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釜山国立大学研究人员在柔性基材上对铜(Cu)进行直接激光制模的研究以“Copper laser patterning on a flexible substrate using a cost-effective 3D printer”为题发表在《Nature》子刊Scientific Reports上。
研究人员使用连接在3D打印机上的405 nm激光模块，研究了在薄聚酰亚胺衬底(PI厚度:12.5-50 μ m)上对铜(Cu)进行有效的直接激光制模（图1）。研究人员研究了一种带有激光模块的3D打印机(低于1000美元) 。使用聚酰亚胺(PI)作为轻质柔性聚合物基材，以取代目前的玻璃基材。聚酰亚胺具有许多优点，例如机械强度、耐化学性、耐热性以及基于刚性芳香主链的热稳定性。介绍了三种方法来找到激光的焦距:使用USB相机的光束光斑分析，根据z轴高度定位燃点，以及使用G-code程序在不同的z轴高度形成的Cu模型。

【google地图|《Nature》：在柔性基材上使用低成本3D打印机进行铜的直接激光刻版的研究】图1：带有USB摄像头的激光集成3D打印机。以往的研究表明，在氮气气氛下热处理时， Cu化合物在低温下减缓形成。由于烧结过程同时伴随着Cu的氧化，因此需要进行短时间的热处理或氮气环境来防止Cu的氧化。对于激光直接成型，铜前驱体的烧结程度与机器的几个因素有关，如激光焦距、扫描速度和激光功率。此外，这些因素相互影响。激光功率是控制PI薄膜损伤的最重要因素。事实上，在实际焦距(AFL)下， 1.6%的激光功率(约8mw)会损坏PI 。在本研究中，通过有意增加或减少激光相对于AFL的焦距，研究人员试图最小化模型化铜的缺陷和对PI膜的损伤。因此，首先需要找到激光器的精确AFL 。介绍了三种不同的方法来达到这一目标。在第一种方法中，将2% PWM输入功率的激光聚焦在覆盖有黄色PI和白色聚乙烯胶带的玻璃基板上，以找到最小的激光光斑，同时使用连接在基板下的USB摄像机控制z轴(图2a) 。在第二种方法中，研究人员在2%的输入功率下使用裸PI薄膜上的燃点来确定焦距，同时逐渐减小z轴(图2b) 。通过以上两种方法，得到了一个大致的焦距。然而，为了精确聚焦，第三种方法涉及到基于上述两种方法的焦距编写G-code程序。随后，研究人员在粗焦距周围不同高度处进行Cu的线形图绘制，确定了激光器的AFL 。图2c是在不同焦距和恒定输入1.6%条件下形成的Cu线的显微镜图像。

图2：聚焦激光束:(a)使用USB相机找到激光焦距， (b)在1.6%脉宽调制(PWM)输入信号下使用裸PI薄膜上的燃点确定焦距， (c)使用G-code程序(扫描速度为1mm /s和2% PWM)通过在不同焦距上形成的Cu模型确定焦距。激光功率稳定性是提高模型质量的重要因素。研究人员测试了激光输出依赖于PWM方法控制的输入信号。激光模块的输出功率线性增加到约70% PWM信号，然后与输入的预期相反略有下降，可能是由于激光模块的冷却能力(图3a) 。图3b显示，激光输出的偏差随着输入功率信号的增加而增加(在打开激光30秒后进行测量) 。由于本研究使用的输入功率为最大功率的38%(约260 mW) ，因此本实验以4mm /s的扫描速度计算，由于激光的“开机”时间不到几秒，因此预计激光的功率偏差将远远小于0.6% 。