青島理工大学：電界駆動ジェット堆積マイクロナノ3Dプリント技術

透明電熱ガラスは、透明導電材料に電気を流すとジュール効果により発熱する電熱ガラスの一種で、自動車、飛行機、船舶、建築物、ディスプレイなどの曇り止め、霜取り、除氷、国防、軍事分野など、非常に幅広く重要な用途があります。しかし、現在、学界と産業界の両方において透明電気加熱ガラスが直面している共通の課題は、総合的な性能の高い透明電気加熱ガラスをいかに低コストで大量生産するかということです。

青島理工大学山東付加製造工学技術研究センターの藍紅波教授のチームは、独自に開発した電界駆動ジェット堆積マイクロナノ3D印刷技術とUV支援マイクロ転写法を巧みに組み合わせる革新的な提案を行い、ガラス基板上に高い光電子性能、高い接着性、優れた環境適応性を備えた透明金属グリッドの製造を実現しました。金属グリッドの全体的な性能が高いのは、優れた導電性を持つ厚膜金属ペーストを使用して製造された高解像度、高アスペクト比の金属グリッド構造によるものです。

関連する結果は、2019年6月24日にトップクラスの国際学術誌「Advanced Materials」にオンライン掲載されました。朱暁陽博士と徐全マスターが共同筆頭著者であり、朱暁陽博士と藍紅波教授が共同責任著者です。このプロセスは、大面積に低コストで大アスペクト比のマイクロスケールモールドを印刷できる電界駆動ジェット堆積マイクロナノ 3D 印刷と、大アスペクト比の微細構造を正常に転写できる UV 支援マイクロ転写の優れた利点を完全に組み合わせています。

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902479

マイクロナノスケールの3Dプリントは、積層造形における最先端技術と研究のホットスポットです。しかし、マイクロナノスケールの3Dプリント技術は難易度が高く、敷居が高いため、現在は基本的にドイツや米国など数カ国が独占しており、我が国が早急に打開しなければならないボトルネック問題となっています。

青島理工大学山東付加製造工学技術研究センターの藍紅波教授のチームは、長年にわたりマイクロナノスケールの3Dプリンティングの研究に取り組んできました。近年、電界駆動ジェット堆積マイクロナノ3Dプリントという独自のマイクロナノ積層製造技術が提案・確立され、中国で初めて完全に独立した知的財産権を持つマイクロナノ3Dプリンターが開発されました。新しいマイクロナノ 3D 印刷技術として、電界駆動ジェット堆積マイクロナノ 3D 印刷は、透明電極、血管ステント、組織スキャフォールド、マイクロ光学レンズ、フレキシブルエレクトロニクス、紙ベースのエレクトロニクス、大面積マイクロモールドなど、多くの分野で大きな応用の見通しを示しています。

図1. a) TGH製造プロセスの概略図。ステップ 1: EFD マイクロスケール 3D 印刷技術を使用して PMMA 型を製造し、PMMA 型から PDMS 型を複製しました。ステップ 2: 銀ペーストを削り取り、PDMS 型に充填して硬化させます。ステップ 3: PDMS モールドをガラス基板上に印刷し、液体フォトレジストで覆います。その後、紫外線で硬化させ、PDMSを型から外してガラス基板に転写しました。ステップ 4: フォトレジストとポリマーが銀ペースト内で分解され、焼結されます。 b) PMMAストライプパターンモールドのSEM画像。 c) PMMA モールドから複製されたストライプパターンを持つ凹型 PDMS モールドの SEM 画像。 d) 銀ペーストを充填した凹型 PDMS モールドの SEM 画像。 e) PDMS モールドから転写されたストライプパターンを持つガラス基板上の硬化した銀ペーストとフォトレジストの SEM 画像。 f) 部分 (e) の拡大 SEM 画像、g) (f) の SEM 側面図。

図2. 銀グリッドのSEM画像。
図3. 銀メッシュの光電特性。
図4. 銀メッシュの加熱と機械的特性。
図5. TGH除氷試験（ガラス基板面積：100 mm×100 mm、厚さ：5 mm、銀グリッド面積：60 mm×70 mm、間隔：1000 μm、幅：15 μm、AR：0.7）。
要約すると、チームは、EFD マイクロスケール 3D プリント PMMA モールドと厚膜銀ペーストの UV 支援マイクロ転写を使用して、高性能 TGH を製造するための新しい安価な技術を開発しました。 TGH は、T 値が 93.9%、H 値が 1% 未満、R 値が 0.21 Ω 平方 ±1 と、優れた光電特性を備えています。さらに、温度分布と時間応答を監視することにより、提案された TGH 設計は均一で安定した加熱性能を持つことが実証されました。また、化学的、機械的安定性にも優れており、90 日後には大気環境下での Rs の増加はごくわずかです。これには、100°C での長期超音波振動などの過酷な環境が含まれます。さらに、銀メッシュとガラス基板間の接着力は十分に強いため、100 回の接着実験後も R はほとんど変化しません。さらに、提案された TGH の実際的な実現可能性は、除氷テストの成功によって実証されています。これらの利点は、高 AR の PMMA モールドを印刷できる EFD マイクロスケール 3D 印刷と、厚膜銀ペーストを正常に転写できる UV 支援マイクロ転写プロセスを新たに組み込んだことによるものです。結果として得られる TGH は、これまでにないパフォーマンスを提供します。したがって、本論文で提案された製造方法は、低コストで高性能な TGH を製造するための有望な戦略を提供します。

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