MIT研究者ら、半導体不要の完全3Dプリント能動電子デバイスでブレークスルー

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銅ドープポリマーの薄い3Dプリント配線で作られたデバイス。交差する導電領域を含み、スイッチに供給される電圧を制御することで抵抗を調整可能。（画像：研究者提供）

能動電子デバイスと半導体の壁

能動電子デバイス（電気信号を制御するコンポーネント）は通常、情報を受信、保存、処理する半導体デバイスを含みます。これらのコンポーネントはクリーンルームで製造され、一部の専門製造センター以外では広く利用できない高度な製造技術を必要とします。

COVID-19パンデミック中、広範な半導体製造施設の不足が世界的な電子機器不足の一因となり、消費者のコストを押し上げ、経済成長から国防に至るまで影響を及ぼしました。半導体を必要とせずに能動電子デバイス全体を3Dプリントできるようになれば、世界中の企業、研究室、家庭に電子機器製造をもたらすことができます。

このアイデアの実現はまだ遠いですが、MITの研究者たちは、通常半導体を必要とする能動電子デバイスのキーコンポーネントであるリセッタブルヒューズを完全に3Dプリントで実証することで、その方向への重要な一歩を踏み出しました。

半導体フリーのスイッチングデバイス

研究者たちが標準的な3Dプリントハードウェアと安価で生分解性のある材料を用いて作製した半導体フリーのデバイスは、能動電子デバイスにおける処理操作に使用される半導体ベースのトランジスタと同様のスイッチング機能を実行できます。

まだ半導体トランジスタの性能には程遠いものの、この3Dプリントデバイスは電動モーターの速度制御のような基本的な制御操作に使用できる可能性があります。

「この技術には実現性があります。シリコン半導体と競合することはできませんが、私たちの目的は必ずしも既存のものを置き換えることではなく、3Dプリント技術を未知の領域へ押し進めることです。一言で言えば、これは技術の民主化についてです。これにより、従来の製造拠点から遠く離れた場所でも、誰でもスマートハードウェアを作れるようになるかもしれません」と語るのは、MITマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究科学者で、論文のシニア著者であるLuis Fernando Velásquez-García氏。論文は『Virtual and Physical Prototyping』誌に掲載されています。共著者は、電気工学・コンピュータサイエンス大学院生のJorge Cañada氏です。

銅ナノ粒子ドープポリマーの発見

シリコンなどの半導体は、特定の不純物を添加することで電気的特性を調整できる材料です。シリコンデバイスは、設計次第で導電領域と絶縁領域を持つことができ、トランジスタ製造に理想的です。しかし、研究者たちは当初、シリコンベースのトランジスタのように振る舞う半導体フリーのデバイスを3Dプリントしようとしたわけではありません。

このプロジェクトは、磁気コイルを押出プリントで製造する別のプロジェクトから派生しました。押出プリントでは、プリンタがフィラメントを溶かしてノズルから材料を押し出し、オブジェクトを層ごとに造形します。彼らは使用していた材料、銅ナノ粒子ドープポリマーで興味深い現象を観察しました。大量の電流を材料に流すと、抵抗が巨大にスパイクし、電流が止まるとすぐに元のレベルに戻るのです。

この特性により、エンジニアはスイッチとして動作するトランジスタを作製できます。これは通常、シリコンや他の半導体にのみ関連付けられる機能です。トランジスタはオン/オフを切り替えてバイナリデータを処理し、論理ゲートを形成して計算を行います。

研究者たちは、カーボン、カーボンナノチューブ、グラフェンをドープした他の3Dプリントフィラメントでも同じ現象を再現しようと試みましたが、最終的にリセッタブルヒューズとして機能する印刷可能な材料は見つかりませんでした。

メカニズムの仮説

「銅粒子が電流による加熱で広がり、抵抗スパイクを引き起こし、冷却時に粒子が近づいて抵抗が戻ると仮説しています。また、ポリマー基材が加熱で結晶から非晶質へ、冷却で再び結晶へ相転移する（ポリマー正温度係数現象）可能性もあります。現時点ではこれが最良の説明ですが、なぜこの材料組み合わせでのみ起こるのかは説明できません。更なる研究が必要ですが、この現象が実在することは疑いありません」とVelásquez-García氏。

論理ゲートへの応用と将来展望

チームはこの現象を利用し、半導体フリーの論理ゲートを形成するスイッチをワンストップでプリントしました。デバイスは銅ドープポリマーの薄い3Dプリント配線でできており、交差する導電領域によってスイッチへの電圧を制御して抵抗を調整します。

シリコンベースのトランジスタほどの性能はありませんが、モーターのオン/オフのような単純な制御・処理機能には使用可能です。実験では、4,000回のスイッチングサイクル後も劣化の兆候は見られませんでした。

しかし、押出プリントの物理と材料特性に基づき、スイッチをどこまで小型化できるかには限界があります。数百ミクロンのデバイスはプリント可能ですが、最先端エレクトロニクスのトランジスタは数ナノメートル径です。

「現実には、最高性能のチップを必要としない多くのエンジニアリング状況があります。結局のところ、デバイスがタスクを遂行できるかどうかがすべてです。この技術はそのような制約を満たせます」とVelásquez-García氏。

半導体製造とは異なり、この技術は生分解性材料を使用し、プロセスはエネルギー消費が少なく廃棄物も少ないです。ポリマーフィラメントは磁性マイクロ粒子など他の材料でドープすることもでき、追加機能を実現可能です。

将来的には、この技術で完全に機能するエレクトロニクスをプリントすることを目指しています。押出3Dプリントのみで動作する磁気モーターの製造を目指し、より複雑な回路を構築できるようプロセスを改良し、これらのデバイスの性能をどこまで向上できるかを探求しています。

「この論文は、押出ポリマー導電材料を用いて能動電子デバイスを作製できることを実証しました。この技術により、エレクトロニクスを3Dプリント構造物に組み込むことが可能になります。興味深い応用として、宇宙船上でのメカトロニクスのオンデマンド3Dプリントが挙げられます」とコメントするのは、スタンフォード大学のWilliam E. Ayer工学名誉教授Roger Howe氏（本研究には非関与）。

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