Laser photothermal processing of stretchable conductive nanocomposite for soft bioelectronics = 신축성 전도성 나노복합체의 레이저 광열 공정을 통한 소프트 바이오 전자 소자 응용

국문 초록 (Abstract)

지난 10여 년간 바이오 전자 소자 (bioelectronics) 분야는 활발히 연구되어 왔으며, 이는 피부에 착용 가능한 기기나 인체 내부 장기에 이식되는 시스템을 통해 실시간 의학적 진단과 치료적 개입을 가능하게 하였다. 기존의 단단한 재료로 구성된 소자들은 우수한 기능성을 보여주었으나, 착용성을 개선하고, 탄성률 불일치(modulus mismatch)로 인한 신체 면역 반응을 최소화하며, 인체의 지속적인 움직임에 대한 적응성을 높이기 위해서 연성 재료 기반 소프트 전자 소자가 필수적으로 요구되어 오고 있다. 이러한 맥락에서, 신축성 전도성 나노복합체는 소프트 바이오 전자 소자를 위한 전극 재료로 큰 주목을 받아왔는데, 이는 전도성 필러의 퍼콜레이션 네트워크가 소프트 엘라스토머 매트릭스 내에서 전기적 경로를 유지하기 때문이다. 그러나 기존의 패터닝 기법은 고해상도 패턴과 동시에 우수한 전기적 성능을 구현하는 데에 한계가 있다. 또한, 현재까지 개발된 체내 이식형 전자 소자에 사용될 수 있는 나노복합체 전극은 높은 전기적·전기화학적 성능 및 장기 생체적합성과 같은 엄격한 요구 조건을 완전히 충족하지 못한다. 본 연구에서는 펄스 레이저와 전도성 나노 소재 간의 광열 상호작용에 기반한 신축성 전도성 나노복합체의 새로운 레이저 가공 기술을 제안한다. 광열 효과 기반 레이저 패터닝 기술은 고해상도의 도체 패턴을 대면적으로 제작할 수 있으며, 프리 크랙(pre-crack) 및 다공성 구조와 같은 미세구조를 인시추(in-situ) 로 형성함으로써 전기적·전기화학적 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 이러한 미세구조 형성의 메커니즘과 성능 개선의 기저 원리를 규명하였다. 나아가, 광열 가공된 신축성 나노복합체를 활용하여 웨어러블 및 이식형 바이오 전자 소자 응용 가능성을 실증하였으며, 이를 통해 차세대 연성 전자소자를 위한 레이저 가공 기반 신축성 전도성 나노복합체의 실질적 유용성을 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Over the past decade, the field of bioelectronics has been extensively investigated, enabling real-time medical diagnosis and therapeutic interventions through wearable devices on the skin or implantable systems in internal organs. While traditional devices composed of rigid materials demonstrated excellent functionality, soft material-based electronics have become essential to improve wearability, minimize immune responses resulting from modulus mismatch, and accommodate continuous body motion. Stretchable conductive nanocomposites have attracted significant attention as reliable elastic conductors for soft bioelectronics, since the percolation network of conductive fillers maintains electrical pathways within a soft elastomeric matrix. However, existing patterning methods fail to achieve high-resolution patterns with high electrical performances. Moreover, current nanocomposite conductors for implantable devices do not fully meet stringent requirements such as high electrical and electrochemical performance and long-term biocompatibility. In this study, we report a newly developed laser processing technology for stretchable conductive nanocomposites, based on the photothermal interaction between pulsed lasers and conductive nanomaterials. Photothermal laser patterning enables the fabrication of high-resolution conductor patterns over large areas, exhibiting enhanced electrical and electrochemical performance induced by in-situ microstructure formation, including pre-crack and porous architectures. We investigate the mechanisms underlying the formation of these microstructures and the detailed origins of the improved performance. Leveraging the photothermally processed stretchable nanocomposites, we further demonstrate potential applications in wearable and implantable bioelectronics, highlighting the practical usefulness of stretchable conductive nanocomposite processed by laser for next-generation soft electronic devices.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 2
• Table of Contents 3
• List of Tables 5
• List of Figures 6
• Chapter 1. Introduction 10
• 1.1. Research motivation 10
• 1.2. The scope of the thesis 12
• Chapter 2. Durable nanocomposite via laser-induced in-situ pre-crack formation 16
• 2.1. Photothermal patterning of Ag flake-PDMS nanocomposite 16
• 2.2. Electrical and mechanical properties of Ag flake-PDMS nanocomposite 20
• 2.3. Mechanism investigation of enhanced durability 26
• 2.4. Photothermal patterning of via hole and multilayer stacking 31
• 2.5. Materials and methods 36
• Chapter 3. Strain-resilient porous nanocomposite via laser-induced in-situ pore generation 40
• 3.1. Photothermal patterning of wAu-PDMS nanocomposite 40
• 3.2. Electrical and mechanical properties of wAu-PDMS nanocomposite 46
• 3.3. Mechanism investigation of enhanced strain-resilience 53
• 3.4. Electrochemical properties of wAu-PDMS nanocomposite 56
• 3.5. Materials and methods 59
• Chapter 4. Soft bioelectronics applications 62
• 4.1. Wearable bioelectronics applications 62
• 4.2. Implantable bioelectronics applications 70
• 4.3. Materials and methods 74
• Chapter 5. Conclusion and outlook 78
• Bibliography 79
• 국문 초록 83