MIT の研究者が完全 3D プリントのアクティブ エレクトロニクスで画期的な成果を達成

電子機器とセンサー インサイダー

このデバイスは、銅をドープしたポリマーの薄い 3D プリント トレースから作られています。それらには、研究者がスイッチに供給される電圧を制御することによって抵抗を調整できるようにする交差する導電領域が含まれています。 （画像：研究者提供）

アクティブエレクトロニクス（電気信号を制御できるコンポーネント）には、通常、情報を受信、保存、処理する半導体デバイスが含まれています。これらのコンポーネントはクリーン ルームで製造する必要があるため、少数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が必要です。

新型コロナウイルス感染症のパンデミック中、広範な半導体製造施設の不足が世界的なエレクトロニクス不足の一因となっており、消費者のコストが上昇し、経済成長から国防に至るまであらゆることに影響を及ぼした。半導体を必要とせずにアクティブな電子デバイス全体を 3D プリントできる機能があれば、世界中の企業、研究室、家庭でエレクトロニクス製造が可能になる可能性があります。

このアイデアはまだ遠いですが、MIT の研究者は、通常は半導体を必要とするアクティブ エレクトロニクスの重要なコンポーネントである、完全に 3D プリントされたリセッタブル ヒューズを実証することで、その方向に向けた重要な一歩を踏み出しました。

標準的な 3D プリント ハードウェアと安価な生分解性材料を使用して研究者が製造した半導体フリーのデバイスは、アクティブ エレクトロニクスの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じスイッチング機能を実行できます。

半導体トランジスタの性能を達成するにはまだ遠いですが、3D プリントされたデバイスは、電気モーターの速度調整などの基本的な制御操作に使用できる可能性があります。

「この技術には本物の脚力があります。半導体としてシリコンと競合することはできませんが、私たちの考えは、必ずしも既存のものを置き換えるのではなく、3Dプリンティング技術を未知の領域に押し込むことです。一言で言えば、これはまさに技術の民主化です。これにより、従来の製造センターから遠く離れたスマートハードウェアを誰でも作成できるようになります。」とMITのマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究員であり、3Dプリンティング技術を説明する論文の主著者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は述べた。デバイス。 これは仮想および物理プロトタイピングに表示されます。 この論文には、電気工学およびコンピュータ サイエンスの大学院生である筆頭著者の Jorge Cañada も参加しています。

シリコンを含む半導体は、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、その設計方法に応じて、導電領域と絶縁領域を持つことができます。これらの特性により、シリコンは現代のエレクトロニクスの基本的な構成要素であるトランジスタの製造に最適になります。ただし、研究者らは、シリコンベースのトランジスタのように動作できる、半導体を使用しないデバイスを 3D プリントすることを目指したわけではありません。

このプロジェクトは、押出印刷を使用して磁気コイルを製造する別のプロジェクトから発展しました。押出印刷とは、プリンターがフィラメントを溶かし、ノズルから材料を噴射して、オブジェクトを層ごとに製造するプロセスです。彼らは、使用していた材料、銅ナノ粒子がドープされたポリマーフィラメントに興味深い現象を発見しました。材料に大量の電流を流すと、抵抗が大幅に上昇しますが、電流が止まるとすぐに元のレベルに戻ります。

この特性により、エンジニアは、通常はシリコンやその他の半導体にのみ関連付けられる、スイッチとして動作できるトランジスタを作成できるようになります。バイナリ データを処理するためにオンとオフを切り替えるトランジスタは、計算を実行する論理ゲートの形成に使用されます。

研究者らは、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ポリマーをテストし、他の3Dプリンティングフィラメントでも同じ現象を再現しようと試みた。結局、リセット可能なヒューズとして機能できる別の印刷可能な素材は見つかりませんでした。

彼らは、材料が電流によって加熱されると材料中の銅粒子が広がり、それによって抵抗が急上昇し、材料が冷えると銅粒子が互いに近づくと元に戻るという仮説を立てています。彼らはまた、材料のポリマーベースが加熱されると結晶質から非晶質に変化し、冷却されると結晶質に戻ると考えています。これはポリマーの正の温度係数として知られる現象です。

「今のところ、それが私たちの最善の説明ですが、それが完全な答えではありません。なぜこの材料の組み合わせでのみこの現象が起こったのかを説明できないからです。私たちはさらに研究する必要がありますが、この現象が本物であることは疑いの余地がありません。」と彼は言いました。

研究チームはこの現象を利用して、半導体を使用しない論理ゲートの形成に使用できるスイッチを 1 ステップで印刷しました。このデバイスは、銅をドープしたポリマーの薄い 3D プリント トレースから作られています。それらには、研究者がスイッチに供給される電圧を制御することによって抵抗を調整できるようにする交差する導電領域が含まれています。

これらのデバイスの性能はシリコンベースのトランジスタほどではありませんでしたが、モーターのオン/オフなど、より単純な制御および処理機能には使用できます。彼らの実験では、4,000 サイクルのスイッチングの後でも、デバイスに劣化の兆候が見られないことがわかりました。

しかし、押出印刷の物理学と材料の特性に基づいて、研究者がスイッチをどれだけ小さくできるかには限界があります。数百ミクロンのデバイスを印刷することはできましたが、最先端の電子機器のトランジスタの直径はわずか数ナノメートルです。

「現実には、最高のチップを必要としないエンジニアリング状況が数多くあります。結局のところ、気にするのはデバイスがそのタスクを実行できるかどうかだけです。このテクノロジーはそのような制約を満たすことができます。」と彼は言いました。

ただし、半導体製造とは異なり、彼らの技術は生分解性材料を使用しており、プロセスで使用するエネルギーと廃棄物が少なくなります。ポリマー フィラメントには磁性微粒子などの他の材料をドープすることもでき、これにより追加の機能が可能になる可能性があります。

研究者らは将来、この技術を利用して完全に機能するエレクトロニクスを印刷したいと考えている。彼らは、押し出し 3D プリンティングのみを使用して、動作する磁気モーターを製造しようと努めています。また、彼らはプロセスを微調整して、より複雑な回路を構築し、これらのデバイスの性能をどこまで押し上げることができるかを確認したいと考えています。

「この論文は、押出ポリマー導電性材料を使用してアクティブ電子デバイスを作成できることを示しています。この技術により、電子機器を 3D プリント構造に組み込むことができます。興味深い応用例は、宇宙船に搭載されたメカトロニクスのオンデマンド 3D プリントです。」と、この研究には関与していないスタンフォード大学のウィリアム E. エアー工学名誉教授、ロジャー ハウ氏は述べています。

ソース