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Nature 617권, 292~298페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

청정 에너지 및 환경 지속 가능성과 같은 차세대 기술과 관련하여 신소재 개발과 그 구성 및 미세 구조 최적화는 필수적입니다. 그러나 재료 발견과 최적화는 실망스러울 정도로 느린 과정이었습니다. Edisonian의 시행착오 프로세스는 특히 방대한 재료 설계 공간과 비교할 때 시간이 많이 걸리고 리소스가 비효율적입니다1. 전통적인 조합 증착 방법은 재료 라이브러리2,3를 생성할 수 있지만 재료 옵션이 제한되어 있고 나노재료 합성의 주요 혁신을 활용할 수 없다는 문제가 있습니다. 여기에서는 마이크로스케일 공간 해상도에서 구성 구배를 갖는 재료를 제작할 수 있는 높은 처리량의 조합 인쇄 방법을 보고합니다. 에어로졸 단계의 현장 혼합 및 인쇄를 통해 광범위한 재료의 혼합 비율을 즉시 조정할 수 있습니다. 이는 액체-액체 또는 고체-고체 단계4,5의 공급원료를 사용하는 기존 다중 재료 인쇄에서는 얻을 수 없는 중요한 기능입니다. 6. 우리는 조합 도핑, 기능적 등급화 및 화학 반응에서 다양한 처리량의 인쇄 전략과 응용 분야를 시연하여 도핑된 칼코게나이드 및 그라데이션 특성을 지닌 조성 등급 재료의 재료 탐색을 가능하게 합니다. 적층 제조의 하향식 설계 자유도와 로컬 재료 구성에 대한 상향식 제어를 결합하는 능력은 기존 제조 접근 방식으로는 접근할 수 없는 구성적으로 복잡한 재료의 개발을 약속합니다.

재료는 많은 과학 및 기술 혁신에서 중추적인 역할을 하며, 새로운 재료 개발의 진전은 거대한 사회적 과제에 대한 해결책을 추구하는 데 핵심입니다. 조합 재료 증착(예: 코스퍼터링)을 통해 전자, 자기, 광학 및 에너지 관련 응용 분야에 대한 새로운 재료의 신속한 스크리닝이 가능해졌습니다7. 이러한 조합 재료 라이브러리의 풍부한 샘플 기능은 구성-구조-속성 관계의 설명을 용이하게 하고 광범위한 구성에 걸쳐 재료를 신속하게 스크리닝할 수 있게 해줍니다. 그럼에도 불구하고 레이저나 플라즈마의 본질적인 고에너지 특성으로 인해 범용 조합 재료 라이브러리 개발에 사용되는 많은 재료(예: 콜로이드 입자, 감열성 폴리머)가 제외됩니다. 적층 제조는 마이크로 및 나노 규모의 빌딩 블록8,9,10을 사용하여 복잡한 구조의 재료를 제조하는 다양한 방법으로 등장했습니다. 최근 잉크젯 인쇄, 전기화학 인쇄 및 전기유체역학적 산화환원 인쇄를 포함한 여러 가지 인쇄 접근법이 재료 라이브러리제작을 위해 제안되었습니다. 그러나 이러한 방법은 빠른 혼합 메커니즘이 부족하고 혼합 비율을 빠르게 변경할 수 없기 때문에 다양한 재료의 보편적인 조합 및 그라데이션 재료 라이브러리 생성과 관련하여 제한된 재료 옵션과 과제로 인해 여전히 어려움을 겪고 있습니다.

이상적인 상호확산 시스템을 위해서는 낮은 유체 점도와 최소 크기의 확산 장치가 필요하며, 이는 현장 혼합 및 인쇄에 에어로졸을 사용할 수 있는 가능성을 조사하게 합니다. 다중 재료 에어로졸 제트 프린팅에 대한 이전 연구는 기능성 재료 및 장치개발에서 꾸준한 진전을 이루었지만 에어로졸 기반 조합 그라데이션 재료 인쇄는 여전히 어려운 과제입니다. 에어로졸 기반 인쇄 중에 재료 증착 속도는 여러 매개 변수(에어로졸 잉크 유속, 외장 가스 유속, 인쇄 속도, 분무 전압 등)에 의해 영향을 받을 수 있으며 이러한 인쇄 매개 변수의 상호 작용으로 인해 에어로졸 혼합이 복잡해집니다. 인쇄 중 증착. 최적화되지 않은 잉크 구성 및 인쇄 조건은 불안정한 분사로 이어질 수 있으며 이로 인해 에어로졸 기반 인쇄에 불확실성이 발생할 수 있습니다. 에어로졸 혼합 및 조합 인쇄 프로세스의 집단적 동작을 이해하기 위해 실험 기술(예: 빠른 카메라 이미징)과 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 결합하여 잉크 제제, 에어로졸 혼합 및 상호 작용, 인쇄 매개변수 최적화를 체계적으로 조사했습니다. . 에어로졸 기반 혼합 및 인쇄를 달성하기 위해 당사의 고처리량 조합 인쇄(HTCP) 접근 방식은 두 개(또는 여러 개)의 잉크를 미세한 잉크 방울이 포함된 에어로졸로 원자화하는 것으로 시작됩니다. 여기서 결합된 잉크 흐름은 단일 노즐에서 공기역학적으로 혼합됩니다. 증착 전에 함께 흐르는 외장 가스에 의해 집중됩니다 (그림 1a). 다양한 크기의 노즐이 있는 에어로졸 제트 프린트헤드가 적용되어 x-y 평면에서 약 20μm의 낮은 공간 해상도와 약 100nm의 낮은 증착 두께로 미세한 기능을 제공합니다(보조 그림 1 및 2). 1차원(1D) 그라디언트 재료 라이브러리를 생성하기 위해 직교 및 병렬 그라디언트 인쇄의 두 가지 인쇄 전략을 조사했습니다(그림 1b). 두 가지 접근 방식 모두 그라데이션 필름을 생성할 수 있지만 직교 인쇄는 광범위한 인쇄 속도를 견딜 수 있기 때문에 더 다양한 용도로 사용되는 경향이 있음을 발견했습니다. 대조적으로, 병렬 그라데이션 모드에서 높은 인쇄 속도는 부정확한 잉크 혼합 및 증착을 유발하는 원하지 않는 증착 지연으로 이어질 수 있습니다(그림 1b). 직교 인쇄를 통해 잉크 혼합 비율을 지속적으로 변경함으로써 클린룸 시설이 필요 없이 인쇄물의 구성 변화를 미세한 그라데이션 방식으로 달성할 수 있습니다(보충 비디오 1 및 보충 표 1).