電子機器をその場で印刷する新技術は、紙や人の肌を含む繊細な表面にも対応できるほど穏やかな方法であると、研究者らが報告しています。
この技術進歩により、高密着性の埋め込み型電子タトゥーや、患者ごとに合わせた生体センサーを組み込んだ絆創膏などの技術が実現する可能性があります。
「『印刷電子工学』と聞くと、基板と電子回路の設計データをプリンターに入れると、しばらくしてから完全に機能する電子回路が取り出せる、という期待を持つ人が多いでしょう」と、デューク大学電気・コンピュータ工学科准教授のアーロン・フランクリン氏は話します。
「長年にわたり、こうした『完全印刷電子工学』をうたう研究論文が数多く発表されてきましたが、実際には、焼成、洗浄、またはスピンコートで材料を塗布するために、試料を何度も取り出す工程が必要でした」とフランクリン氏は話します。「私たちの技術は、現実が一般的なイメージと一致する初めての例です」
研究者らは、この技術を2本の論文で説明しています。1本は Nanoscale 誌、もう1本は ACS Nano 誌に掲載されています。
電子タトゥーの起源
現在ノースウェスタン大学材料科学工学科教授のジョン・A・ロジャース氏は、2000年代後半にイリノイ大学で、いわゆる電子タトゥーの概念を初めて開発しました。皮膚に永久に注入される本物のタトゥーとは異なり、ロジャース氏の電子タトゥーは、同じく柔軟な電気部品を含む、薄くて柔軟なゴム製のパッチです。
この薄膜は一時的なタトゥーのように肌に貼り付き、初期型の柔軟電子機器には、心臓や脳の活動モニターや筋肉刺激装置が組み込まれていました。こうした種類のデバイスは商業化や大規模生産に向けて進んでいますが、表面にカスタム電子回路を直接追加して加工する必要がある場合など、一部の分野には適していません。
「直接印刷や付加製造が真に有用になるためには、印刷対象の全体を一度の工程で印刷できる必要があります」とフランクリン氏は話します。「より特殊な用途としては、生体標識や独自の検出機構に使える密接に接続された電子タトゥー、オンザフライでのカスタム電子機器の迅速な試作、そしてカスタマイズされた絆創膏に容易に組み込める紙ベースの診断などがあります」
1本目の論文では、フランクリン氏の研究室と、ベンジャミン・ワイリー化学教授の研究室が、エアロゾル式プリンターを使い、低温で任意の基板に印刷できる銀ナノワイヤーを含む新しいインクを開発した方法が説明されています。このインクは、追加処理なしで導電性を維持する薄膜になります。印刷後、インクは2分足らずで乾燥し、1000回以上50％の曲げひずみを受けた後も高い電気的性能を保持します。
1本目の論文に付随する動画では、大学院生のニック・ウィリアムズ氏が、自分の小指の下側に、電気的に作動する2本のリード線を印刷しています。指先の近くで、リード線を小型のLEDライトに接続します。その後、印刷された2本のリード線の下端に電圧を加えると、指を曲げたり動かしたりしても、LEDは点灯し続けます。
2本目の論文では、フランクリン氏と大学院生のシヘン・ルー氏が、この導電性インクをさらに発展させ、他の印刷可能な2つの部品と組み合わせて機能するトランジスタを作製しました。プリンターはまず、カーボンナノチューブの半導体ストリップを配置します。乾燥後、プリンターからプラスチックまたは紙の基板を取り外すことなく、プリンターは両側から数センチメートル伸びる2本の銀ナノワイヤーリード線を作成します。次に、元の半導体ストリップの上に、二次元材料である六方晶窒化ホウ素の非導電性誘電体層を印刷し、最後に銀ナノワイヤーのゲート電極を印刷します。
印刷電子工学のより優れた工程
現在の技術では、これらの工程のうち少なくとも1つで、追加処理のために基板を取り外す必要があります。例えば、不要な材料を洗い流す化学浴、層同士が混ざらないようにする硬化工程、電界を妨げる可能性のある有機物の痕跡を除去するための長時間の焼成などです。
しかし、フランクリン氏のその場印刷では、これらの工程はいずれも必要なく、材料の混合を避けるために各層を完全に乾燥させる必要があるにもかかわらず、これまでに報告された中で最も低い全体的な処理温度で動作します。
「霧化されたインク、特に窒化ホウ素が、少なくとも1時間半焼成しなければ機能する電子機器に必要な特性を発揮するとは、誰も考えていませんでした」とフランクリン氏は話します。「しかし、それを機能させられただけでなく、印刷後に2時間焼成しても性能が向上しないことも示しました。完全なその場印刷工程だけで、これ以上ないほど良好な状態だったのです」
フランクリン氏は、自身の印刷手法がウェアラブル電子機器の大規模製造工程に取って代わるとは考えていません。しかし、迅速な試作や、画一的なものでは対応できない状況などの用途には、潜在的な価値があると考えています。
「生体センサーなどの電子機器を組み込んだオーダーメイドの絆創膏を想像してください。看護師が作業台に歩み寄り、特定の患者に必要な機能を入力するだけでよいのです」とフランクリン氏は話します。「このようなオンデマンド印刷の機能が、その実現を後押しするかもしれません」
本研究は、国防総省の議会指定医療研究プログラム、米国国立衛生研究所、および米国国立科学財団の支援を受けています。
