A study on the laser-based hybrid patterning system for multi-functional devices = 레이저 기반 하이브리드 패터닝 시스템을 이용한 다기능 소자 제작에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study demonstrates a hybrid fabrication method that integrates direct ink writing (DIW) with localized laser sintering to produce a multi-material device consisting of a tungsten heater and a silver temperature sensor. Dispensing parameters for tungsten ink were characterized to determine conditions for stable printing, and the irradiation characteristics of UV laser were analyzed to identify the beam diameter and its role in the sintering process. The electrical conductivity of the laser-sintered tungsten patterns increased with laser power and decreased with scan speed. The conductivity increased with increasing laser energy density and reached 2.61 × 105 S/m. Microstructural analysis showed particle fragmentation, cluster formation, and directional rod-like grain growth as laser energy density increased. Heat-transfer simulations confirmed that the laser supplied rapid localized heating sufficient for tungsten sintering, while XRD verified that the α-W phase remained unchanged. Heaters with meander and spiral square geometries were evaluated, and the spiral square design produced the most uniform temperature field. Printed silver sensors exhibited linear up to 300 °C, with temperature coefficients of resistance around 2.2 × 10-3 /°C. In the integrated device, the sensor-based temperature readings agreed with thermographic measurements within 5%, demonstrating reliable in situ temperature monitoring during heater operation. These results show that laser-based hybrid patterning system enables localized sintering, controlled microstructure development, and stable electrical and thermal performance, offering a practical route for fabricating integrated thermal devices without high-temperature furnaces or controlled atmospheres.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 직접 잉크 인쇄(Direct ink writing, DIW)과 레이저 소결을 이용하여 텅스텐 히터와 은 온도 센서로 구성된 다기능 소자를 제작하는 하이브리드 제조 방법을 제시한다. 다종 잉크의 디스펜싱 조건을 분석 및 최적화 하였고, UV 레이저의 특성을 평가하여 빔 직경과 소결 거동의 상관관계를 규명하였다. 특히 패턴의 선폭과 레이저 조사 영역이 일치할 때 균일한 소결이 이루어짐을 확인하였다. 레이저 소결된 텅스텐 패턴의 전기전도도는 에너지 밀도에 따라 향상되였고, 최대 2.61 × 10⁵ S/m까지 증가하였다. 미세구조 분석을 통해 레이저 소결 과정에서 입자 파편화, 클러스터 형성, 방향성 입자 성장으로 이어지는 독특한 성장 메커니즘을 확인하였다. 열전달 시뮬레이션을 통해 레이저가 텅스텐 소결 온도를 충분히 만족하는 빠른 국소 가열을 제공함을 확인하였으며, XRD 분석에서는 α-W 상이 유지되어 화학적 변화 없이 물리적 확산 기반의 성장 메커니즘이 지배적임을 확인하였다. 제작된 히터 패턴 중 사각나선 형상이 가장 균일한 온도 분포를 보였으며, 인쇄된 은 온도 센서는 300 °C까지 선형적인 응답을 나타냈다(~ 2.2 × 10-3 /°C). 히터와 온도 센서를 통합한 소자를 통해 가열 중인 히터의 온도를 실시간으로 감지할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 고온 소결로나 분위기 조성 없이도 레이저 소결만으로 기능성 다중 소재 디바이스를 제작할 수 있음을 보여주며, 향후 실시간 온도 제어 시스템으로의 확장 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter I Introduction 1
• 1.1 Direct ink writing (DIW) for multi-material patterning 1
• 1.2 Laser sintering process 3
• 1.3 Hybrid additive manufacturing 4
• 1.4 Objectives 5
• Chapter II Laser-based hybrid direct ink writing system 6
• 2.1 Materials 6
• 2.2 Experimental setup 7
• 2.3 Characteristics of multi-material dispensing 10
• 2.4 Laser sintering of tungsten patterns 19
• Chapter III Directional grain growth in laser-sintered tungsten patterns 27
• 3.1 Evaluation of electrical properties of the laser-sintered patterns 27
• 3.2 Characteristics of the laser-sintered tungsten patterns 30
• 3.2.1 Microstructural characteristics of the laser-sintered patterns 30
• 3.2.2 Directional grain growth mechanism 32
• Chapter IV Integrated heater with temperature sensor device
• 39
• 4.1 Heating performance of tungsten-based heaters 39
• 4.2 Temperature sensing performance of silver-based temperature sensors 49
• 4.3 Demonstration of the integrated device 54
• Chapter V Discussion and conclusion 56
• [Reference] 58