Direct Printing of Liquid Metal Patterns on Three-Dimensional Surfaces and Applications

Abstract

In this study, a liquid metal is directly printed on various types of surfaces using an automated dispensing system. A particular class of liquid metal called eutectic gallium-indium (Ga: 75.5% In: 24.5% by weight ratio) was chosen and printed on flat, inclined (20°, 30°, 40°, and 50°), and curved (κ = 0.02, 0.03, 0.04, and 0.05 mm−1) surfaces. The inner diameter of the dispenser nozzle, the distance between the nozzle tip and the surface of the substrate, turned out to be the crucial parameters that determine the performance of printing, based on the experimental evaluation of the relationship between the trace width and the parameters. We were able to control the trace width under 200 µm as small as 22 µm by adjusting the parameters we tested. To the best of our knowledge, an EGaIn trace with 22 µm in width is the smallest one achieved by direct printing of a liquid metal on three-dimensional (3-D) surfaces. Also, we were able to print not only straight lines but also curved patterns, such as spiral shapes. This will lead to the miniaturization of stretchable electronics with any pattern shapes consisting of straight lines and curves. As an example of applications of the proposed method, a microscale pressure sensor with a spiral trace pattern was fabricated, and its performance was evaluated with loading and unloading tests. Another application of the proposed method includes direct printing of stretchable electronics on surfaces with arbitrary shapes and curvatures. It was demonstrated with soft sensors printed on a mannequin hand. We believe the proposed method and its applications will open a new space in development of soft electronics and robots.

이 논문에서는 디스펜싱 시스템을 사용하여 액체 금속을 다양한 종류의 표면에 직접 프린팅 하는 것에 대해 소개한다. 액체 금속 중에서도 유텍틱 갈륨 인듐 (무게 비율로 갈륨: 75.5% 인듐: 24.5%)을 평면, 경사면 (20°, 30°, 40°, 50°), 곡면 (κ = 0.02, 0.03, 0.04, 0.05 mm−1)에 직접 프린팅 한다. 트레이스 너비와 파라미터들 사이의 관계를 실험적으로 확인한 결과 노즐 내경, 노즐 끝단과 실리콘 표면 사이의 거리가 가장 중요한 파라미터들로 판명되었다. 이러한 파라미터들을 조정함으로써 트레이스 너비를 200 μm 이하에서 최소 22 μm까지 조절 할 수 있었다. 3 차원 표면에 액체 금속을 직접 프린팅하는 방법으로 트레이스 너비를 22 μm까지 조절하는 것은 현재까지 알려진 바로는 가장 작은 경우이다. 또한 우리는 직선뿐 만 아니라 나선 형과 같은 곡선으로 이루어진 패턴 또한 프린팅 하는 것이 가능하였다. 이것은 직선과 곡선으로 이루어진 그 어떠한 패턴을 가진 스트레처블 일렉트로닉스도 제작 가능하게 하고, 크기를 현저히 줄이는 데에 이바지 할 것으로 보여진다. 제안 된 방법의 적용 사례로써, 나선 형 구조를 가진 마이크로 스케일의 압력 센서를 제작 하였고 가해지는 하중의 유무를 통해 성능을 평가하였다. 또 다른 예로는 임의의 형상과 곡률을 갖는 마네킹 손등 표면에 스트레처블한 회로를 직접 프린팅 하는 것을 보여주고 있다. 제시 된 방법과 적용 예를 통하여 소프트 일렉트로닉스와 로봇에 새로운 방향성을 제시 할 수 있을 것이다.