Development of electrically conductive 3D printing materials via in-situ reduction utilizing silver ions

국문 초록 (Abstract)

기존 제조 기술은 복잡한 형상 및 재료낭비의 초점에서 높은 제조 비용과 기술적 한계에 직면하는 경우가 있다. 적층 제조 기술(AM) 중 하나인 디지털 광 처리 기술(DLP)은 뛰어난 재료의 확장성과 고해상도 출력 및 빠른 프로세스 진행 능력으로 상당한 주목을 받고 있다. 해당 기술 응용분야는 전도성 물체 기반 전자 장비 뿐 만 아니라 다양한 연구 영역에서도 사용할 수 있어서 고급 제조 요구 사항에 혁신적인 솔루션이 된다. 본 연구는 UV광 기반 3D프린팅 및 후 처리 과정에서 은의 In-situ 환원을 유도하여 제작된 전기 전도성 복합체의 특성 조사 와 환원 가능성에 대한 평가를 진행하였다. DLP 방법을 사용하여 3D 구조물을 출력한 후, 이를 진공 오븐에서 180℃ 3.5시간 동안 열 환원 과정을 거쳤다. 본 연구에서는 폴리에틸렌 글리콜 다이아크릴레이트(PEGDA)과 은 전구체로는 질산은(AgNO3)을 활용했으며, 1-메틸 2-피롤리돈(NMP)을 용매, 에틸렌 글리콜을 환원제로 사용했습니다.
UV-VIS 분광법을 통한 레진 투과율 분석, 에너지 분산형 분광분석법(EDS), 주사전자현미경(SEM)을 통한 실질 적인 은 입자 생성 여부, 열중량 분석(TGA)을 활용한 stoichiometry기반 전구체 중량 계산의 타당성 (~12.04%), 4점 탐침을 활용한 전기 전도도 분석을 진행했다. 결과적으로 18 vol%의 이온 기반 레진이 높은 투과율(45.24%), 복합 샘플에서 균일한 은 입자 형성 및 분포, 화학양론적 계산(오차: ~12.04%) 적합성을 확인했으며 높은 전기 전도도(319 S/cm)를 나타내었다.
결과적으로, 본 연구는 UV 기반 DLP 3D프린팅과 열 환원 공정의 결합을 통해 전기 전도성이 우수한 은 이온 기반 복합 레진 제조 가능성에 대해 입증하였다. 특히, 높은 투과율과 균일한 은 입자 분포 및 stoichiometry 기반 전구체 중량 계산의 정확성을 기반으로, 설계한 복합체의 전기적 특성을 향상시키는 데 기여함을 확인할 수 있다. 본 연구는 전기 및 전자 기기 응용분야에서 고 전도성 소재 개발에 새로운 가능성을 제시하며, 또 다른 핵심적인 기술 플랫폼으로 활용될 잠재력을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Traditional manufacturing technologies have already existed in many places, but they often face technical limitations in complex structures or material utilization. Digital Light Processing (DLP), one of the Additive Manufacturing (AM) technologies, is attracting attention because of its high-resolution printing, fast processing technology, and ability to utilize various materials. This scalability can be an innovative solution that can respond to various structures or requirements, including conductive material-based electronic devices. This study fabrication of silver Ion-based resin and investigates the characteristics and reduction efficient of electrically conductive composites fabricated via DLP 3D printing and post-processing. Using the DLP printing method, 3D structures were fabricated and subsequently subjected to thermal in-situ reduction in a vacuum oven at 180°C for 3.5 hours. The developed resin with ion was based on polyethylene glycol diacrylate (PEGDA), with silver nitrate (AgNO3) as the silver precursor, 1-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as the solvent, and ethylene glycol as the reducing agent.
For establish of characterization, we used UV-VIS spectroscopy for resin transmittance analysis, EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) and SEM (Scanning Electron Microscopy) to confirm silver nanoparticle (AgNPs) generation and distribution, TGA (thermogravimetric analysis) for stoichiometry-based precursor weight calculation, and 4-point probe measurements for electrical conductivity.
Result within the composite containing 18 vol% silver ions present high transmittance (45.24%), silver ion reduction and uniform silver distribution, and accuracy of stoichiometry-based calculations (error: ~12.04%), enhanced electrical conductivity (319 S/cm).
Our research demonstrates the feasibility of fabricating high-performance electrically conductive ion-based resin by DLP 3D printing with thermal reduction processes. Under high transmittance, uniform nanoparticle distribution, and precise stoichiometric design in optimizing the composite’s electrical properties perform, suggest development of conductive advanced materials in electrical and electronic applications as potential platform for future high-performance material fabrication.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1-1. Research background and technological motivation 1
• 1-1-1. Digital light process (DLP) for 3D structures 2
• 1-1-2. Mechanism of photosensitive polymerization 4
• 1-1-3. Silver precursor reduction induced silver production 6
• 1-2. Problem and limitations 9
• 1-3. Research outline and strategies 11
• Chapter 2. Experimental section 12
• 2-1. Synthesis procedure for ion-based conductive resin 12
• 2-2. DLP printing process for high-conductivity composite 15
• 2-3. Characterization of structural and electrical properties 17
• Chapter 3. Results and Discussions 18
• 3-1. Ion vs particle-based solution optical properties 18
• 3-2. Morphological and elemental analysis of Ag NPs 21
• 3-3. Comparing experimental and theoretical Ag content 23
• 3-4. Electrical conductivity at various Ag volume fraction 26
• Chapter 4. Conclusion and future work 28
• 4-1. Conclusion 28
• 4-2. Future work 29
• References 34
• 논문요약 39