Réalisation d'un rapport d'étirement élevé d'un circuit ondulé flexible via la sculpture au laser

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 17745 (2022) Citer cet article

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Le circuit ondulé extensible est un composant essentiel des dispositifs flexibles, qui ont de nombreuses applications dans divers domaines. Dans le domaine industriel, la capacité d'étirement du circuit est un facteur crucial pour les dispositifs flexibles. Par conséquent, cette étude propose une méthode de sculpture au laser pour augmenter à la fois le taux d'étirement et la résolution du dispositif flexible. Les résultats obtenus à partir de l'expérience et de l'analyse par éléments finis vérifient que la gravure au laser sur le circuit ondulé augmente le rapport d'étirement maximal du circuit ondulé. Le modèle analytique obtenu confirme que la gravure au laser génère une section inclinée sur le circuit ondulé et réduit la rigidité en flexion du point courbé du circuit ondulé. L'étude a également vérifié que la rainure découpée au laser induit la propagation des fissures verticalement par rapport à la direction du circuit, de sorte que le circuit ondulé découpé au laser est moins susceptible de se déconnecter que le circuit ondulé non découpé. En raison de la rigidité de flexion réduite et de l'induction de fissures, le circuit ondulé s'étire plus que le circuit ondulé non sculpté conventionnel.

Les dispositifs flexibles ont de nombreuses applications dans les domaines de recherche des dispositifs portables1,2, de la robotique douce3, des biocapteurs4,5 et de la récupération d'énergie6. En revanche, dans le domaine industriel, il n'y a que peu d'applications pratiques ; par exemple, présentoir enroulable/pliable7,8. L'un des matériaux prometteurs pour les dispositifs extensibles est le composite de nanofils métalliques, qui est largement étudié ailleurs9,10,11,12,13,14,15,16,17, mais des problèmes de structure subsistent dans l'amélioration des dispositifs flexibles. L'une des structures représentatives utilisées dans les dispositifs flexibles est la structure en îlot, qui a été suggérée par Rogers et al. La partie rigide de cette structure est située au centre et reliée à un circuit souple 18,19,20,21,22. La partie rigide de cette structure ne contribuant pas à l'étirement de la cellule, la capacité d'étirement du circuit est un facteur crucial pour les dispositifs souples. Diverses structures de circuit telles que le kirigami23,24, l'hélice25 et le froissement26,27,28 ont été développées pour augmenter le rapport d'étirement maximal du circuit ; cependant, la plupart d'entre eux nécessitaient des techniques de fabrication spécialisées pour atteindre la dureté lors de l'adoption de la production de masse 29. La structure ondulée plane, qui est développée par Rogers et al. 30,31,32 est la structure la plus largement utilisée incorporée à la production en série de dispositifs flexibles. Cependant, il y avait aussi un compromis entre le rapport d'étirement et la résolution de l'appareil33.

Pour augmenter à la fois le rapport d'étirement et la résolution du dispositif, une conception de circuit ondulé incliné a été suggérée33 ; cependant, leur méthodologie spécifique pour les adopter avec une production de masse n'a pas encore été suggérée. Dans cette étude, pour augmenter la capacité d'étirement et la résolution de l'appareil, la méthode de sculpture au laser est suggérée pour fabriquer une section inclinée sur un circuit ondulé. Pour vérifier cette étude, les méthodes expérimentales et de simulation ont été introduites avec une analyse mathématique.

Un échantillon de circuit ondulé incliné a été préparé à l'aide de méthodes d'impression 3D (Moment 160) et de gravure au laser. La base du circuit pour la gravure au laser a été préparée en imprimant un échantillon de base ondulé, comme illustré à la Fig. 1a). Pour maximiser l'ablation du laser sur une base imprimée en 3D, un filament d'acide polylactique (PLA) de couleur noire a été utilisé pour l'impression. Le laser a été irradié sur la base du circuit avec leur longueur d'onde réglée sur 365 nm, leur puissance réglée sur 1750 mW et le temps de point dans chaque site réglé sur 10 ms. La section du circuit ondulé a été illustrée à la Fig. 1a). Après la gravure au laser, Au a été déposé sur le circuit ondulé imprimé par pulvérisation ionique (G20, GSEM), et leur épaisseur a été mesurée à 2–5 μm. Le PDMS (Sylgard 184, Dow Corning) a été sélectionné comme matrice entourant le circuit ondulé, et leur rapport de mélange entre le matériau principal et l'agent de durcissement a été fixé de 10 à 1. L'agent de durcissement PDMS initialement mélangé a été placé dans une chambre à vide pour 1 h à − 0,08 MPa à partir de la pression standard pour éliminer les bulles du mélange. L'échantillon de circuit ondulé sculpté au laser a été fabriqué en versant un mélange de PDMS dans un moule imprimé en 3D, comme illustré à la Fig. 1a). L'épaisseur de la matrice PDMS est fixée à 4 mm.

(a) Schéma de fabrication d'un échantillon de circuit ondulé sculpté au laser et (b) test de tension de résistance.

Pour surveiller la déconnexion du circuit Au, la résistance du circuit ondulé a été surveillée ainsi que la tension du circuit, comme illustré à la Fig. 1b). En ce qui concerne le point où la résistance du circuit pointe en tant que point de déconnexion, le rapport d'étirement maximal du circuit ondulé a été mesuré.

COMSOL a été utilisé pour effectuer la méthode des éléments finis afin de dériver l'étirement maximal du circuit ondulé, comme illustré à la Fig. 2. Le solveur creux MUMPS dans COMSOL est choisi pour résoudre le problème inverse. Pour augmenter l'efficacité de la simulation et éviter une erreur jacobienne non positive, l'épaisseur de la couche de circuit a été fixée à 0,4 mm. Pour mesurer l'effet de sculpture au laser sur le rapport d'étirement maximum, la profondeur de sculpture, dc, a été utilisée comme paramètre pour le traitement au laser. Compte tenu de plusieurs splines et couches dans le modèle, un maillage tétraédrique a été utilisé pour la simulation et l'interface entre différentes couches a été définie comme condition de liaison. Compte tenu de la linéarisation, le module et le coefficient de Poisson pour la base du circuit (PLA), la couche métallique (Au) et la matrice (PDMS) ont été définis comme les valeurs du tableau 1. Afin de créer une tension, un côté du circuit (y compris la surface PDMS ) est fixe et le déplacement prescrit a été intégré de l'autre côté du circuit ondulé.

Schéma de modélisation de la méthode des éléments finis pour un circuit ondulé sculpté au laser et des principaux paramètres de simulation \({d}_{c}\), \(w\).

La figure 3a montre l'étendue maximale du circuit ondulé avec différentes profondeurs de sculpture et la largeur du circuit ondulé. Les données de simulation impliquent que l'augmentation de la profondeur de sculpture a l'avantage d'augmenter l'étendue maximale du circuit ondulé dans une certaine mesure ; cependant, les données de simulation impliquent également qu'un excès de gravure au laser réduira l'effet de l'augmentation du rapport d'étirement du circuit ondulé.

(a) Résultat de la simulation pour la contrainte maximale du circuit ondulé sculpté au laser dans différentes profondeurs de sculpture et largeurs de section. (b) Résultat expérimental pour les changements de conductance avec l'étirement du circuit ondulé.

La figure 3b montre le résultat expérimental du changement de conductance dans un circuit ondulé pendant l'étirement. La conductance du circuit ondulé a tendance à chuter lorsque le circuit ondulé atteint le point d'étirement maximum. Les données d'étirement-conductance impliquent que l'étirement maximal du circuit ondulé sculpté au laser présente un meilleur rapport d'étirement que les circuits ondulés plans. Les points de données spécifiques pour la figure 3 sont décrits dans le fichier supplémentaire.

Le tableau 2 montre la résistivité électrique du circuit ondulé et leur longueur d'arc du circuit en coupe du circuit ondulé. Les données impliquent que l'augmentation de la surface de la sculpture au laser augmente la conductivité du circuit ondulé.

La figure 4 compare la propriété de libération de tension cyclique d'un circuit ondulé sculpté avec un circuit non sculpté. L'amplitude du cycle de tension est fixée à 10 %. Lorsqu'une tension est appliquée au circuit, la résistance a tendance à augmenter qui revient à l'état initial de résistance lors de la suppression de la tension.

Changement de résistance dans le circuit ondulé pendant l'étirement cyclique (0,5 Hz, 10 % d'amplitude) (a) sans découpage au laser et (b) avec découpage au laser.

Les données cycliques impliquent que le circuit ondulé sculpté au laser présente un changement de résistance inférieur à celui non sculpté, ce qui implique que le circuit ondulé sculpté au laser est relativement stable par rapport au circuit ondulé plan en condition dynamique.

Les résultats de simulation et expérimentaux indiquent également une augmentation du rapport d'étirement maximal du circuit découpé au laser tout en maintenant une conductivité stable pendant la tension.

La simulation et les résultats expérimentaux impliquent que la procédure de sculpture au laser augmente l'étirement du circuit ondulé. L'analyse des contraintes de la simulation indique que la sculpture au laser réduit la concentration de contraintes dans le point courbé. La diminution de la concentration de contraintes peut être attribuée à la diminution de la rigidité en flexion au point courbé du circuit ondulé. Avec l'induction de la pente dans la section par sculpture au laser et le dépôt du circuit, la flexion du point courbé devient plus facile que celle dans le plan un, ce qui est exprimé dans les équations et la figure 5a, comme suit.

( a ) Schéma d'analyse de la rigidité en flexion dans un circuit ondulé sculpté au laser, et ( b ) hors flexion axiale causée par la torsion symétrique de la section de circuit inclinée (barre d'échelle pour SEM : 500 μm et 50 μm).

Ici, les éqs. (1) et (2) représentent la pente de la surface sculptée au laser et la rigidité en flexion de la section de circuit pour chacun, respectivement. \(d_{c}\) et \(w\) représentent la profondeur de sculpture et la largeur de la section de circuit ; \(t\), \(R\) et \(P\) représentent l'épaisseur, le rayon du point courbé et le pas du circuit ondulé pour chacun, respectivement, comme illustré à la Fig. 5a. En supposant la courbure du point courbé comme une poutre, l'angle de courbure du point courbé peut être exprimé comme suit :

L'équation (3) représente le moment de flexion appliqué dans la section du point de courbure, et l'équation. (4) représente l'angle de flexion (\(\theta_{flexion}\)) causé par la force d'étirement \(F\) à chaque extrémité du circuit. \(E\) et \(\theta\) représentent respectivement le module du circuit et l'angle du point courbé. En supposant un petit cas de flexion, la déformation nette causée par la flexion du point sinueux peut être formulée comme suit :

L'équation (5) représente la déformation nette causée par la force d'étirement (\(F\)). En définissant la dimension similaire aux conditions expérimentales (\(w = 2,5\;{\text{mm}}\), \(E = 4,3\;{\text{GPa}}\), \(P = R = 4 \;{\text{mm}}\), \(t = 2\;{\text{mm}}\)) et réglage \(F = 10\;{\text{N}}\), étirement maximal du circuit ondulé ainsi que la profondeur de gravure au laser peuvent être illustrés analytiquement, comme le montre la Fig. 6.

Résultat analytique de l'étirement maximal sur un circuit ondulé découpé au laser sous une tension de 10 N.

L'analyse d'étirement pour le circuit ondulé plan et la densité du circuit ondulé (inverse de la résolution) peuvent être exprimées sous forme d'équations. (6) et (7)33 :

Comme l'équation d'étirement dans le circuit gravé au laser a le paramètre de gravure laser (\(d_{c}\)) dans le dénominateur, le circuit gravé au laser peut augmenter l'étirement maximum sans augmenter le pas de paramètre (P) et le rayon du point courbé (R). Comme l'augmentation de P et R diminue la densité du circuit, dans d'autres mondes diminue la résolution de l'appareil, l'augmentation du paramètre laser est une meilleure option pour un circuit ondulé pour augmenter le rapport d'étirement sans sacrifier la résolution de l'appareil.

L'augmentation de la gravure au laser provoque une concentration de contraintes et la propagation des fissures, car la rainure générée par la gravure au laser devient vulnérable à la concentration de contraintes causée par la distorsion de la section. Le cas d'une largeur de section de 2 mm, illustré à la Fig. 3a, implique qu'une profondeur de sculpture excessive induit une défaillance de la structure pendant l'étirement. L'analyse FEM a également révélé que la section inclinée dans le point incurvé du circuit ondulé a tendance à se déformer lorsque l'étirement est induit. Dans le cas d'une surface sculptée, il existe deux sections inclinées symétriques, et la distorsion a tendance à se produire de manière symétrique, comme le montre la figure 5b. En raison de la distorsion symétrique, le point courbé dans le circuit ondulé sculpté au laser est également soumis à une flexion sectionnelle, ce qui induit une concentration de contraintes dans la rainure de la surface sculptée, comme le montre la figure 5b.

Néanmoins, la déconnexion réelle du circuit ondulé pendant l'étirement, illustrée sur la figure 3b, est assez différente du résultat de la simulation sur la figure 3a. Nous assurons que la raison de l'écart entre la simulation et l'expérience est due à la direction de la propagation de la fissure dans le circuit ondulé. L'image SEM de la propagation des fissures dans un circuit ondulé (Fig. 7a, b) montre que la direction de la propagation des fissures dans un circuit découpé au laser est parallèle à la direction du circuit, ce qui maintient le canal conducteur électrique du circuit ondulé même si la fissure a été poursuivie dans une certaine mesure. , comme le montre la figure 7c. Nous assurons également que la raison de la chute lente de la conductance dans le circuit ondulé découpé au laser est due à la propagation parallèle des fissures, qui a retardé la déconnexion directe du circuit ondulé, comme le montre la figure 3b. La propagation des fissures dans le point de rainure du circuit ondulé découpé au laser implique que le contrôle du point de rainure est essentiel dans la fabrication du circuit. Si la courbure du point de rainure de la gravure au laser est élevée, cela générera une propagation de fissure à la fin. Plusieurs gravures au laser ou un traitement thermique supplémentaire peuvent être nécessaires pour contrôler le point de rainure.

Image SEM de la propagation des fissures dans (a) un circuit ondulé sculpté au laser et (b) un circuit ondulé non sculpté. (c) Schéma de propagation des fissures dans un circuit ondulé découpé au laser.

L'augmentation du taux d'étirement du circuit ondulé est cruciale pour augmenter les performances des dispositifs flexibles. Cependant, le circuit ondulé plan conventionnel présente diverses limites lorsqu'il s'agit d'augmenter le rapport d'étirement, car, dans un circuit ondulé, l'augmentation du rapport d'étirement nécessite d'augmenter le pas, ce qui réduit éventuellement la densité de circuit du dispositif flexible22,24. D'autre part, le circuit découpé au laser a pour effet d'augmenter l'étendue du circuit ondulé sans compromis sur la résolution de l'appareil, et il peut induire une fissure parallèle à la direction du circuit pour empêcher la déconnexion du circuit dans une certaine mesure. De plus, la méthode de sculpture au laser peut être facilement intégrée à la technique de lithographie ou d'impression 3D conventionnelle pour produire des dispositifs flexibles, largement utilisés dans la production de masse d'écrans OLED à semi-conducteurs et de nanomatériaux37,38,39,40,41,42. Considérant les avantages mentionnés ci-dessus; la méthode de sculpture au laser contribuera de manière significative à augmenter l'efficacité de la production de dispositifs flexibles.

Les matériaux décrits dans le manuscrit, y compris toutes les données brutes pertinentes, seront librement accessibles à tout chercheur souhaitant les utiliser à des fins non commerciales.

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JH Yun et M Cho sont les auteurs à parts égales. Ce travail a été soutenu par la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (n° 2021R1F1A1051120). Cette recherche a été soutenue par la "Stratégie régionale d'innovation (RIS)" par l'intermédiaire de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le ministère de l'Éducation (MOE) (n° 2021RIS-004).

Département de génie mécanique et automobile, Université nationale de Kongju, 1223-24, Cheonan Daero, Seobuk-gu, Cheonan-si, Chungnam, 31080, Corée

Jung Hoon Yun

Département d'ingénierie de la convergence future, Université nationale de Kongju, Cheonan, Corée

Jung-Hoon Yun et Adebisi Victoria

Département de génie mécanique, Université nationale de Séoul, Séoul, Corée

Maegyo Cho

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J.-HY et MC ont rédigé le manuscrit principal et préparé la figure. OVA a organisé des références.

Correspondance avec Jung-Hoon Yun.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Yun, JH., Victoria, AO & Cho, M. Réalisation d'un rapport d'étirement élevé d'un circuit ondulé flexible via la sculpture au laser. Sci Rep 12, 17745 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2

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Reçu : 16 juin 2022

Accepté : 17 octobre 2022

Publié: 22 octobre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-22594-2

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