0} \), т.е.контактный угол на плоской поверхности. \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\), 즉 평평한 표면의 접촉각일 때 흡수가 발생할 수 있습니다.当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平side上的接触角时，会发生吸吸。当\({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)，即平side上的接触角时，会发生吸吸。 Всасывание происходит, когда \ ({\ theta} _ {c} \) > \ ({\ theta} _ {0} \), контактный угол на плоскости. 평면상의 접촉각 \({\theta }_{c}\) > \({\theta }_{0}\)일 때 흡입이 발생합니다.사후 패턴화된 표면의 경우 \(r\) 및 \({\phi}_{s}\)는 \(1+\{(2\pi {RH})/{d}^{2} \로 계산됩니다. } \ ) 및 \(\pi {R}^{2}/{d}^{2}\). 여기서 \(R\)은 열 반경을 나타내고 \(H\)는 열 높이를 나타내며 \ ( d\)는 두 기둥의 중심 사이의 거리입니다(그림 1a).그림의 사후 구조화된 표면의 경우.1a에서 각도 \({\theta}_{c}\)는 60°이며 이는 HCl 증기 산화물이 없는 EGaIn의 \({\theta}_{0}\) 평면(~25°)보다 큽니다. Cu/PDMS에서.따라서 EGaIn 액적은 흡수로 인해 그림 1a의 구조화된 구리 증착 표면에 쉽게 침입할 수 있습니다.
EGaIn의 습윤 및 흡수에 대한 패턴의 지형적 크기의 영향을 조사하기 위해 구리 코팅 기둥의 크기를 다양하게 변경했습니다.그림에.도 2는 이들 기판에서의 EGaIn의 접촉각 및 흡수를 보여준다.기둥 사이의 거리 l은 기둥 D의 직경과 동일하며 범위는 25~200μm입니다.25μm의 높이는 모든 컬럼에서 일정합니다.\({\theta}_{c}\)는 컬럼 크기가 증가함에 따라 감소합니다(표 1). 이는 더 큰 컬럼이 있는 기판에서 흡수 가능성이 적음을 의미합니다.테스트한 모든 크기에서 \({\theta}_{c}\)는 \({\theta}_{0}\)보다 크며 심지가 예상됩니다.그러나 l과 D가 200μm인 사후 패턴 표면에서는 흡수가 거의 관찰되지 않습니다(그림 2e).
HCl 증기에 노출된 후 다양한 크기의 기둥이 있는 Cu/PDMS 표면의 EGaIn의 시간에 따른 접촉각.b – e EGaIn 습윤의 상단 및 측면도.b D = l = 25μm, r = 1.78.D = l = 50μm, r = 1.39.dD = l = 100μm, r = 1.20.eD = l = 200μm, r = 1.10.모든 포스트의 높이는 25μm입니다.이 이미지는 HCl 증기에 노출된 후 최소 15분 후에 촬영되었습니다.EGaIn의 물방울은 산화갈륨과 HCl 증기 사이의 반응으로 인해 생성된 물입니다.(b – e)의 모든 눈금 막대는 2mm입니다.
액체 흡수 가능성을 결정하는 또 다른 기준은 패턴이 적용된 후 표면에 액체가 고정되는 것입니다.Kurbinet al.(1) 포스트가 충분히 높으면 물방울이 패턴 표면에 흡수될 것이라고 보고되었습니다.(2) 기둥 사이의 거리가 다소 작습니다.(3) 표면에 있는 액체의 접촉각은 충분히 작다.수치적으로 동일한 기판 재료를 포함하는 평면에 있는 유체의 \({\theta}_{0}\)는 고정을 위한 임계 접촉각, \({\theta}_{c,{pin)) }보다 작아야 합니다. \ ), 기둥 사이에 고정하지 않고 흡수하기 위해 \({\theta}_{c,{pin}}={{{{{\rm{arctan}}}}}}(H/\big \{ ( \ sqrt {2}-1)l\big\})\)(자세한 내용은 추가 논의 참조).\({\theta}_{c,{pin}}\)의 값은 핀 크기에 따라 달라집니다(표 1).흡수가 발생하는지 판단하기 위해 무차원 매개변수 L = l/H를 결정합니다.흡수를 위해서는 L이 임계값 표준 \({L}_{c}\) = 1/\(\big\{\big(\sqrt{2}-1\big){{\tan}보다 작아야 합니다. } { \ 세타}_{{0}}\대형\}\).구리 기판의 EGaIn \(({\theta}_{0}={25}^{\circ})\)의 경우 \({L}_{c}\)는 5.2입니다.200μm의 L 열은 8로 \({L}_{c}\) 값보다 크기 때문에 EGaIn 흡수가 일어나지 않습니다.기하학의 효과를 추가로 테스트하기 위해 다양한 H 및 l 의 자체 프라이밍을 관찰했습니다 (보충 그림 5 및 보충 표 1).결과는 우리의 계산과 잘 일치합니다.따라서 L은 흡수를 효과적으로 예측하는 것으로 밝혀졌습니다.기둥의 높이에 비해 기둥 사이의 거리가 상대적으로 큰 경우 고정으로 인해 액체 금속이 흡수를 멈춥니다.
습윤성은 기판의 표면 조성에 따라 결정될 수 있습니다.우리는 기둥과 평면에 Si와 Cu를 공증착하여 EGaIn의 습윤 및 흡수에 대한 표면 조성의 영향을 조사했습니다(보조 그림 6).평평한 구리 함량에서 Si/Cu 이진 표면이 0에서 75%로 증가함에 따라 EGaIn 접촉각은 ~160°에서 ~80°로 감소합니다.75% Cu/25% Si 표면의 경우 \({\theta}_{0}\)는 ~80°이며 이는 위 정의에 따라 0.43과 동일한 \({L}_{c}\)에 해당합니다. .L이 임계값 \({L}_{c}\)보다 큰 1인 열 l = H = 25 μm이기 때문에 패터닝 후 75% Cu/25% Si 표면은 고정화로 인해 흡수되지 않습니다.Si를 첨가하면 EGaIn의 접촉각이 증가하므로 피닝 및 함침을 극복하려면 더 높은 H 또는 더 낮은 l이 필요합니다.따라서 접촉각(즉, \({\theta}_{0}\))은 표면의 화학적 조성에 따라 달라지므로 미세 구조에서 흡수가 발생하는지 여부도 결정할 수 있습니다.
패턴화된 구리/PDMS의 EGaIn 흡수는 액체 금속을 유용한 패턴으로 적실 수 있습니다.흡수를 유발하는 최소 컬럼 라인 수를 평가하기 위해 EGaIn의 습윤 특성을 Cu/PDMS에서 1부터 101까지의 서로 다른 컬럼 라인 번호를 포함하는 포스트 패턴 라인을 사용하여 관찰했습니다(그림 3).습윤은 주로 패터닝 후 영역에서 발생합니다.EGaIn 위킹은 안정적으로 관찰되었으며 열 행 수에 따라 위킹 길이가 증가했습니다.2줄 이하의 기둥이 있는 경우에는 흡수가 거의 발생하지 않습니다.이는 모세혈관 압력이 증가했기 때문일 수 있습니다.기둥 패턴으로 흡수가 발생하려면 EGaIn 헤드의 곡률로 인한 모세관 압력을 극복해야 합니다(보조 그림 7).기둥형 패턴이 있는 단일 행 EGaIn 헤드의 곡률 반경이 12.5μm라고 가정하면 모세관 압력은 ~0.98atm(~740Torr)입니다.이러한 높은 라플라스 압력은 EGaIn 흡수로 인한 젖음을 방지할 수 있습니다.또한 컬럼 행 수가 적을수록 EGaIn과 컬럼 사이의 모세관 현상으로 인한 흡수력이 감소할 수 있습니다.
a 공기 중에서 폭(w)이 다른 패턴을 갖는 구조화된 Cu/PDMS에 EGaIn 방울(HCl 증기에 노출되기 전).상단부터 시작하는 랙 행: 101(w = 5025 µm), 51(w = 2525 µm), 21(w = 1025 µm), 11(w = 525 µm).b 10분 동안 HCl 증기에 노출시킨 후 (a)에서 EGaIn의 방향성 습윤화.c, d 기둥 구조(c) 2행(w = 75μm) 및(d) 1행(w = 25μm)을 갖는 Cu/PDMS에서 EGaIn의 습윤.이 이미지는 HCl 증기에 노출된 지 10분 후에 촬영되었습니다.(a, b)와 (c, d)의 스케일 바는 각각 5mm와 200μm입니다.(c)의 화살표는 흡수로 인한 EGaIn 헤드의 곡률을 나타냅니다.
사후 패턴화된 Cu/PDMS에서 EGaIn의 흡수는 선택적 습윤에 의해 EGaIn이 형성될 수 있게 합니다(그림 4).EGaIn 방울을 패턴화된 영역에 놓고 HCl 증기에 노출시키면 EGaIn 방울이 먼저 붕괴되어 산이 스케일을 제거함에 따라 작은 접촉각을 형성합니다.그 후, 방울의 가장자리부터 흡수가 시작됩니다.대면적 패터닝은 센티미터 규모의 EGaIn에서 달성할 수 있습니다(그림 4a, c).흡수는 지형적 표면에서만 발생하기 때문에 EGaIn은 패턴 영역만 적시고 평평한 표면에 도달하면 젖음을 거의 멈춥니다.결과적으로 EGaIn 패턴의 날카로운 경계가 관찰됩니다(그림 4d, e).그림에.4b는 EGaIn이 구조화되지 않은 영역, 특히 EGaIn 액적이 원래 배치되었던 장소 주변을 어떻게 침범하는지 보여줍니다.이는 본 연구에서 사용된 EGaIn 액적의 최소 직경이 패턴 문자의 폭을 초과했기 때문이다.EGaIn 방울을 27-G 바늘과 주사기를 통해 수동 주입하여 패턴 부위에 배치하여 최소 크기가 1mm인 방울을 만들었습니다.이 문제는 더 작은 EGaIn 액적을 사용하여 해결할 수 있습니다.전반적으로 그림 4는 EGaIn의 자발적인 습윤이 유도되어 미세 구조 표면으로 향할 수 있음을 보여줍니다.이전 작업에 비해 이 습윤 과정은 상대적으로 빠르며 완전한 습윤을 달성하기 위해 외부 힘이 필요하지 않습니다(보충 표 2).
대학의 상징, 번개 모양의 문자 b, c.흡수 영역은 D = l = 25 µm인 기둥 배열로 덮여 있습니다.d, e (c)의 갈비뼈 확대 이미지.(a–c) 및 (d, e)의 스케일 막대는 각각 5mm 및 500μm입니다.(c-e)에서, 흡착 후 표면의 작은 물방울은 산화 갈륨과 HCl 증기 사이의 반응의 결과로 물로 변합니다.습윤에 대한 물 형성의 유의미한 효과는 관찰되지 않았습니다.간단한 건조 과정을 통해 물을 쉽게 제거할 수 있습니다.
EGaIn의 액체 특성으로 인해 EGaIn 코팅 Cu/PDMS(EGaIn/Cu/PDMS)는 유연하고 신축성이 있는 전극에 사용할 수 있습니다.그림 5a는 다양한 부하 하에서 원래 Cu/PDMS와 EGaIn/Cu/PDMS의 저항 변화를 비교합니다.Cu/PDMS의 저항은 장력이 가해지면 급격하게 증가하는 반면, EGaIn/Cu/PDMS의 저항은 장력이 가해지면 낮게 유지됩니다.그림에.그림 5b와 d는 전압 인가 전후의 원시 Cu/PDMS 및 EGaIn/Cu/PDMS의 SEM 이미지와 해당 EMF 데이터를 보여줍니다.온전한 Cu/PDMS의 경우 변형은 탄성 불일치로 인해 PDMS에 증착된 단단한 Cu 필름에 균열을 일으킬 수 있습니다.대조적으로, EGaIn/Cu/PDMS의 경우 EGaIn은 여전히 ​​Cu/PDMS 기판을 잘 코팅하고 변형이 가해진 후에도 균열이나 심각한 변형 없이 전기적 연속성을 유지합니다.EDS 데이터는 EGaIn의 갈륨과 인듐이 Cu/PDMS 기판에 고르게 분포되어 있음을 확인했습니다.EGaIn 필름의 두께가 기둥의 높이와 동일하고 비슷하다는 점은 주목할 만합니다. 이는 또한 EGaIn 필름의 두께와 포스트 높이의 상대적인 차이가 <10%인 추가 지형 분석을 통해 확인됩니다(보조 그림 8 및 표 3). 이는 또한 EGaIn 필름의 두께와 포스트 높이의 상대적인 차이가 <10%인 추가 지형 분석을 통해 확인됩니다(보조 그림 8 및 표 3). 이 문서는 дальнейшим топографическим анализом, где относительная разница между toлЂной пленки EGaIn 및 высото й столба составляет <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). 이는 또한 EGaIn 필름 두께와 컬럼 높이 사이의 상대적인 차이가 <10%인 추가 지형 분석을 통해 확인됩니다(보조 그림 8 및 표 3).进一步貌分析也证实了这一点, 其中EGaIn 薄膜厚島与柱子 高實对差异<10% (补充图8 및 表3). <10% 이 문서는 топографическим анализом, где относительная разница между tолчиной пленки EGaIn 및 выс отой столба составляла <10% (дополнительный рис. 8 и таблица 3). 이는 또한 EGaIn 필름 두께와 컬럼 높이 사이의 상대적인 차이가 <10%인 추가 지형 분석을 통해 확인되었습니다(보조 그림 8 및 표 3).이러한 흡수 기반 습윤을 통해 EGaIn 코팅의 두께를 잘 제어하고 넓은 영역에서 안정적으로 유지할 수 있습니다. 이는 액체 특성으로 인해 어려운 일입니다.그림 5c와 e는 원래 Cu/PDMS와 EGaIn/Cu/PDMS의 변형에 대한 전도성과 저항을 비교합니다.데모에서는 접촉되지 않은 Cu/PDMS 또는 EGaIn/Cu/PDMS 전극에 연결되면 LED가 켜졌습니다.온전한 Cu/PDMS가 늘어나면 LED가 꺼집니다.그러나 EGaIn/Cu/PDMS 전극은 부하가 걸린 상태에서도 전기적으로 연결된 상태를 유지했으며 증가된 전극 저항으로 인해 LED 조명이 약간 어두워졌습니다.
a 정규화된 저항은 Cu/PDMS 및 EGaIn/Cu/PDMS의 부하가 증가함에 따라 변경됩니다.b, d (b) Cu/PDMS 및 (d) EGaIn/Cu/메틸실록산에 로드된 폴리디플렉스 이전(위) 및 이후(아래) SEM 이미지 및 에너지 분산형 X선 분광법(EDS) 분석.c, e LED는 (c) Cu/PDMS 및 (e) EGaIn/Cu/PDMS에 부착된 LED 전(상단) 및 후(하단) 스트레칭(~30% 응력)입니다.(b)와 (d)의 눈금 막대는 50μm입니다.
그림에.도 6a는 0%에서 70%까지 변형률의 함수로서 EGaIn/Cu/PDMS의 저항을 보여줍니다.저항의 증가 및 회복은 변형에 비례하며, 이는 비압축성 재료에 대한 푸이레의 법칙(R/R0 = (1 + ε)2)과 잘 일치합니다. 여기서 R은 저항, R0은 초기 저항, ε은 변형률 43입니다. 다른 연구에서는 신장될 때 액체 매질의 고체 입자가 스스로 재배열되고 더 나은 응집력으로 더욱 균일하게 분포되어 항력의 증가가 감소하는 것으로 나타났습니다43,44. 그러나 이 연구에서는 Cu 필름의 두께가 100nm에 불과하기 때문에 도체는 부피 기준으로 99%가 넘는 액체 금속입니다. 그러나 이 연구에서는 Cu 필름의 두께가 100nm에 불과하기 때문에 도체는 부피 기준으로 99%가 넘는 액체 금속입니다. Однако в этой работе проводник состоит из >99% жидкого металла по объему, так как пленки Cu имеѕт толчину всего 100 nm. 그러나 이 연구에서 도체는 Cu 필름의 두께가 100 nm에 불과하기 때문에 부피 기준으로 99%가 넘는 액체 금속으로 구성됩니다.然而, 由于Cu 薄膜只는 100 nm 厚,因此导体是>99% 液态金属(按体积计)입니다.然而,현재这项工작중,由于Cu 薄膜只유100 nm 厚,因此导体是>99%그러나 이 연구에서는 Cu 필름의 두께가 100 nm에 불과하기 때문에 도체는 99% 이상의 액체 금속(부피 기준)으로 구성됩니다.따라서 우리는 Cu가 도체의 전기기계적 특성에 크게 기여할 것으로 기대하지 않습니다.
0~70% 범위의 변형률에 대한 EGaIn/Cu/PDMS 저항의 표준화된 변화.PDMS가 파손되기 전에 도달한 최대 응력은 70%였습니다(보조 그림 9).빨간색 점은 푸에트의 법칙에 의해 예측된 이론값입니다.b 반복적인 신장-신장 주기 동안 EGaIn/Cu/PDMS 전도도 안정성 테스트.순환 테스트에는 30% 변형률이 사용되었습니다.삽입된 눈금 막대는 0.5cm입니다.L은 신장 전 EGaIn/Cu/PDMS의 초기 길이입니다.
측정 계수(GF)는 센서의 감도를 나타내며 변형률 변화에 대한 저항 변화의 비율로 정의됩니다45.GF는 금속의 기하학적 변화로 인해 10% 변형률에서 1.7에서 70% 변형률에서 2.6으로 증가했습니다.다른 스트레인 게이지와 비교하여 GF EGaIn/Cu/PDMS 값은 중간 정도입니다.센서로서 GF가 특별히 높지는 않더라도 EGaIn/Cu/PDMS는 낮은 신호 대 잡음비 부하에 응답하여 강력한 저항 변화를 나타냅니다.EGaIn/Cu/PDMS의 전도도 안정성을 평가하기 위해 30% 변형률에서 반복적인 신장-신장 사이클 동안 전기 저항을 모니터링했습니다.그림과 같이.도 6b를 참조하면, 4000회 연신 후에도 저항값은 10% 이내로 유지되는데, 이는 반복되는 연신 주기 동안 스케일이 지속적으로 형성되었기 때문일 수 있다46.이로써, 신축성 전극으로서의 EGaIn/Cu/PDMS의 장기간 전기적 안정성과 스트레인 게이지로서의 신호의 신뢰성이 확인되었다.
이 기사에서는 침투로 인해 미세구조 금속 표면에서 GaLM의 향상된 습윤 특성에 대해 논의합니다.EGaIn의 자발적인 완전 습윤은 HCl 증기 존재 하에서 원주형 및 피라미드형 금속 표면에서 달성되었습니다.이는 Wenzel 모델과 흡상 유발 습윤에 필요한 사후 미세구조의 크기를 보여주는 흡상 과정을 기반으로 수치적으로 설명할 수 있습니다.미세구조 금속 표면에 따라 EGaIn의 자발적이고 선택적인 습윤화를 통해 넓은 영역에 균일한 코팅을 적용하고 액체 금속 패턴을 형성할 수 있습니다.EGaIn 코팅 Cu/PDMS 기판은 SEM, EDS 및 전기 저항 측정을 통해 확인된 바와 같이 신장된 경우와 반복된 신장 사이클 후에도 전기 연결을 유지합니다.또한, EGaIn으로 코팅된 Cu/PDMS의 전기 저항은 적용된 스트레인에 비례하여 가역적이고 안정적으로 변경되며 이는 스트레인 센서로서의 잠재적인 응용을 나타냅니다.흡수로 인한 액체 금속 습윤 원리에 의해 제공되는 가능한 이점은 다음과 같습니다. (1) 외력 없이 GaLM 코팅 및 패터닝을 달성할 수 있습니다.(2) 구리 코팅된 미세구조 표면의 GaLM 습윤은 열역학적입니다.생성된 GaLM 필름은 변형 중에도 안정적입니다.(3) 구리 코팅 기둥의 높이를 변경하면 두께가 조절된 GaLM 필름을 형성할 수 있습니다.또한 이 접근법은 기둥이 필름의 일부를 차지하므로 필름을 형성하는 데 필요한 GaLM의 양을 줄입니다.예를 들어, 직경 200μm(기둥 사이의 거리 25μm)의 기둥 배열이 도입되면 필름 형성에 필요한 GaLM의 부피(~9μm3/μm2)는 없는 필름 부피와 비슷합니다. 기둥.(25μm3/μm2).그러나 이 경우 푸에트의 법칙에 따라 추정한 이론적 저항도 9배 증가한다는 점을 고려해야 한다.전반적으로, 이 기사에서 논의된 액체 금속의 고유한 습윤 특성은 신축성 있는 전자 장치 및 기타 새로운 응용 분야를 위해 다양한 기판에 액체 금속을 증착하는 효율적인 방법을 제공합니다.
PDMS 기판은 인장 시험을 위해 Sylgard 184 매트릭스(Dow Corning, USA)와 경화제를 10:1과 15:1의 비율로 혼합한 후 60°C 오븐에서 경화하여 준비되었습니다.맞춤형 스퍼터링 시스템을 사용하여 구리 또는 실리콘을 실리콘 웨이퍼(대한민국 남강하이테크놀러지주식회사의 실리콘 웨이퍼)와 10nm 두께의 티타늄 접착층이 있는 PDMS 기판에 증착했습니다.기둥형 및 피라미드형 구조는 실리콘 웨이퍼 포토리소그래피 공정을 사용하여 PDMS 기판에 증착됩니다.피라미드 패턴의 너비와 높이는 각각 25μm와 18μm입니다.바 패턴의 높이는 25μm, 10μm, 1μm로 고정되었고, 직경과 피치는 25~200μm로 다양했다.
EGaIn(갈륨 75.5%/인듐 24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 대한민국)의 접촉각은 액적 분석기(DSA100S, KRUSS, 독일)를 사용하여 측정되었습니다. EGaIn(갈륨 75.5%/인듐 24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 대한민국)의 접촉각은 액적 분석기(DSA100S, KRUSS, 독일)를 사용하여 측정되었습니다. Краевой угол EGaIn (Gaллий 75,5 %/индий 24,5 %, >99,99 %, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помочье каплевидного анализатора (DSA10 0S, 크루스, 독일). EGaIn(갈륨 75.5%/인듐 24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 대한민국)의 가장자리 각도는 액적 분석기(DSA100S, KRUSS, 독일)를 사용하여 측정되었습니다. EGaIn（镓75.5%/铟24.5%，>99.99%，Sigma Aldrich，大韩民國）的接触角使用滴형分析仪（DSA100S，KRUSS，德國）测weight。 EGaIn(gallium75.5%/indium24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 大韩民國)은 접촉분석기(DSA100S, KRUSS, Germany)를 이용하여 측정하였다. Краевой угол EGaIn(갤러리 75,5%/인디이 24,5%, >99,99%, Sigma Aldrich, Республика Корея) измеряли с помочье анализатора формы капли(DSA100 S, KRUSS, 독일). EGaIn(갈륨 75.5%/인듐 24.5%, >99.99%, Sigma Aldrich, 대한민국)의 모서리 각도는 Shape Cap 분석기(DSA100S, KRUSS, Germany)를 사용하여 측정되었습니다.기판을 5cm × 5cm × 5cm 유리 챔버에 놓고 직경 0.5mm 주사기를 사용하여 EGaIn 4-5μl 방울을 기판 위에 놓습니다.HCl 증기 매질을 생성하기 위해 20 μL의 HCl 용액(37 중량%, 삼전화학, 대한민국)을 기판 옆에 놓고 10초 내에 챔버를 채울 만큼 충분히 증발시켰습니다.
표면은 SEM(Tescan Vega 3, Tescan Korea, 대한민국)을 사용하여 이미지화되었습니다.원소 정성 분석 및 분포 연구에는 EDS(Tescan Vega 3, Tescan Korea, 대한민국)를 사용했습니다.EGaIn/Cu/PDMS 표면 지형은 광학 프로파일로미터(The Profilm3D, Filmetrics, USA)를 사용하여 분석되었습니다.
연신 주기 중 전기 전도도의 변화를 조사하기 위해 EGaIn이 포함된 샘플과 포함되지 않은 샘플을 연신 장비(Bending & Stretchable Machine System, SnM, 대한민국)에 고정하고 Keithley 2400 소스 미터에 전기적으로 연결했습니다. 연신 주기 중 전기 전도도의 변화를 조사하기 위해 EGaIn이 포함된 샘플과 포함되지 않은 샘플을 연신 장비(Bending & Stretchable Machine System, SnM, 대한민국)에 고정하고 Keithley 2400 소스 미터에 전기적으로 연결했습니다. Для иследования изменения электропроводности во время циклов rasтяжения образцы с EGaIn 및 без nego закрепляли на оборудован ии для растяжения(Bending & Stretchable Machine System, SnM, Республика Корея) 및 электрически подклучали к измерителу источника Keithley 2400. 연신 주기 중 전기 전도도의 변화를 연구하기 위해 EGaIn이 있거나 없는 샘플을 연신 장비(Bending & Stretchable Machine System, SnM, 대한민국)에 장착하고 Keithley 2400 소스 미터에 전기적으로 연결했습니다.연신 주기 동안 전기 전도도의 변화를 연구하기 위해 EGaIn이 있거나 없는 샘플을 연신 장치(Bending and Stretching Machine Systems, SnM, 대한민국)에 장착하고 Keithley 2400 SourceMeter에 전기적으로 연결했습니다.샘플 변형률의 0%~70% 범위에서 저항 변화를 측정합니다.안정성 테스트를 위해 저항 변화는 4000 30% 변형 주기에 걸쳐 측정되었습니다.
연구 설계에 대한 자세한 내용은 이 기사에 링크된 Nature 연구 초록을 참조하세요.
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Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD 모든 연성 물질 회로를 향하여: 멤리스터 특성을 갖는 준액체 장치의 프로토타입. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD 모든 연성 물질 회로를 향하여: 멤리스터 특성을 갖는 준액체 장치의 프로토타입.Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD 및 Velev, OD 연성 물질로 완전히 구성된 회로: 멤리스터 특성을 갖는 준액체 장치의 프로토타입. Koo, HJ, So, JH, Dickey, MD & Velev, OD 走向전체软物质电路：具有忆阻器特性的准液体设备求型. 구HJ, 소, JH, Dickey, MD & Velev, ODKoo, HJ, So, JH, Dickey, MD 및 Velev, OD 회로 전체 연성 물질을 향하여: 멤리스터 특성을 갖는 준유체 장치의 프로토타입.고급 모교.23, 3559-3564(2011).
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