研究者らが導電性MXeneインクを製造し、マイクロスーパーキャパシタを印刷

出典: Additive Light

アイルランドのドレクセル大学とトリニティ・カレッジの研究者らは、導電性の高い2D材料MXeneを使用してインクジェットプリンター用の導電性インクを開発した。最近 Nature Communications に発表された結果によると、このインクはスーパーキャパシタなどの柔軟なエネルギー貯蔵コンポーネントをあらゆるサイズや形状で印刷するために使用できることが示されています。

導電性インクは登場してほぼ 10 年になりますが、今後 10 年間で急速に成長すると予想される数億ドル規模の市場となっています。これは、高速道路の通行料金トランスポンダーで使用される無線周波数識別タグ、携帯型電子機器の回路基板、および埋め込み型無線アンテナとして車の窓に貼り付けられ、霜取りを助けるために使用されています。しかし、この技術がより広く使われるようになるには、導電性インクの導電性を高め、さまざまな表面に塗布しやすくする必要があります。

ドレクセル大学工学部材料科学工学科教授で、テクノロジーにおける新素材の利用を研究しているユーリ・ゴゴツィ博士は、ドレクセル大学のナノマテリアル研究所が開発したインクが、両方の分野で大きな進歩をもたらすと考えています。

「これまで、導電性インクは高解像度および高電荷ストレージデバイスの印刷にはあまり成功してきませんでした」とゴゴツィ氏は述べました。「しかし、私たちの研究結果では、高度なインクジェットプリンターで作られたオールMXeneプリントのマイクロスーパーキャパシタは、既存の他の導電性インクエネルギーストレージデバイスよりも桁違いに優れていることが示されています。」

研究者たちはナノ銀、グラフェン、ガリウムなどの新しい導電性材料からインクを作成する方法に着実に取り組んでいますが、それらを製造プロセスにシームレスに組み込むという課題に依然として直面しています。ドレクセル大学材料科学工学部の助教授であり、MXene インク研究の共著者でもあるババク・アナソリ博士によると、これらのインクのほとんどは 1 回のステップで塗布することはできないとのことです。

「他のほとんどのナノインクでは、粒子をまとめ、高品質の印刷を可能にするために添加剤が必要です。そのため、印刷後に添加剤を除去するための追加の手順（通常は熱処理または化学処理）が必要になります」とアナソリ氏は言う。「MXene 印刷では、MXene を水に溶かしたもの、または MXene を有機溶液に溶かしたものだけを使用してインクを作ります。つまり、追加の手順なしで乾燥できるということです。」

MXenes は、2011 年にドレクセル大学で開発された炭素ベースの 2D 層状材料の一種で、導電性を維持しながら水やその他の有機溶媒などの液体と混合できる独自の機能を備えています。そこでドレクセル大学の研究者たちは、導電性粘土から電磁干渉遮蔽コーティング、ほとんど目に見えない無線アンテナまで、さまざまな形でそれを製造し、テストしています。

商業用プリンター用のインクを製造するために濃度を調整するのは、時間と反復の問題です。インク内の溶剤と MXene の濃度は、さまざまな種類のプリンターに合わせて調整できます。

「もし本当に技術を大規模にし、一般向けに提供したいのであれば、それは非常にシンプルで、1ステップで実行できなければなりません」とアナソリ氏は言う。「ほとんどの家庭にインクジェットプリンターがあるので、適切なインクを作ることができれば、誰でも未来の電子機器やデバイスを作ることができるとわかっています。」

研究の一環として、ドレクセル大学の研究チームは印刷の専門家であるトリニティ大学の研究者と協力し、紙からプラスチック、ガラスまでさまざまな基材に、簡単な回路、マイクロコンデンサ、テキストなどさまざまな印刷物でMXeneインクをテストしました。そうすることで、一定の太さの線を印刷できること、そしてインクの電流通過能力が厚さによって変化することを発見しました。これらはどちらも電子部品の製造において重要な要素です。印刷物は優れた導電性を維持しており、これはカーボンナノチューブやグラフェンを含むすべての炭素ベースの導電性インクの中で最も高いものです。

これらは、バッテリーが切れたときに電源をオンに維持したり、電力サージから保護したり、充電プロセスを高速化したりするなど、電子機器において重要でありながら見落とされがちな機能を実行する小さなコンポーネントを作成するために使用される非常に用途の広い製品です。より高性能な材料とそれを用いた新しい構築方法を提供することで、現在のデバイスを改良できるだけでなく、まったく新しいテクノロジーを生み出すこともできます。

インクジェット印刷や押し出し印刷などの直接インク印刷技術により、従来の製造プロトコルと比較して、デジタルおよび付加的なパターン形成、カスタマイズ、材料の無駄の削減、拡張性、および迅速な生産が可能になります。現在、この技術で塗布できる MXene インクを製造しており、これを使用する新たな機会を探しています。 ”

出典: Additive Light

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