韓国の研究者が3Dプリントに液体金属を使用

出典: Additive Light

論文「高解像度の 3 次元構造を持つ液体金属の再構成可能な印刷」では、著者らが金属 3D 印刷の領域を超えた新しい技術を探求しています。液体金属 3D プリントにより、著者らは「多様な 3D 構造」を形成する「スケーラブルな」3D 統合を作成できます。この研究の一例として、再構成可能なアンテナを作成しました。

図 1: 液体金属の高解像度印刷。 (A) 印刷システムの概略図。 (B) 2Dおよび3D高解像度EGaInパターンのSEM画像。スケールバー、100 mm。挿入図：3D 構造の拡大 SEM 画像。スケールバー、100 mm。 (C) 印刷されたEGaInワイヤのAFM画像と断面プロファイル。スケールバー、2 mm。 (D) 1.9 mm幅のEGaInパターンのSEM画像。スケールバー、10 mm。 (E) PETフィルムとエポキシ樹脂（SU-8）上のEGaInの3Dパターンの走査型電子顕微鏡画像。スケールバー、10 mm。 (F) (B) で印刷された高解像度 EGaIn パターンの写真。スケールバー、1 cm。 (G) EGaInの相互接続パターンの写真。挿入図：上から見た写真。スケールバー、5 mm。 (H) 印刷速度に応じて印刷された EGaIn ラインの光学顕微鏡写真。スケールバー、40 mm。 (I) 線幅と印刷速度の関係を示すグラフ。 (J) ライン幅とノズル内径の関係。 (I) および (J) のエラーバーは SD を表します。

ここでは、デバイス内の変形に焦点を当てており、次のような「自由電子」のアプリケーションに重点を置いています。
• 伸縮性電子機器
• ウェアラブル電子機器
•ソフトアクチュエータ
•ロボット

これまで、これらのデバイスには、機能的な物体としてユーザーフレンドリーで操作しやすい可動部品も必要であり、適切な材料を見つけることが課題となっていました。著者らは、波形金属、金属ネットワーク、さまざまな複合材料などの導電性材料が開発されているものの、脆さが問題となることが多いと指摘している。このアプローチは有望ではありますが、必ずしも 3D プリントに拡張できるわけではなく、解像度が問題となる可能性があります。

「金属ナノ粒子（Ag や Cu など）インクを使用したフィラメントベースの直接インク書き込み方法は、高解像度印刷の実現可能性を示していますが、導電経路を形成するために追加の熱アニールまたは乾燥プロセスが必要であり、軟化した組織のようなマトリックスに損傷を与える可能性があります。さらに、印刷され熱アニールされたこれらの金属パターンは比較的硬く、剛性があります。そのため、デバイスが繰り返し変形すると、これらの金属電極に亀裂が生じたり、故障したりする可能性があります。」

研究者らは、共晶ガリウムインジウム（EGaIn）やガリウムインジウムスズ（ガリンスタン）などの液体金属について議論した。どちらも毒性が低く、揮発性が極めて低い。また、固体金属に比べて優れた電気伝導性も示します。マイクロ流体工学やフォトリソグラフィーは液体金属のパターン形成に使用できますが、その構造は 2D 領域に限定されます。著者らは、微細ノズルを使用して常温で液体金属を印刷することで、高解像度の構造を作成することができました。細い金属線を使用することで、液体金属から自立型構造物を作ることができ、実際にノズルで持ち上げたり移動させたりすることも可能です。

図 2: 液体金属を 3 次元構造に再構成する。 (A) 各再構成ステップの概略図。 (B) 再構成中の 2 つの接着力の模式図。 (C) Egain を基板から剥がすところ (左) と切り取るところ (右) の写真。スケールバー、100 mm。（D）パイプラインの状態とノズルの上昇速度の関係。 (E) 再構成の光学顕微鏡写真。印刷された水平線 (左) が持ち上げられ、再構成されます (右)。スケールバー、200 mm。 (F) 再構成された正方形コイルのSEM画像。四角いコイル内の内側のワイヤの端 (左) が持ち上げられ、再構成されます (右)。スケールバー、200 mm。 (G) Egain 3DブリッジのSEM画像。スケールバー、500 mm。挿入図: 3D ブリッジの拡大 SEM 画像。スケールバー、200 mm。 (H) EGaInにおける印加バイアスと応答電流密度のプロット。

注射器に取り付けられたノズルと5軸ステージ上に置かれた基板を使用して、研究サンプルとして高解像度アンテナを3Dプリントしました。研究チームはまた、相互接続を最小限に抑え、「小型デバイスでより高い統合を実現することを目指す」独立した電極構造も作成した。

「この高解像度の3D再構成法は、従来の製造技術と組み合わせて高度に統合された伸縮性デバイスに応用できる付加プロセスとして有望な戦略であり、次世代の電子デバイスへの応用に大きな期待が寄せられている」と研究者らは述べている。

多くの産業ユーザーが、強度がありながら軽量な複雑な形状を構築できるなどの利点を享受している一方で、多孔質金属バイオマテリアル、自動化された板金生産、炭化物含有量の高い独自の金属などの作成など、3D プリントの最も強力な媒体として金属が研究されています。

図 3: 直接印刷され再構成された液体金属の電気接点。 (A) 直接印刷（左）と再構成（右）の概略図。 (B) 総抵抗のチャネル長への依存性。エラーバーはSDを表します。 (C) Agパッドと直接印刷されたEGaIn間の電流電圧特性。 (D) Agパッドと再構成されたEGaIn間の電流電圧特性。 (E および F) 直接印刷 7 時間後の Ag パッド上の EGaIn の SEM 画像。 (GおよびH) 再構成7時間後のEGaInのSEM画像。スケールバー、200 mm。

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