Laser-induced thermal reduction for microscale electrode patterning on single microfiber

Abstract

Single-microfiber electronic devices require conductive pathways that can be selectively formed on curved polymeric surfaces without planar lithography or high-temperature processing. Here, we present a maskless laser direct-writing strategy for fabricating laser-written silver （Ag） electrodes on a single-microfiber platform. A nylon microfiber was coated with a styrene-butadiene-styrene （SBS）-based composite containing silver trifluoroacetate （AgTFA） and Rhodamine B （RhB）. Under 532 nm laser irradiation, RhB acted as a laser- responsive optical absorber, enabling localized activation of the AgTFA-based coating and forming Ag-rich pathways along the laser-written region. The effects of RhB concentration, AgTFA concentration, laser power, and scan speed were optimized to balance conductive network formation and thermal-diffusion-induced pattern broadening. Optical, thermal, chemical, electrical, and morphological analyses confirmed RhB-assisted photothermal activation and continuous laser-written Ag electrode formation. The fabricated electrodes exhibited tunable microscale geometries, stable electrical properties, and mechanical reliability under bending and cyclic deformation. For device demonstration, capacitor-type structures and a resistor-capacitor （RC） low- pass filter were integrated on a single microfiber. The RC filter showed a cutoff frequency of approximately 0.63 MHz and a roll-off slope of −18 to −20 dB dec⁻¹, close to the ideal first-order RC response. The deviation from the theoretical cutoff frequency was attributed to probe capacitance comparable to the picofarad-level microfiber capacitor. These results demonstrate that laser direct writing can transform a single microfiber into a mechanically compliant platform for passive fiber-shaped electronic devices.|본 논문은 레이저 직접쓰기 공정을 이용하여 단일 마이크로파이버 표면에 미세 은 전극을 선택적으로 형성하는 방법을 제안한다. 나일론 마이크로파이버 표면에 styrene-butadiene-styrene （SBS） 기반 은 전구체 복합 코팅층을 형성하고, 532 nm 연속파 레이저를 조사하여 레이저가 조사된 영역에서만 전도성 은 전극을 형성하였다. 갈바노 스캐너와 맞춤형 회전 스테이지를 함께 사용함으로써 원통형 마이크로파이버 표면의 원하는 위치에 전극 패턴을 구현할 수 있었다. 레이저 조사에 의한 국소 활성화를 향상시키기 위해 Rhodamine B（RhB）를 광흡수성 첨가제로 도입하였다. RhB가 포함된 복합 코팅층은 532 nm 파장에서 향상된 광흡수와 국소 온도 상승을 보였으며, 이를 통해 레이저 조사 경로를 따라 은 기반 전도성 구조가 선택적으로 형성되었다. UV–vis 분석, COMSOL 열 시뮬레이션, FT-IR, XPS, SEM 및 표면 형상 분석을 통해 복합 코팅층의 형성, 국소 광열 활성화, 그리고 Ag-rich written region의 형성을 확인하였다. 재료 조성과 레이저 가공 조건은 전극의 저항, 선폭, 형태에 큰 영향을 주었다. Rhodamine B 농도, 은 전구체 농도, 레이저 파워, 스캔 속도를 조절함으로써 전도성과 패턴 해상도 사이의 상충 관계를 확인하였으며, 최적 조건에서 낮은 저항을 갖는 연속적인 은 전극을 형성하였다. 또한 굽힘 반경, 마이크로파이버 직경, 굽힘 방향, 전극 개수 및 전극 형상에 따른 기계적 안정성을 평가하였고, serpentine 전극은 직선 전극보다 향상된 굽힘 안정성을 나타냈다. 반복 굽힘 실험에서도 전극은 4000회 변형 후 안정적인 전기적 특성을 유지하였다. 마지막으로, 본 공정의 소자 확장성을 검증하기 위해 단일 마이크로파이버 위에 커패시터 구조와 resistor-capacitor （RC） 저역통과 필터를 구현하였다. 단일 마이크로파이버 기반 RC 필터는 시간 영역 및 주파수 영역 측정에서 저주파 신호를 통과시키고 고주파 신호를 감쇠시키는 동작을 보였다. 측정된 차단 주파수는 약 0.63 MHz였으며, 롤오프 기울기는 약 −18에서 −20 dB dec⁻¹로 나타나 1차 RC 저역통과 필터의 특성과 유사하였다. 종합하면, 본 연구는 단일 마이크로파이버 표면에 미세 은 전극을 마스크 없이 직접 형성할 수 있는 레이저 직접쓰기 기반 공정을 제시한다. 이 공정은 국소 전극 형성, 전극 형상 설계, 기계적 안정성, 수동 회로 소자 구현을 가능하게 하며, 소형 섬유형 전자소자 및 1차원 전자 플랫폼을 위한 실용적인 제작 전략을 제공한다.