MIT、半導体を使わない完全な3Dプリント論理ゲートとリセット可能なヒューズを実現

2024年10月16日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者が3Dプリント技術を使用して電気信号を制御できる電子部品の生産を大幅に進歩させ、アクティブ電子製品の製造で画期的な進歩を遂げたことを知りました。

△ 3D プリントされた導電トレースが高電流下でどのように動作するかの例このプロジェクトでは、研究者らは、通常は半導体を必要とするアクティブ電子デバイスの重要なコンポーネントである、完全に 3D プリントされたリセット可能なヒューズの実証に成功しました。この研究では、標準的な 3D プリントハードウェアと安価な生分解性材料を使用して製造され、従来の半導体ベースのトランジスタと同じスイッチング機能を実行できる半導体フリーのデバイスを実証しています。

この技術の性能はまだシリコン半導体に匹敵するものではないが、電気モーターの速度調整などの基本的な制御操作には潜在力があることが示されている。この研究の主執筆者であり、MITマイクロシステム技術研究所の主任研究科学者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は、この技術は既存の技術に取って代わるものではなく、むしろ3Dプリントを新たな用途に押し進め、技術を民主化することを目的としていると指摘した。

この開発により、世界中の企業、研究所、家庭が、従来の製造センターに頼ることなく、3D プリント技術を使用してスマートハードウェアを製造する新たな可能性が開かれます。

△この研究論文は、「半導体フリーのモノリシック3Dプリントロジックゲートとリセット可能ヒューズ」というタイトルでVirtual and Physical Prototyping誌に掲載されました。
3Dプリンティングは半導体を必要としない電子機器の新時代を切り開く

シリコンなどの半導体材料は、その独特の電気特性により、現代の電子機器に広く使用されています。特定の不純物を加えることで導電領域と絶縁領域を調整できるため、トランジスタの製造に最適な材料となります。トランジスタは現代の電子機器の基本的な構成要素であり、バイナリデータを処理し、計算を実行するための論理ゲートを形成する役割を果たします。

しかし、研究者たちは当初、3Dプリントによってシリコンベースのトランジスタのように機能する半導体を使用しないデバイスを作成することを目指していたわけではない。彼らの研究は、押し出し印刷を使用して磁気コイルを作成する別のプロジェクトから生まれました。その過程で、彼らは興味深い材料特性を発見しました。それは、銅ナノ粒子を添加したポリマーフィラメントです。この材料に大量の電流が流れると抵抗が急激に増加しますが、電流が止まるとすぐに元のレベルに戻ります。この現象はスイッチの作成に使用できるため、エンジニアにとって非常に興味深いものです。

△PPTC現象の簡略図。わかりやすくするために、この図ではほとんどのポリマーの半結晶性を考慮していません (つまり、ポリマーは通常、結晶相と非晶質相の両方で構成されています)。
研究者らは、この特性が3Dプリントされたハードウェアを次のレベルに引き上げ、電子機器にある程度の「インテリジェンス」を与える可能性があると指摘している。研究者らは、炭素、カーボンナノチューブ、グラフェンを添加したポリマーなど、他の3Dプリントフィラメントを使用して同じ現象を再現しようとしたが、最終的には銅ナノ粒子を添加したポリマーフィラメントだけが自己リセット可能なヒューズのような動作を示すことがわかった。

研究者らは、材料が電流によって加熱されると銅粒子が広がり、抵抗が急上昇し、材料が冷えて銅粒子が互いに近づくと抵抗が低下すると推測している。さらに、研究者らは、材料のポリマーマトリックスは加熱されると結晶状態から非晶質状態に変化し、冷却されると結晶状態に戻るという、ポリマーの正の温度係数として知られる現象が起こると仮説を立てた。

これは現時点では最善の説明だが、研究者たちはそれが完全な答えではないことを認めている。この現象がなぜこの特定の材料の組み合わせでのみ発生するのかは不明であり、検証するにはさらなる研究が必要だと研究者らは述べた。それにもかかわらず、この現象は現実です。

△ 3DプリントされたCuドープPLAトレースにおけるPPTC効果の特性評価
3Dプリントアクティブエレクトロニクス

研究チームはこの現象を利用して、半導体を使わずに論理ゲートを一工程で形成できるスイッチを印刷することに成功した。スイッチは、銅を添加したポリマーで作られた細い 3D プリントワイヤで構成され、交差する導電領域が含まれています。これにより、研究者は入力スイッチに印加される電圧を制御することで抵抗を調整できるようになりました。

これらのデバイスの性能はシリコンベースのトランジスタほど優れてはいませんが、モーターのスイッチングなど、より単純な制御および処理機能には十分です。実験により、これらのデバイスは 4,000 回のスイッチングサイクル後でもパフォーマンスの低下を示さないことが示されました。

しかし、押し出し印刷の物理的性質と材料の特性により、MIT の研究者が製造できるスイッチの量は現在のところ限られています。直径数百マイクロメートルのデバイスを印刷することはできますが、最先端の電子機器のトランジスタの直径はわずか数ナノメートルです。しかし、従来の半導体製造とは異なり、彼らの技術では生分解性材料が使用され、プロセスで消費されるエネルギーが少なく、廃棄物も少なくなります。さらに、ポリマーフィラメントに磁性粒子などの他の材料をドープして、追加の機能を実現することもできます。

スタンフォード大学のウィリアム・E・エアー名誉工学教授であるロジャー・ハウ氏は次のようにコメントしています。「この研究は、押し出し成形されたポリマー導電性材料を使用してアクティブエレクトロニクスを製造する可能性を示しています。この技術により、3D プリントされた構造物にエレクトロニクスを直接組み込むことができます。興味深い応用例の 1 つは、宇宙船に搭載されたメカトロニクスデバイスのオンデマンド 3D プリントです。」

将来、MIT の研究者たちはこの技術を使って完全に機能する電子機器を印刷することを計画しており、押し出し 3D 印刷技術のみを使用して実際に機能する磁気モーターを作成したいと考えています。彼らはまた、プロセスを微調整してより複雑な回路を構築し、これらのデバイスの性能の限界を探る計画も立てている。

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