印刷エレクトロニクス：明日への柔軟・低コストイノベーション

低コスト印刷エレクトロニクス製造

印刷エレクトロニクスとバイオセンサーチップの低コスト・環境配慮型製造プロセスへのニーズが急増しています。NASAは、大気圧プラズマベースのプロセスを開発しました。エアロゾルアシスト・常温印刷により、堆積対象材料を含むエアロゾルを大気圧動作のコールドプラズマジェットに導入します。

堆積は、前駆体材料を含むエアロゾルと主ガスを含む大気圧プラズマの相互作用によるものです。エアロゾルアシストプラズマ堆積は、印刷・パターニングに適した高スループット・容易なプロセスで、産業生産へのスケールアップが容易。複数ジェットで異材料同時堆積も可能で、多様なプラットフォームに適応できます。

応用分野：医療技術、コンシューマーエレクトロニクス、電子ペーパー、セキュリティ、通信。

カーボンナノチューブ「スタンプ」でエレクトロニクスを印刷

MIT研究者たちは、カーボンナノチューブ（CNT）製スタンプを用い、電子インクを剛性・柔軟性基板に印刷する高速・高精度プロセスを開発しました。食品包装に腐敗警告を表示したり、窓に温湿度ベースの天気予報を表示したりする未来が見えてきます。

このプロセスは、高解像度ディスプレイ・タッチスクリーンの個々のピクセルを制御するほど微小なトランジスタ印刷が可能で、他の電子面製造にも比較的安価・迅速な手法となり得ます。

インクジェット印刷等は微細スケールで制御困難で、「コーヒーリング」パターン（インク溢れ）や不均一印刷による回路不完全を招きがちです。新手法はナノ多孔質スタンプを用い、ナノ粒子溶液（インク）を均一に基板へ転写します。

CNTはシリコン表面にハニカム状六角形や花形等多様なパターンで成長させ、薄いポリマー層でコーティング。インクがCNT全体に浸透し、スタンプ後にCNTが収縮しないよう配慮されています。銀、酸化亜鉛、半導体量子ドット等を含む電子インクを微量含浸させて使用します。

鍵はスタンプ圧力の制御。均一インク層を得るための必要力とナノ粒子濃度を予測するモデルを開発。スタンプ後加熱すると印刷パターンは高導電性を示し、高性能透明電極として機能します。今後は完全印刷エレクトロニクスの実現を目指します。

レーザー処理グラフェンで紙エレクトロニクスを実現

アイオワ州立大学研究者たちは、インクジェット印刷した多層グラフェン回路・電極をパルスレーザーで処理し、紙・ポリマー等の脆弱な印刷面を損傷せずに電気伝導度を向上させる手法を開発しました。

グラフェンは単原子層厚で電気・熱伝導に優れ、強靭・安定。インクジェット印刷後、通常は高温・化学処理で伝導度改善が必要でしたが、柔軟・使い捨て基板を劣化させる課題がありました。レーザー処理はこの課題を解決します。

コンピュータ制御レーザーでインクジェット印刷グラフェン酸化物を選択照射。インクバインダーを除去し、グラフェン酸化物をグラフェンに還元、微小フレーク数百万個を物理的に縫合。電気伝導度が1000倍以上向上。局所レーザー処理により平坦表面が3Dナノ構造（微小花弁状）に変化し、電気化学反応性が向上、化学・生物センサーに有用です。

低コスト・使い捨てグラフェンベース電気化学電極の創出へ道を開き、センサー、バイオセンサー、燃料電池、医療機器への応用が期待されます。

磁性インクで「印刷」される自己修復デバイス

カリフォルニア大学サンディエゴ校（UCSD）研究者たちは、磁場で特定配向に配列した微粒子からなる磁性インクを開発。裂け目両側の粒子が磁力で引き合い、インクで印刷されたデバイスが自己修復します。最大3mm幅の裂け目を約0.05秒で修復。従来の自己修復材料は外部トリガー必須で数分〜数日かかっていましたが、本システムは触媒不要で瞬間修復します。

バッテリー、電気化学センサー、着用型テキスタイル回路を印刷し、切断・引き離しでギャップを拡大しても自己修復し、導電性を最小損失で回復。Tシャツ袖に印刷した自己修復回路をLEDとコイン電池に接続し、布ごと切断しても数秒でLEDが再点灯しました。

今後は多様な成分のインクを開発し、幅広い応用を目指します。