研究者らがウェアラブルデバイス向けに3Dプリントしたガリウム炭素複合材料を開発

2024年6月17日、アンタークティックベアは、ポルトガルのインブラ大学の研究者がガリウム炭素複合材料を使用して、ウェアラブル電子機器のセンサー、ヒーター、バッテリーシステムを3Dプリントしていることを知りました。これらの用途では、負荷がかかっても機能を維持する柔軟で耐久性のある材料が必要です。ガリウムベースの液体金属 (LM) は、高い電気伝導性と流体変形性を備えているため、これらの用途に適しています。しかし、ガリウムベースの液体金属は粘度が低く、表面張力が高いため、印刷が困難です。
△ Ga-CB-SIS 複合インクのさまざまな基板への 2D および 3D デジタル印刷の適合性。（画像提供：コインブラ大学）
関連研究は、ACS Applied Materials & Interfaces誌に「ガリウム-カーボン: ウェアラブルでリサイクル可能な電子機器における統合センサー・ヒーター・バッテリーシステムの持続可能な3Dプリントのための汎用複合材料」と題する論文として掲載されました。

論文リンク: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c02706
研究チームはこれらの問題に対処するために、ガリウム-カーボンブラック-スチレンイソプレンブロック共重合体（Ga-CB-SIS）複合材料を開発しました。この複合材料は、銀などの金属を炭素に置き換えることでコスト効率と持続可能性を高めています。熱焼結を必要とせず、焼結なしでデジタル印刷でき、多層 3D 印刷を実現できます。この複合材料は、熱に敏感な材料を含むさまざまな基材に対して優れた接着性も示します。
△ Ga-CB-SIS複合材料：（A）構成材料、特性、3Dプリント、（B）用途、（C）統合センサー・ヒーター・バッテリーシステムの製造。
Ga-CB-SIS は、相互接続、センサー、ヒーター、エネルギー貯蔵電極など、複数の機能を実行できます。溶剤蒸気にさらされると自己修復特性があり、回路を効果的に修復するのに役立ちます。さらに、この複合材料はリサイクル可能であり、深共晶溶媒 (DES) を使用してガリウムの回収が実証されています。
複合材料の開発では、電気伝導性と機械的完全性のバランスをとるために CB/Ga 比を最適化しました。 CB/Ga 比 0.043 が最適であることが判明し、歪み下でも低い抵抗と安定した動作が実現しました。この比率により印刷性と伸縮性も確保され、この複合材は低抵抗ヒーター、バッテリー、電気相互接続などのさまざまな用途に適しています。

全体として、Ga-CB-SIS は、センサー、バッテリー、加熱機能を 1 つのデバイスに統合し、ウェアラブルでリサイクル可能な電子機器の3D プリントのための持続可能なソリューションを表しています。この複合材料の特性と印刷可能性により、柔軟で伸縮性のある電子機器における革新的な用途への扉が開かれます。

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