ペーパー回路：芸術的プロジェクトのための柔軟で美的なエレクトロニクス

コンパクトな回路を作る従来の方法はプリント基板を使用しますが、これらの硬いガラス繊維ピースは常に実用的ではありません。グリーティングカード、絵画、絵などの芸術的プロジェクトに取り組むとき、回路を保持する柔軟な構造が必要です。フレックスPCBを使用することを考えるかもしれませんが、ペーパー回路と比較して構築がより複雑で、コストがかかります。したがって、後者がより有利であり、以下で詳しく見てきました。

ペーパー回路とは？

名前が示す通り、ペーパー回路は紙の上に構築された機能する電子回路です。このアイテムは、伝統的な美術技法を使用してペーパー回路プロジェクトを作成するために、美学と機能性を組み合わせた点でユニークです。

コイン電池を用いたペーパー回路

出典：Wikimedia Commons

ペーパー回路の作り方

ペーパー回路の作成には以下の4つのステップが必要です。

トレースの作成

トレースは、電子部品を接続して電気回路を形成するための銅で構成される経路または線です。ペーパー回路プロジェクトでは、テープ、塗料、インクを使用してトレースを作成します。

導電性銅テープトレース

導電性テープは、ペーパー回路を開発する際に最もアクセスしやすいオプションの一つです。また、インクや塗料では不可能なはんだ付けも可能です。

ペーパー回路で使用される導電性銅

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銅箔テープは低コストのため最も一般的に使用されるタイプです。5mmほどの薄さから2インチほどの厚さまで、さまざまなサイズで入手できます。

一方、ファブリックテープは銅、コバルト、ニッケルで構成され、その主な利点は曲げ/折り曲げに耐えて破損しないことです。

導電性テキスタイルテープ

• テープを剥がし、配置したい場所の紙に押し付けて貼り付けます
• 回路部品が座るためのスペースをテープに残します（部品間で連続したテープを使用しないでください）
• コーナー周りでは整然とした折り曲げ技術を使用するか、テープを切ってはんだ付けします
• 銅箔テープを使用する場合、曲げたリードをトレースに固定するためにはんだ付けまたはクリアテープを貼ります
• ファブリックテープの場合、導電性接着剤を塗布するか、導電性糸材で接合部を縫います

導電性塗料トレース

通常の絵画のように、導電性塗料は芸術的なペーパー回路プロジェクトの構築に役立ちます。ほとんどの人は絞り瓶や筆を使ってトレースを描き、カーブや渦を巻きながら電気部品をリンクします。テープに関係なく、以下の手順で塗布します：

壁に使用された導電性塗料

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塗料を使用するもう一つの利点は、導電性材料が電気部品をトレースに接着できることです。しかし、塗装は汚れやすく、乾燥に多くの時間がかかります。塗料の塗布には以下の手順が必要です：

• マーカーや鉛筆で最初にトレース線をスケッチします
• 接着剤を使用して部品を紙に固定します
• 小さな部品にはピンセットを使用して正確に配置します
• トレースに沿って、パッド/ワイヤーの上に塗料を塗布します
• テスト前に塗料が乾くのを待ちます

導電性インクトレース

導電性インクトレースは通常、描画を簡素化するためにプリフィルされた電気塗料ペンとして提供されます。インクは乾燥時間が短いですが、部品の固定はより複雑です。

導電性インクペーパー回路

最も一般的なペンは回路スクライブとAgIC回路メーカーです。塗布には以下の手順を使用します：

• 鉛筆/ステンシルを使用して回路をスケッチします
• コンピュータで回路を設計する場合、インクがプリンタートナーによく付着しないため、線ではなく塗りつぶしアウトラインを残します
• 電気塗料ペンを使用して慎重に線をトレースします
• 部品用の大きなパッド/円と、電子部品間の連続した線を作成します
• 導電性接着剤、回路シール、またはテープを使用して電子部品をインクトレースに固定します

コンポーネントの選択

トレースを作成した後、次のステップは回路に必要なコンポーネントを選ぶことです。この選択はトレースのタイプに依存します。

スルーホールコンポーネント

LEDライト、抵抗、ダイオードなどの長いリードを持つ部品がこのカテゴリに該当します。

回路基板上のいくつかのスルーホールコンポーネント

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以下を使用する場合、トレースに取り付けるためにより多くの表面積を作るためにリードを曲げることができます：

• ファブリックテープ
• 銅テープ
• 電気塗料

表面実装コンポーネント

SMDコンポーネントでの作業はトリッキーですが、その低プロファイル構造は、キュートなカードやその他のペーパー回路プロジェクトで紙の表面に平らに座るのに理想的です。

PCB上の表面実装コンポーネント

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これらの部品は以下で使用できます：

• 導電性塗料
• 銅テープ
• 導電性インク

LilyPadコンポーネント

LilyPadコンポーネントは、大きなパッドを備えた低プロファイル設計のため、ペーパー回路に最適です。

LilyPadコンポーネント

出典：Wikimedia Commons

以下で使用できます：

• ファブリックテープ
• 銅テープ

Chibitronics回路シール

これらのシールは導電性接着剤を備え、紙の上に貼り付けるのに最適です。

Chibitronics回路シール

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それらはかなり高価ですが、導電性塗料、銅テープ、またはファブリックテープシールを使用できます。

Circuit Scribeモジュール

Circuit Scribeモジュールは磁気式で、紙の表面の後ろに金属シートが必要で、トレースとモジュールを一時的に接続します。

接続の作成

トレースを作成し、コンポーネントを選択した後、次のステップはそれらを接続することです。これには5つの方法があります。以下が可能です：

はんだ付け

銅テープでのみ機能します。回路シール、THT、SMD、LilyPadコンポーネントをはんだ付けできます。

クリアテープ

クリアテープを使用して、THTまたはSMDコンポーネントを銅テープに取り付けます。

Z軸テープ

Z軸テープは、接続のための大きな表面積を持つコンポーネント、銅テープ、広い領域の導電性インクに使用するのに理想的な圧力感知型両面テープです。

導電性塗料

導電性塗料はコールドはんだ接合を作成し、乾燥してコンポーネントを取り付けます。非柔軟な表面でTHTとSMDコンポーネントに使用できます。

導電性接着剤/エポキシ

このオプションは高価で、長い乾燥時間を必要とし、一部の接着剤は加熱セットを必要とします。しかし、ほぼすべてのコンポーネントとトレースで機能します。これらには：

• 導電性インク
• 銅テープ
• THT、SMD、およびLilyPadコンポーネント

プロジェクトへの電力供給

最後のステップは、コインセル電池を使用してプロジェクトに電力を供給することです。トリッキーな部分は、電池を回路に取り付け、電池ホルダーを作成することです。あるいは、電池ホルダーモジュールまたはタブ付き電池を使用できます。

コインセル電池ホルダー

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ペーパー回路基板研究の進歩

ペーパー回路基板の分野は停滞していません。長年にわたり、研究により透明なセルロースナノペーパーが出現し、フレックスPCB基板と同様に機能します。

ナノペーパーは、プラズマメタライゼーションプロセスの作成後に生まれました。このプロセスは文書をはんだ付け可能な回路基板に変換し、セルロース基板にコンポーネントを取り付けることで紙へのメモリ印刷を可能にします。

ペーパー回路基板の紙の特性

紙は多孔質で、導電性インクが浸透して分断される問題を引き起こす可能性があります。また、紙を不安定にするシンタリングプロセスの問題もあります。

しかし、研究チームが物理蒸着をすべての製造ステップに適用した後、これらはすべて非問題になりました。

物理蒸着 (PVD)

PVDは、材料を凝縮相から気相へ、またはその逆に変換し、原子レベルで薄い凝縮膜を作成します。

プロセスは、気体プラズマまたは高温真空のいずれかを使用して変換を行います。その後、圧力差を利用して低圧源から紙へ蒸気を移動させます。最後のステップは、蒸気を紙に凝縮させて薄膜コーティングを形成することです。

物理蒸着プロセス

出典：Wikimedia Commons

薄膜コートは通常、アルミニウム酸化物などの固体導電性材料で、優れた電気的特性を持つ安定した再現可能なメモリデバイスを作成します。

プラズマメタライゼーション

プラズマメタライゼーションも、紙をPCBとして機能させるため、有望な結果をもたらします。銀ペーストでコーティングされた基材に、粉末導電性金属を含む高圧スプレーをプラズマスプレーヘッドで提供します。

金属が基材をコーティングした後、高温プラズマジェットがそれを溶かして2層を結合し、高導電性基板を作成します。

ペーパーPCBは将来的に新しい用途につながる可能性があります

ペーパー回路のこれらの進歩にもかかわらず、この技術を強化し、大規模生産向けに開発するための研究は進行中です。

可能性を考えてみてください。医療や軍事用に折り畳み可能、トリミング可能、3Dペーパー回路を持つことを想像してください。同じことが生分解性PCBによる産業用途にも適用されます。

明らかに、ペーパーPCBの分野は大きな可能性を示しており、さらなる研究はそれをさらに良くするだけです。この技術についてもっと知りたい場合は、専門家チームからの洞察を得るためにご連絡ください。