ウェアラブルセンサーを革新：静電気印刷による超高速・バインダーフリー製造

南フロリダ大学機械工学助教授のイン・ゾン氏と彼女のチームが、ポリマーバインダーを使わずに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。彼らの製品を「イースキン（e-skin）」と呼んでいます。

Tech Briefs：柔軟センサー印刷に静電気力を使う発想は何から生まれたのですか？

イン・ゾン教授： 柔軟デバイス製造の共同研究者たちがスクリーン印刷で作っていました。つまり機能性粉末とバインダーを混ぜ、加熱して乾燥を待つ必要があり、時間がかかります。もっと速く、加熱・乾燥なしで印刷する方法を探していました。

私は別の面白いプロジェクトに取り組んでいました。コロナ放電でポリマーフィルムの表面処理をするものです。コロナが独特の強い電場を生成し、小さな物体を持ち上げられることに気づきました。乾燥粉末をフィルムの下に置いて、直接基板に引き寄せられないかと試したら、うまくいきました。

問題を発見し、すでに取り組んでいた技術が解決策になり得ることに気づきました。

Tech Briefs： 粒子が基板に引き寄せられた後、どうやって保持するのですか？

ゾン： 論文で説明した通り、厚さ8ミクロンの医療用テープを使っています。粘着コーティングで粒子を保持します。非常に薄いため、皮膚に貼っても感じません。

Tech Briefs： 製造時に異なる種類のセンサーをどう組み込みますか？

ゾン： この印刷技術は「汎用的」です。さまざまな機能性材料を印刷できます。例えばグラフェンやカーボンナノチューブ（CNT）を使えば、抵抗率変化で歪みを反映させられます。作動メカニズムは、歪みが粒子間距離を変え、抵抗変化を引き起こし、センサーの歪み量を反映します。

論文ではサーモクロミック粉末ベースの温度センサーも報告しています。前述の通り汎用印刷技術なので、さまざまな機能性材料を印刷できます。今は温度変化で色が変わる温度感応タトゥーの印刷を実証中です。湿度やアンモニア、一酸化炭素などさまざまなガスに感応する材料の印刷も試みています。

Tech Briefs： 商業実装についてどう考えていますか？ 全く異なる種類の3Dプリンターを構築する必要があるように思えます。

ゾン： はい、現在Jabil Inc.と協力してロールツーロールシステムを構築中です。これで高速デバイス製造が可能になります。バインダーを使わないので、加熱して乾燥を待つ必要がありません。このロールツーロールシステムで静電気力を発生させて印刷すれば、柔軟デバイスや3D構造さえ高速・低コストで製造できます。

Tech Briefs： コロナ生成に必要な高電圧の発生と制御は難しくありませんか？

ゾン： コロナ生成に20〜30キロボルト必要ですが、電流は非常に低く、0.1mA未満です。実験室設備は2ワット未満の電力で動作します。非常にエネルギー効率が良いです。

Tech Briefs： 高電圧が危害を及ぼさないよう確保するのは問題になりませんか？

ゾン： もちろんシステムを管理し、周囲の導電領域をすべて覆う必要があります。我々の観察では、電極ホルダーを絶縁層で覆えばうまく機能します。それほどトラブルはありませんでした。

Tech Briefs： カバーにどんな材料を使いますか？

ゾン： 今は実験室で単に絶縁テープを使っています。将来的にはより制御された表面コーティングや絶縁ホルダーを作る予定で、容易にできます。ポリマーでコーティングを実現し、3Dプリンターでプロトタイプを作れます。私のラボにはポリマー関連プロジェクトが複数あるので簡単です。

Tech Briefs： 「イースキン」歪みセンサー以外に他の応用を考えていますか？

ゾン： はい、例えばある会社とスマート歪みセンシングカーペットの話をしています。我々の技術は超低コスト・超高速製造で大面積製品に使えるため実用的です。アイデアは、何人が立っているかを識別できるカーペットを作ることです。それにより、部屋の占有人数に基づいてHVACシステムのエネルギー消費を調整できます。

物理リハビリ応用で同僚とも協力中です。同僚は脚の動きを制御しづらい人々と仕事をしています。我々のセンサーは超薄型で快適、十分大きく作れて装着可能です。それにより、彼らがどうすれば脚の動きをより良く制御できるかを特定するのに役立ちます。

将来的には多くの応用が考えられます。例えばロボットの手に取り付ければ、何かを掴む際にどれだけの圧力がかかっているか、どれだけの面積が接触しているかを感知できます。

Tech Briefs： 商用利用の準備がいつ頃できそうか、大まかな予測はありますか？

ゾン： 現在Jabilと協力して実験室に小型ロールツーロールシステムを構築中です。うまくいけばJabilに設置し、大量または大型センサーの製造を支援します。3〜5年かかるかもしれませんが、特に最近は予測が難しいです。

このインタビューの編集版は2022年1月号のTech Briefsに掲載されました。