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Jul 31, 2023

패트리샤 다우칸타스

미국 세인트 루이스 소재 워싱턴 대학의 Junyi Zhao는 간단한 볼펜을 사용하여 종이에 맞춤형 LED를 쓰는 방법을 보여줍니다. [사진=세인트루이스 워싱턴대학교 왕연구소]

많은 사람들은 펜과 종이로 새로운 아이디어를 적는 것을 좋아합니다. 미래에는 파티 풍선, 의류, 심지어 맞춤형 의료 센서에 맞춤형 LED 형태로 이러한 아이디어를 그릴 수도 있습니다.

미국의 연구원들은 종이에서 고무 및 직물에 이르기까지 많은 일반 기판에 LED 및 광검출기를 필기하는 시스템을 개발했습니다(Nat. Photon., doi: 10.1038/s41566-023-01266-1). 연구팀은 작은 금속 와이어와 페로브스카이트 나노 결정이 포함된 특수 "잉크"를 일반 볼펜에 채웠습니다. 페로브스카이트는 올바른 자극을 받으면 밝게 빛나는 다용도 반도체입니다. 연구진에 따르면 잠재적인 응용 분야는 유연한 일회용 웨어러블 센서부터 맞춤형 직물 및 스마트 포장까지 다양합니다.

"글쓰기 경험은 일상적인 글쓰기의 자연스러운 흐름을 반영합니다."라고 미국 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 공학 교수인 Chuan Wang 연구실의 박사과정 학생인 주저자인 Junyi Zhao는 말합니다.

광전자 장치를 제조하기 위해 오랜 시간 테스트를 거친 기술에는 일반적으로 진공 챔버 또는 기타 특수 장비를 사용하는 스핀 코팅, 증발 및 에칭이 포함됩니다. Wang과 그의 동료를 포함한 일부 과학자들은 대체품으로 잉크젯 인쇄 및 기타 간단한 증착 시스템을 시도했지만 잉크젯 프린트 헤드를 청소하고 정렬하는 것은 번거로울 수 있습니다.

2년 전, Zhao와 Wang은 유연한 폴리머 매트릭스에 내장된 페로브스카이트 결정으로 구성된 유기-무기 화합물 광전자 잉크를 선보였으며, 이 화합물을 잉크젯 프린터에 공급하여 회로를 인쇄했습니다. 원래 잉크 대신 액체 LED로 채워진 소박한 볼펜은 훨씬 간단한 전달 메커니즘으로 밝혀졌지만 페로브스카이트 잉크 공식을 먼저 조정해야 했습니다.

알루미늄 호일에 다양한 색상의 LED "잉크"로 그려진 세인트루이스 워싱턴 대학교 로고. [사진=세인트루이스 워싱턴대학교 왕연구소]

Zhao는 그와 그의 동료들이 잉크의 유동성, 즉 흐름 능력과 다양한 표면에 균일한 선을 생성하는 습윤 능력을 신중하게 조정했다고 말했습니다. 또한 팀은 동일한 지점에 여러 층의 광전자 잉크를 그리는 경우 상위 레이어가 용해되거나 아래 레이어가 손상되지 않도록 용매를 맞춤화해야 했습니다.

Zhao는 "쓰기 경험 측면에서 '부드러운 쓰기'와 '강한 쓰기'로 정의되는 쓰기 과정 중 펜에 가해진 힘이 미치는 영향을 철저하게 조사했습니다"라고 말했습니다. “특히 펜에 가해지는 힘은 우리의 광전자 장치의 기능을 손상시키지 않습니다. 흥미롭게도 부드러운 쓰기 기술과 강한 쓰기 기술 모두 쓰기 경로의 폭에 효과적으로 영향을 미칩니다. 소프트 라이팅은 더 좁은 경로를 생성하는 반면, 하드 라이팅은 더 넓은 경로를 생성합니다. 이러한 필기 압력의 다양성은 최종 장치에서 사용자 정의 가능한 패터닝 해상도에 기여합니다.”

손으로 그린 ​​LED는 수직 샌드위치 구조를 갖고 있기 때문에 연구진은 상부 전극과 하부 전극 사이의 전류 누출을 방지하기 위해 층을 충분히 분리하고 두께를 균일하게 유지하기 위해 열심히 노력했다고 Wang은 말했습니다. "이것은 유리 또는 플라스틱 필름과 같은 평면 및 비흡수성 표면에서는 더 쉽지만 종이 및 직물과 같은 섬유질 및 다공성 기판에서는 특히 어렵습니다."라고 그는 덧붙입니다.

Zhao에 따르면, 잉크가 번지면 그려진 이미지의 설계 가치가 손실되기 때문에 연구원들은 LED 잉크의 건조 시간을 고려해야 했습니다. 연구팀은 건조를 촉진하기 위해 이소프로판올, 톨루엔 등 다양한 저비점 용매를 첨가제로 사용했습니다. Zhao는 “이러한 용매는 기능성 잉크의 끓는점을 효과적으로 낮췄습니다.”라고 말했습니다. 결과적으로 페로브스카이트 발광층, 폴리에틸렌이민 완충층, 은나노와이어 상부 전극 등 특정 층의 건조 속도가 눈에 띄게 가속화됐다. 실제로 어떤 경우에는 건조가 신속하게 또는 즉시 이루어지므로 대기 시간이 필요하지 않습니다.”