プリンテッドエレクトロニクス:明日のための柔軟で低コストのイノベーション

低コストのプリンタブルエレクトロニクス製造

プリンタブルエレクトロニクスやバイオセンサーチップを製造するための、低コストで環境に優しいプロセスのニーズが急速に高まっています。 NASA は、プリンタブルエレクトロニクスおよび機能性コーティングを製造するための大気圧プラズマベースのプロセスに対する独自のアプローチを開発しました。このシステムには、エアロゾル支援の室温印刷が含まれており、堆積に必要な材料を運ぶエアロゾルが、大気圧で動作する低温プラズマジェットに導入されます。

MITの研究者らは、電子インクを硬い表面と柔軟な表面に印刷するカーボンナノチューブから作られたスタンプを製作した。（サンハ・キム、ダヌシュコディ・マリアッパン）

堆積は、前駆体材料を含むエアロゾルと一次ガスを含む大気圧プラズマとの相互作用の結果です。エアロゾル支援プラズマ蒸着は、印刷とパターニングのための高スループットで容易なプロセスであり、工業生産に簡単に拡張できます。複数のジェットを使用してさまざまな材料を堆積でき、このアプローチはさまざまなプラットフォームに適応できます。

このシステムの商用アプリケーションには、生物医学技術、家庭用電化製品、電子ペーパー、セキュリティ、通信などが含まれます。

ナノチューブを使用した「スタンピング」エレクトロニクス

アイオワ州立研究者のSuprem Das氏（左）とJonathan Claussen氏は、紙に印刷されたグラフェンエレクトロニクスの処理にレーザーを使用している。（クリストファー・ガノン）

食品が腐りそうであるというデジタル警告を表示する食品のパッケージや、屋外の温度と湿度の測定値に基づいて天気予報を表示する家の窓を想像してみてください。

MIT のエンジニアは、これらの電子表面を実現できる高速で正確な印刷プロセスを発明しました。研究チームは、硬い表面と柔軟な表面に電子インクを印刷できるカーボンナノチューブで作られたスタンプを開発しました。このプロセスでは、高解像度ディスプレイやタッチスクリーンの個々のピクセルを制御するのに十分な大きさのトランジスタを印刷できる必要があります。このプロセスは、他の電子表面を製造するための比較的安価で迅速な方法も提供する可能性があります。

インクジェット印刷などの技術は非常に小さなスケールでの制御が難しいため、インクが境界線からこぼれる「コーヒーリング」パターンや不完全な回路につながる不均一な印刷が発生する傾向があります。新しい技術では、ナノ粒子の溶液、つまり「インク」がスタンプを通って印刷される表面上に均一に流れることを可能にするナノ多孔質スタンプを使用します。

カーボンナノチューブはシリコンの表面に、蜂の巣のような六角形や花の形など、さまざまなパターンで成長します。ナノチューブは、インクがナノチューブ全体に浸透し、インクがスタンプされた後にナノチューブが収縮しないように、薄いポリマー層でコーティングされています。次に、銀、酸化亜鉛、半導体量子ドットなどのナノ粒子を含む少量の電子インクがスタンプに注入されます。

正確で高解像度のパターンを印刷する鍵は、インクをスタンプするために加える圧力の量にあります。基材上にインクの均一な層をスタンプするのに必要な力の量と、インク中のナノ粒子の濃度を予測するモデルが開発されました。さまざまなデザインのインクパターンをスタンプした後、チームは印刷されたパターンの導電性をテストしました。スタンピング後にデザインを加熱すると、印刷されたパターンは導電性が高く、高性能の透明電極として機能することができました。今後、チームは完全なプリンテッドエレクトロニクスの可能性を追求する予定です。

レーザー処理された印刷グラフェンによりペーパーエレクトロニクスが可能

Tシャツの袖にプリントされた自己修復回路にLEDライトとコイン電池を接続しました。回路と回路が印刷されている生地の両方が切断され、その時点で LED が消えました。数秒以内に、回路の両側が再び結合して自己修復すると、LED が再び点灯しました。

グラフェンカーボンハニカムは厚さが原子 1 個分で、電気と熱を伝導し、丈夫で安定しています。インクジェットプリンターを使用して多層グラフェン回路と電極を印刷する最近のプロジェクトは、柔軟でウェアラブルな低コストエレクトロニクスへのグラフェンの使用につながりました。しかし、印刷後は、導電性とデバイスのパフォーマンスを向上させるためにグラフェンを処理する必要があります。これは通常、高温や化学薬品を必要とし、プラスチックフィルムや紙などの柔軟な印刷面や使い捨ての印刷面を劣化させる可能性があります。

アイオワ州立大学の研究者は、レーザーを使用してグラフェンを処理する方法を開発しました。インクジェット印刷された多層グラフェン電気回路と電極をパルスレーザープロセスで処理することにより、紙、ポリマー、その他の壊れやすい印刷表面を損傷することなく、導電性が向上しました。

インクジェット印刷されたグラフェンは、生物学的用途のセンサー、エネルギー貯蔵システム、導電性コンポーネント、紙ベースのエレクトロニクスなどの新しい用途に使用できる導電性材料に変換されます。

エンジニアらは、インクジェット印刷された酸化グラフェンを選択的に照射するコンピューター制御のレーザー技術を開発した。この処理によりインクバインダーが除去され、酸化グラフェンがグラフェンに還元され、何百万もの小さなグラフェンフレークが物理的に縫い合わされます。このプロセスにより、導電性が 1,000 倍以上向上します。また、局所的なレーザー処理により、印刷されたグラフェンの形状と構造が平坦な表面から、表面から立ち上がる小さな花びらに似た隆起した 3D ナノ構造を持つものに変化します。粗く隆起した構造により、グラフェンの電気化学的反応性が向上し、化学センサーや生物学センサーに役立ちます。

この研究により、センサー、バイオセンサー、燃料電池、医療機器などの用途向けに、低コストで使い捨てのグラフェンベースの電気化学電極を作成する道が開かれます。

磁気インクで「印刷」された電子デバイス

カリフォルニア大学サンディエゴ校 (UCSD) のエンジニアは、自己修復バッテリー、電気化学センサー、ウェアラブルな繊維ベースの電気回路の製造に使用できる磁気インクを開発しました。インクは、磁場によって特定の配置に配向された微粒子でできており、これにより、涙の両側の粒子が互いに磁気的に引き付けられ、インクで印刷されたデバイスが自動的に修復されます。この装置は、最大 3 ミリメートルの裂傷を修復します。

既存の自己修復材料では、修復プロセスを開始するために外部トリガーが必要です。また、作業には数分から数日かかります。新しいシステムは機能するために外部触媒を必要とせず、損傷は約 0.05 秒以内に修復されます。

このインクは、バッテリー、電気化学センサー、ウェアラブルな繊維ベースの電気回路の印刷に使用されました。その後、デバイスを切断したり引き離したりして、隙間がどんどん広がっていき、デバイスが損傷しました。デバイスは依然として自己修復し、最小限の導電性を失いながら機能を回復しました。

Tシャツの袖に自己修復回路をプリントし、LEDライトとコイン電池を接続した。回路とそれが印刷された生地の両方が切断されました。その時点でLEDが消灯しました。数秒以内に、回路の両側が再び結合して自己修復し、導電性が回復すると、LED が再び点灯し始めました。将来的には、エンジニアは、幅広い用途に合わせて、さまざまな成分を使用したさまざまなインクを作成することを構想しています。