SUTDは直接書き込み3D印刷を使用して電子デバイスをマイクロチャネルに統合し、伸縮性プリント回路の自動製造を実現しました。

2024年9月1日、アンタークティックベアは、シンガポール工科デザイン大学（SUTD）のソフト流体研究所の研究者が、3D相互接続ネットワークを備えたマイクロ流体電子デバイスの製造方法を開発し、従来の2D構造から3D構造への移行の課題を解決してマイクロ流体技術を進歩させたことを知りました。これらの 3D システムは、並列操作と柔らかい弾性ネットワークによってスループットが向上し、液体金属などの導電性材料を充填すると、マイクロ流体デバイスと電子デバイスの統合が可能になります。

関連する研究結果は、「直接印刷された 3D マイクロチャネルネットワークを使用した柔軟で伸縮性のある液体金属マイクロ流体エレクトロニクス」と題する論文として、Advanced Functional Materials 誌に掲載されました。

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311219

しかし、クリーンルーム設備を必要とするソフトリソグラフィー製造などの従来の方法では、完全に自動化された 3D 相互接続マイクロチャネルを実現するには限界があります。ポリジメチルシロキサン (PDMS) 成形や層間の位置合わせなど、これらの方法に伴う手動の手順は、マイクロ流体デバイス製造の自動化の可能性を妨げます。

ステレオリソグラフィー (SLA) やデジタル光処理 (DLP) などの従来の光重合技術では、複雑なマイクロチャネルを備えた柔軟なデバイスを作成できますが、光重合ベースの印刷プロセス中に電子部品などの外部コンポーネントを統合することは依然として課題です。

熱溶解積層法 (FDM) や直接インク書き込み法 (DIW) などの押し出しベースの方法では、自動製造を実現できますが、弾性中空構造の印刷には困難が伴います。主な課題は、コンポーネントを埋め込むのに十分な柔らかさがありながら、埋め込み機能を備えた完全印刷の相互接続されたマイクロ流体デバイスを実現するための構造的完全性を保つのに十分な強度を持つインクを見つけることでした。

研究者らによると、既存の3D印刷技術では、サポート材や後処理を必要とせずに相互接続された多層マイクロチャネルを直接印刷することと、印刷プロセス中に電子部品を統合することを同時に実現することはまだできていないという。

相互接続された多層マイクロチャネルの直接印刷

研究中、DIW 3D プリントの設定は、シリコンシーラント用のサポートされていない中空構造を作成するように最適化され、押し出された構造が崩壊しないことが保証されました。研究チームは、層間に貫通孔を備えた相互接続された多層マイクロチャネルを製造することで、この実証をさらに拡張しました。この形状のマイクロチャネル (およびワイヤ) は、無線通信アンテナなどの電子デバイスによく必要です。

もう 1 つの課題は、3D 印刷プロセス中にマイクロチャネルに電子機器を統合することでした。これは、瞬時に硬化する樹脂を使用して実現するのは困難です。研究チームは、徐々に硬化する樹脂を使用して、RFIDタグやLEDチップなどの小型電子部品を埋め込み、固定しました。これらのコンポーネントをマイクロチャネルに自動配置することで、チャネルに液体金属を流し込むと、コンポーネントとワイヤが自動組み立てされます。

多くの電子機器では、コイル内のジャンパー線などの 3D 構造の配線が必要ですが、従来の 3D 印刷方法ではこれを実現するのは困難です。 SUTD 研究チームは、このような複雑な構造を持つデバイスを実現するためのシンプルな解決策を提案しました。埋め込まれた電子部品を含む 3D 多層マイクロチャネルに液体金属を注入することで、これらの部品を含むワイヤの自己組織化が促進され、柔軟で伸縮性のある液体金属コイルの製造が簡素化されます。

この技術の実用的な利点を実証するために、研究チームは市販の皮膚テープを基板として使用し、小型（21.4 mm × 15 mm）の自立型フレキシブル無線発光デバイスを使用して、皮膚に貼り付けることができる RFID タグを作成しました。

最初のデモンストレーションでは、広く受け入れられ、医療的に承認されたプラットフォーム上で伸縮性プリント回路を自動的に生成するソリューションの能力が強調されています。製造された RFID タグは、1,000 サイクルの引張応力 (50% ひずみ) 後でも高い Q 値 (約 70) を示し、繰り返し変形や皮膚への接着下でも安定性を示しました。あるいは、研究チームは、小型で柔軟性のあるワイヤレス光エレクトロニクスを、光線力学療法用の生物表面や内腔への医療用インプラントとして使用することを構想しています。

「私たちの技術は、液体金属で構成された回路の3D構成を持つ伸縮性プリント回路の製造を自動化する新しい機能を提供します」と、論文の主著者であるシンガポール工科デザイン大学の山岸健人博士は述べています。

「弾性多層マイクロチャネルのDIW 3Dプリントにより、多機能センサー、マルチマテリアルミキサー、3D組織工学スキャフォールドなど、3Dチャネル配置を備えた流体デバイスの自動製造が可能になります」と、SUTD准教授兼主任研究員の橋本道直氏は述べています。

SUTDは直接書き込み3D印刷を使用して電子デバイスをマイクロチャネルに統合し、伸縮性プリント回路の自動製造を実現しました。

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