シンガポール国立大学のCHARM3D技術は、サポートなしでマイクロエレクトロニクスの3次元回路を3Dプリントします

2024年8月1日、Antarctic Bearは、シンガポール国立大学（NUS）の研究チームが、サポートフリーで電子製品の小型化の発展をさらに促進できる新しい3Dプリント技術CHARM3Dを開発したことを知りました。

CHARM3D テクノロジーにより、マイクロエレクトロニクス業界では、ウェアラブルセンサー、ワイヤレス通信システム、電磁メタマテリアルなど、さまざまな小型電子製品を製造できるようになります。この技術のユニークな点は、従来の支持材料に頼らずに安定した金属構造を構築できることです。また、これらの構造は自己修復機能を備えているため、製造の柔軟性と製品の耐久性が大幅に向上します。

この研究を率いたシンガポール国立大学材料科学工学部のベンジャミン・ティー准教授は、「CHARM3Dの開発は、3Dプリント技術の応用における大きな進歩です」と語った。この技術は、電子機器の小型化や医療機器の開発にまったく新しい可能性をもたらすと信じています。 ”

△この研究は「張力駆動に基づく3Dプリント独立磁場金属構造」というタイトルでNature Electronics誌に掲載されました（ポータル）
3D回路をより簡単に製造する方法

ロボット、ロボティクス、センサーなどの現代の電子機器は、機能性を高め、さらなる小型化を実現するために、3D 電子回路にますます依存するようになっています。たとえば、3D 構造では有効表面積が非常に大きいため、センサーの感度とバッテリー容量が向上します。

現在 3D 回路の構築に使用されている 3D 印刷方法の 1 つとして、直接インク書き込み (DIW) が挙げられますが、これには一定の制限があります。この方法では、印刷後の硬化を助けるサポート成分を含む複合インクを使用しますが、導電性は低くなります。さらに、インクの粘度が高いと印刷速度に影響します。

△ CHARM3Dテクノロジーを使用すると、支持材や外部圧力なしで独立した金属構造を印刷できます。対照的に、フィールドメタルはインジウム、ビスマス、スズからなる共晶合金で、融点が低く導電性が優れているため、3Dプリントの理想的な材料代替品です。フィールドメタルは急速に硬化し、印刷中にサポート材や外部圧力を必要としません。

CHARM3D テクノロジーは、フィールドメタルの低融点を利用して、ノズル内の溶融金属と印刷部品間の張力を制御することで、均一で滑らかなマイクロワイヤ構造を形成します。これらのマイクロワイヤの幅は調整可能で、通常は 100 ～ 300 マイクロメートル、おおよそ人間の髪の毛 1 本～ 3 本の幅です。 CHARM3D テクノロジーは、DIW でよく見られるビーディングや表面の凹凸の問題を回避し、最大 100 mm/秒の印刷速度と、従来の DIW テクノロジーよりも高い解像度を備えているため、より複雑で精密な回路構築が可能になります。

さらに、CHARM3D は、後処理を必要とせずに、垂直文字、立方体のフレーム、引き込み式スパイラルなどの複雑な独立した 3D 構造を作成できます。これらの設計は、構造保持力と自己修復能力に優れ、機械的損傷から回復でき、リサイクル性をサポートします。

△CHARM3D技術を応用し、ウェアラブルな電池不要の温度センサーシステム用3D回路を設計・製造しました。このシステムは人の手に装着することができます。
広範囲にわたる応用

チームは特に、CHARM3D テクノロジーがヘルスケア分野で大きな応用可能性を秘めていると指摘しました。彼らは、バッテリー不要のウェアラブル温度センサー、ワイヤレスバイタルサインモニタリング用アンテナ、電磁波操作用メタマテリアル用の 3D 回路の印刷に成功し、さまざまなアプリケーションでの CHARM3D の実装を実証しました。

パルスオキシメーターや心電図などの従来の病院機器は皮膚に接触する必要があるため、不快感を伴い、感染のリスクが高まります。 CHARM3D テクノロジーを使用すると、非接触型センサーをスマート衣類やアンテナに統合して、自宅、介護施設、病院で継続的かつ正確な健康モニタリングが可能になります。

△デバイスは NFC によって電源供給され、LCD は温度変化を示します。さらに、CHARM3D を使用して作成された 3D アンテナアレイまたは電磁メタマテリアルセンサーは、信号検出および処理アプリケーションを改善し、信号対雑音比を高め、帯域幅を増やすことができます。この技術は、特定の通信用にカスタマイズされたアンテナの開発、さらにより正確な医療用画像診断（腫瘍の早期発見のためのマイクロ波乳房画像診断など）、および高度なセキュリティアプリケーション（隠されたデバイスや密輸品から発せられる特定の電磁気シグネチャの検出など）への道を開きます。

「高度な電子回路製造のソリューションとして、CHARM3D は金属 3D プリントのより高速でシンプルな方法を提供します。これは、複雑な 3D 電子回路の工業規模の生産と広範な応用に大きな期待が寄せられています」と Tee 氏は述べています。

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