Q＆A：ウェアラブルセンサーの超高速製造

サウスフロリダ大学の機械工学の助教授であるYingZhongと彼女のチームは、ポリマーバインダーなしでウェアラブルセンサーを印刷する新しい方法を発明しました。彼らは自分たちの製品をe-skinと呼んでいます。

技術概要 ：フレキシブルセンサーの印刷に静電力を使用することを思いついたのはなぜですか？

Ying Zhong教授： 柔軟なデバイスを製造している協力者が何人かいました—スクリーン印刷でそれらを印刷しました。つまり、機能性粉末をバインダーと混合し、加熱し、乾燥するのを待つ必要があります。これには長い時間がかかります。そのため、加熱や乾燥を行わずに、より迅速に印刷する方法を探していました。

私は別の興味深いプロジェクトに取り組んでいました。コロナ放電を使用してポリマーフィルムの表面を処理することです。コロナは、小さな物体を持ち上げるために使用できる独特のタイプの強い電界を生成できることに気づきました。そのため、フィルムの下に乾燥粉末を配置して、粉末を直接基板に引き付けることができるかどうか疑問に思いました。試してみたところ、うまくいきました。

問題を発見し、すでに取り組んでいるテクノロジーが解決策になる可能性があることに気づきました。

テクニカルブリーフ： それがテクノロジーの進歩がしばしば起こる方法だと思います。次の質問は、粒子が基板に引き付けられると、どのようにそこに保持されるのかということです。

中： 公開された論文で説明したように、粒子を保持するための粘着コーティングが施された厚さ8マイクロメートルの医療用テープを使用しています。とても薄いので、肌に密着させても感じません。

テクニカルブリーフ： これを製造するときに、さまざまな種類のセンサーをどのように組み込みますか？

中： この印刷技術は「普遍的」であり、さまざまな種類の機能性材料を印刷できます。したがって、たとえば、ひずみの変化を反映して抵抗率を変化させるグラフェンまたはカーボンナノチューブ（CNT）を使用できます。動作メカニズムは、ひずみが粒子間の距離を変化させ、センサーのひずみの大きさを反映する抵抗の変化を引き起こすことです。

また、論文ではサーモクロミック粉末をベースにした温度センサーについても報告しています。私が言ったように、これは普遍的な印刷技術です—さまざまな種類の機能性材料を印刷することができます。現在、温度が変化すると色が変化する温度に敏感なタトゥーを印刷できることを示しています。また、湿度や、アンモニア、一酸化炭素などのさまざまな種類のガスに敏感な素材を印刷しようとしています。

テクニカルブリーフ： これを商業的に実装する方法について考えましたか。まったく別の種類の3Dプリンターを作成する必要があるように思われます。

中： はい、現在Jabil、inc。と協力しています。高速でデバイスを製造できるロールツーロールシステムを構築します。バインダーを使用していないので、熱を加えてから材料が乾くのを待つ必要がありません。つまり、このロールツーロールシステムを使用して印刷し、静電力を生成することで、柔軟なデバイスや3D構造を高速かつ低コストで製造できます。

テクニカルブリーフ： コロナを生成するために必要な高電圧を生成して処理するのは難しいですか？

中： コロナを生成するには20〜30キロボルトが必要ですが、電流は非常に低く、0.1 mA未満です。実験装置は、2ワット未満の電力を使用します。これは、非常にエネルギー効率が高いです。

テクニカルブリーフ： 高電圧が害を及ぼさないようにすることは問題ですか？

中： もちろん、システムを管理し、周囲の導電性領域をすべてカバーする必要があります。私たちの観察によれば、電極のホルダーを絶縁層で覆っている限り、それは非常にうまく機能するはずです—私たちはそれでそれほど問題にぶつかることはありませんでした。

テクニカルブリーフ： カバーにはどのような素材を使用していますか？

中： 今のところ、私たちのラボでは、単に絶縁テープを使用しています。将来的には、より適切に制御された表面コーティングまたは絶縁ホルダーを作成することを計画しています。これは簡単に実行できます。ポリマーを使用してコーティングを実現し、3Dプリンターを使用してプロトタイプを製造できます。私の研究室には複数のポリマー関連のプロジェクトがあるので、それは簡単なはずです。

テクニカルブリーフ： 「e-skin」ひずみセンサーに加えて、他のアプリケーションを念頭に置いていますか？

中： はい、たとえば、私たちはスマートなひずみ検知カーペットの製造について会社と話し合っています。これは、大面積の製品の印刷に使用できる非常に低コストで超高速の製造技術であるため、実用的になります。何人の人が立っているかを識別できるカーペットを作るというアイデアです。次に、たとえば、部屋の居住者の数に基づいてHVACシステムのエネルギー消費量を調整できます。

また、同僚と協力して、リハビリテーションの申請を行っています。私たちの同僚は、足の振る舞いを制御するのが難しい人々と協力しています。当社のセンサーは超薄型であるため、非常に快適で、着用するのに十分な大きさにすることができます。これは、脚の動作をより適切に制御する方法を特定するのに役立ちます。

多くの可能な将来のアプリケーションがあります。たとえば、ロボットの手に取り付けることができます。何かを拾い上げたい場合は、加えられている圧力と接触している領域を感知できます。

テクニカルブリーフ： これがいつ商用利用できるようになるかについて、大まかな推測はありますか？

中： 現在、私たちはJabilと協力して、ラボに小さなロールツーロールシステムをセットアップしています。それがうまくいけば、私たちはそれをジェイビルに設置し、彼らが大量または大きなサイズのセンサーを製造するのを手伝います。それには3〜5年かかるかもしれませんが、特に最近では、予測するのは困難です。

このインタビューの編集版は、TechBriefsの2022年1月号に掲載されました。