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Oct 25, 2023

철을 이용한 지속 가능한 목재 전자제품

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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3680(2022) 이 기사 인용

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친환경 목재 전자제품은 최첨단 셀룰로오스 기반 '그린 전자제품'의 단점을 완화하는 데 도움이 될 것입니다. 여기에서는 높은 절제, 열 손상, 필요성 등 기존 LIG의 한계를 극복하여 매우 높은 품질과 효율성으로 목재에 대규모 전기 전도성 구조를 조각하기 위한 혁신적인 접근 방식인 철 촉매 레이저 유도 흑연화(IC-LIG)를 소개합니다. 여러 레이저 단계의 경우 난연제 및 불활성 대기를 사용합니다. 역사적인 철분 잉크에서 영감을 얻은 수성 바이오 기반 코팅은 레이저 제거 및 열 손상으로부터 목재를 보호하는 동시에 효율적인 흑연화를 촉진하고 기판의 불규칙성을 부드럽게 만듭니다. 매우 얇은(~450 µm) 목재 베니어에도 기존 CO2 레이저를 사용하여 대규모(100 cm2), 전도성이 높고(≥2500 S m−1) 균일한 표면적을 주변 대기에서 한 단계로 조각할 수 있습니다. 우리는 목재를 내구성이 뛰어난 스트레인 센서, 유연한 전극, 용량성 터치 패널 및 전기발광 LIG 기반 장치로 전환하여 우리 접근 방식의 타당성을 입증합니다.

환경 친화적인 제조 경로("녹색 전자 제품")를 사용하여 재생 가능 및 생분해성 재료로 전자 장치를 개발하는 것은 지속 가능한 사회의 요구를 충족하는 데 필수적입니다1. 스마트 빌딩과 심지어 도시에 대한 사물 인터넷(IoT) 접근 방식의 구현으로 예상되는 것은 지속 가능한 전자 재료의 규모와 내구성 측면에서 충족되지 않은 과제를 제기합니다2,3. 오늘날 최첨단 친환경 전자제품은 (나노)셀룰로오스 기반 재료4,5,6로 만든 상대적으로 작은 일회용 장치가 지배적입니다. 그러나 셀룰로오스를 기능성 물질로 분리하고 재조립하는 데 필요한 에너지 및 화학 물질의 양 측면에서 많은 까다로운 단계로 인해 지속 가능성이 어려울 수 있습니다. 목재를 전자 장치의 기판으로 사용하면 이 문제를 근본적으로 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 목재 재료는 구조적 상태 모니터링(예: 하중 지지 구조에 통합된 변형 센서)과 같은 높은 기계적 강도와 확장성뿐만 아니라 귀중한 심미성과 촉각(예: 터치 스크린 및 조명 디스플레이)이 필요한 응용 분야에도 특히 유용합니다. 스마트 빌딩의 인간-기계 인터페이스로).

목재는 재생 가능하고 생분해 가능한 CO2 저장 천연 자원이며, 높은 수준의 심미성과 촉각성을 갖춘 탁월한 최첨단 건축 자재이며, 가볍지만 기계적 강도가 높습니다. 지금까지 목재 전자제품의 개발은 복잡한 목재 구조와 본질적인 전기 전도성 부족으로 인해 제한되었습니다. 전기 전도성 목재 재료에 대한 이전 시도에는 금속 나노와이어7 및 탄소 기반 잉크8를 사용한 표면 코팅뿐만 아니라 저융점 금속9을 사용한 벌크 함침이 포함되었습니다. 이러한 접근 방식에서는 제한된 지속 가능성에도 불구하고 목재가 수동 기판으로 사용되었습니다. 다른 생물학적 기질의 경우, 적절한 조건에서 목재를 흑연화하면 합리적인 전기적 특성(>500 S m−1 및 <1 kΩ ◻−1)을 갖는 그래핀 및 흑연 유사 물질이 생성될 수 있습니다10,11,12,13. 그러나 이는 일반적으로 구조적 및 기계적 무결성을 희생하면서 발생합니다. 목재 표면에서 흑연화를 선택적으로 수 마이크론까지 제한하면서 벌크는 그대로 유지하는 방법을 찾는 것은 목재 전자 제품의 새로운 길을 열어줄 것입니다.

레이저 유도 흑연화(LIG)는 다양한 무기물14,15 및 유기 전구체를 전기 전도성 물질16,17,18로 변환하는 데 사용되었습니다. 이 흑연화 공정은 다공성 탄소질 물질로 이어지는 전구체의 광열 및 광화학적 전환이 결합된 것으로 가장 잘 설명될 수 있습니다. LIG는 높은 처리 속도와 유연성을 갖춘 비용 효율적인 기술로, 레이저 절단과 함께 형태가 제어된 흑연 패턴의 레이저 조각19을 결합할 수 있습니다. 생물학적 재료의 레이저 유도 흑연화16,20에 대한 최초의 시도는 대규모 센서 및 액추에이터와 같이 대부분의 예상 응용 분야에 적합하지만 완전히 충분하지는 않은 전기적 및 구조적 특성을 갖춘 제품을 탄생시켰습니다.