スマートフォンを分解すると、回路基板の上に、小さな都市のように、無数の電子チップや部品が配置されているのが見えるでしょう。各部品にはさらに小さな「チップレット」が含まれている場合があり、中には人間の髪の毛より細いものもあります。これらの要素は多くの場合、部品をつまみ、正確な配置で置くように設計されたロボットグリッパーによって組み立てられます。
しかし、回路基板にはますます小型の部品が詰め込まれるにつれ、ロボットグリッパーがこれらの物体を操作する能力は限界に近づいています。
「電子機器の製造では、小麦粉の粒と同程度か、それより小さいサイズの小型部品を扱い、組み立てる必要があります」と、機械工学科准教授John Hartの研究室に在籍していた元MIT博士研究員で研究科学者のSanha Kim氏は述べています。「そのため、既存の[ロボット]グリッパーや真空システムを単に小型化するのではなく、専用のピック・アンド・プレース・ソリューションが必要です。」
現在、Kim氏、Hart氏らは、人間の髪の毛より約1,000分の1細い、わずか20ナノメートル幅の物体をピックアップして配置できる、小型の「電気接着性」スタンプを開発しました。このスタンプは、小さなブラシの毛のように配列された、セラミックでコーティングされたカーボンナノチューブの疎な森から作られています。
スタンプに小さな電圧を印加すると、カーボンナノチューブが一時的に帯電し、微小な粒子を引き寄せることができる電気的な引力の突起を形成します。電圧をオフにすると、スタンプの「粘着性」がなくなり、目的の場所に物体を放すことができます。
Hart氏は、このスタンプ技術は製造現場向けに拡張し、マイクロスケールおよびナノスケールの特徴を印刷することが可能であり、例えば、より小型化したコンピュータチップ上に、より多くの要素を詰め込むことに利用できると述べています。この技術は、人工組織用の細胞など、他の小型で精緻な特徴のパターン形成にも使用できる可能性があります。さらに研究チームは、日用品をつかむための電圧駆動型パッドや、ヤモリのように登るロボットのための、マクロスケールで生物模倣型の電気接着性表面を構想しています。
「電圧を制御するだけで、表面を基本的に接着力ゼロの状態から、単位面積あたりで非常に強く何かを引っ張る状態へと切り替えることができます。その結果、ヤモリの足のような働きをすることもできるのです」とHart氏は述べています。
研究チームは本日、その成果を学術誌「Science Advances」に発表しました。
乾いたセロハンテープのように
既存の機械式グリッパーでは、約50〜100マイクロメートルより小さい物体を扱うことができません。これは主に、小さなスケールでは表面力が重力に勝つ傾向があるためです。スプーンで小麦粉を注ぐ際にこの現象を目にすることがあるでしょう。必然的に、いくつかの微細な粒子は、重力によって引き離されるのではなく、スプーンの表面に付着してしまいます。
「より小さなものを正確に配置しようとすると、表面力が重力に優越することが問題になります。これは、電子部品を統合システムへと組み立てる基礎的なプロセスなのです」とHart氏は述べています。
Hart氏と同僚たちは、印加電圧によって材料を接着するプロセスである電気接着が、布地、繊維、シリコンウェハー全体など、大きな物体をピックアップして配置するために、一部の産業分野で既に使用されていると指摘しました。しかし、より小さなスケールで電気接着を制御するための新しい材料設計が必要であったため、この電気接着が微視的レベルの物体に適用されたことはこれまでありませんでした。
Hart氏の研究グループは以前、カーボンナノチューブ（CNT）、すなわち格子状に結合した炭素原子を微小な管状に丸めたものを扱ってきました。CNTは卓越した機械的、電気的、化学的特性で知られており、乾式接着剤として広く研究されてきました。
「CNTベースの乾式接着剤に関するこれまでの研究は、ナノチューブの接触面積を最大化して、基本的に乾いたセロハンテープを作ることに焦点を当てていました」とHart氏は述べています。「私たちは逆のアプローチを取り、『接触面積を最小化するナノチューブ表面を設計し、必要なときに静電気を利用して接着をオンにしよう』と考えたのです。」
粘着性のオン／オフスイッチ
研究チームは、酸化アルミニウムのような薄い誘電体材料でCNTをコーティングし、ナノチューブに電圧を印加すると、セラミック層が分極、つまり正負の電荷が一時的に分離することを発見しました。例えば、ナノチューブ先端の正電荷が、マイクロスケールの電子素子などの近くにある導電性材料に、逆の分極を誘起しました。
その結果、ナノチューブベースのスタンプが素子に接着し、微小な静電気の指のように素子をつかみ上げました。研究者が電圧をオフにすると、ナノチューブと素子の分極が解消され、「粘着性」がなくなり、スタンプが離れて物体を所定の表面に配置できるようになりました。
研究チームは、スタンプ上に成長させるカーボンナノチューブの密度や、各ナノチューブのコーティングに用いるセラミック層の厚さを変えるなど、さまざまなスタンプ設計の組み合わせを検討しました。その結果、セラミック層が薄く、カーボンナノチューブの間隔が疎であるほど、オン／オフ比、すなわち電圧がオンのときとオフのときのスタンプの粘着性の差が大きくなることが分かりました。
実験では、研究チームはこのスタンプを使い、それぞれ人間の髪の毛より約1,000分の1細いナノワイヤーの膜をピックアップして配置しました。また、この技術を用いて、ポリマーや金属の微粒子、さらにマイクロLEDの精緻なパターンをピックアップして配置することにも成功しました。
Hart氏は、この電気接着印刷技術は、回路基板や小型電子チップのシステムの製造、さらにマイクロスケールのLEDピクセルを備えたディスプレイの製造に拡張できる可能性があると述べています。
「半導体デバイスの能力が絶え間なく向上する中、マイクロプロセッサ、センサー、光学デバイスなど、より小型で多様な部品を統合することが重要な必要性であり、機会でもあります」とHart氏は述べています。「これらは多くの場合、必然的に別々に製造されますが、次世代の電子システムを構築するためには統合される必要があります。私たちの技術は、こうしたシステムを拡張可能かつ費用対効果の高い方法で組み立てるために必要な隙間を埋める可能性があります。」
本研究は、一部、Toyota Research Institute、米国国立科学財団（National Science Foundation）、MIT-Skoltech Next Generation Programの支援を受けました。
