레이저 쓰기로 멀티용 '전자코' 가능

2022년 6월 29일

작성자: Ashley J. WennersHerron, 펜실베니아 주립대학교

Penn State의 협력 덕분에 환경 센서는 질병이나 오염을 나타낼 수 있는 여러 가스를 동시에 탐지하는 데 한 단계 더 가까워졌습니다. 공과대학 공학 및 기계공학 조교수인 Huanyu "Larry" Cheng과 Eberly 과학대학 화학 조교수인 Lauren Zarzar와 그들의 팀은 레이저 쓰기와 반응형 센서 기술을 결합하여 고도로 맞춤화 가능한 최초의 마이크로스케일을 제작했습니다. 가스 감지 장치.

그들은 이번 달 ACS Applied Materials & Interfaces에 기술을 발표했습니다.

Cheng은 "가스 감지는 오염 모니터링, 공공 안전 보장, 개인 건강 관리 등 다양한 분야에서 매우 중요합니다."라고 말했습니다. "이러한 요구를 충족하려면 감지 장치는 작고 가벼우며 저렴하고 사용하기 쉬워야 하며 의류나 배관과 같은 다양한 환경과 기판에 적용할 수 있어야 합니다."

Cheng에 따르면, 다양한 대상 가스를 동시에 정밀하고 정확하게 감지하는 데 필요한 인프라에 맞춰 맞춤화할 수 있는 원하는 특성을 갖춘 장치를 만드는 것이 과제입니다. 레이저 쓰기에 대한 Zarzar의 전문 지식이 나오는 곳입니다.

"레이저 기록 기술은 광범위한 분야에 디자인의 자유를 제공합니다."라고 Zarzar는 말했습니다. "신소재, 특히 나노소재와 나노소재 복합재를 직접 합성하고, 패턴화하고, 복잡한 시스템에 통합하는 방법에 대한 이해를 넓히면 점점 더 정교하고 유용한 감지 기술을 만들 수 있을 것입니다."

그녀의 연구 그룹은 금속 산화물을 동시에 생성하고 센서 플랫폼에 직접 통합할 수 있는 레이저 유도 열 복셀 공정을 개발했습니다. 금속 산화물은 다양한 화합물에 반응하여 감지 메커니즘을 촉발하는 물질입니다. 레이저 쓰기를 통해 연구원들은 금속염을 물에 녹인 다음 레이저를 용액에 집중시킵니다. 고온으로 인해 용액이 분해되어 센서 플랫폼에 소결될 수 있는 금속 산화물 나노입자가 남습니다.

이 프로세스는 계획된 패턴의 사전 정의된 마스크가 필요했던 이전 방법을 간소화합니다. 변경이나 조정을 하려면 새로운 마스크를 만들어야 하므로 시간과 비용이 많이 듭니다. Zarzar에 따르면 레이저 쓰기는 "마스크가 없으며" 열 복셀 프로세스와 결합하면 여러 디자인이나 재료를 빠르게 반복하고 테스트하여 가장 효과적인 조합을 찾을 수 있습니다.

"정확한 패터닝은 '전자 코' 또는 코처럼 작동하고 동시에 여러 가스를 정밀하게 감지할 수 있는 센서 배열을 만드는 데 필요한 구성 요소이기도 합니다."라고 화학 및 공동 연구 대학원생인 Alexander Castonguay는 말했습니다. 논문의 저자. "이러한 정확한 감지를 위해서는 가장 얇은 마이크로 크기에서 서로 근접한 다양한 재료의 패터닝이 필요합니다. 이를 수행할 수 있는 패터닝 기술은 거의 없지만 이 연구에 자세히 설명된 접근 방식은 가능합니다. 우리는 여기에 설명된 기술과 재료를 사용하여 개발할 계획입니다. 전자 코 프로토타입."

연구진은 현재 센서에 사용되는 5가지 금속과 금속 조합을 테스트했습니다. Castonguay에 따르면, 이종 접합이라고 불리는 서로 다른 금속 산화물이 접촉하는 지점은 가스 센서의 반응을 향상시키는 두 재료의 경계면에서 독특한 환경을 조성합니다. 연구팀은 산화구리와 산화아연의 이종접합이 산화구리에 비해 테스트된 가스(에탄올, 아세톤, 이산화질소, 암모니아 및 황화수소)에 대해 5~20배 향상된 반응을 보인다는 사실을 발견했습니다.

"이 발견은 혼합 산화물 시스템의 생성이 센서 반응의 상당한 증가로 이어질 수 있으며 혼합 산화물 가스 센서 제조를 위한 레이저 유도 열 복셀 기술의 효능을 입증한다는 과학 문헌의 다른 보고서를 뒷받침합니다"라고 Castonguay는 말했습니다. "우리는 Cheng 그룹의 웨어러블 센서 전문 지식과 Zarzar 그룹의 레이저 쓰기 지식을 통합함으로써 새롭고 맞춤형 센서를 만드는 능력을 확장할 수 있기를 바랍니다."