USF の研究者が、スマートウェアを新たな高みに引き上げるため、布地に銅を 3D プリントする新しい方法を開発

はじめに: ウェアラブル電子機器はますます普及しており、帽子に装着するヘッドフォンなど、身体に着けた衣服がワイヤーを介してさまざまなデバイスに接続できるようになりました。今後は、ウェアラブルデバイスの回路を小型化し、衣服やその他の物体に密着させることが、ウェアラブル技術開発の主な方向性となるでしょう。
2022年7月26日、Antarctic Bearは、サウスフロリダ大学（USF）電気工学部の研究者がウェアラブル電子デバイスの分野で新たな進歩を遂げたことを知りました。彼らはシルク生地に直接銅を3Dプリントできる新しい電気化学的方法を開発し、関連する特許（A. Takshi、SM Rosa-Ortiz、特許番号11,214,884）も承認されました。さらに、このプロジェクトは国立科学財団（NSF）から369,574ドルの公式助成金を受け取っており、ウェアラブル電子機器の生産レベルを新たなレベルに押し上げることになる。
△生地に直接印刷することで、ウェアラブルテクノロジーが新たなレベルに進化します。
現代では、電子機器はほんの数十年前には想像もできなかったレベルまで進歩しています。単一の目的を果たすかさばるデバイスの時代は終わりました。今日では、スマートウォッチ、多機能ヘッドフォン、さらにはウェアラブルコンピューターグラスまで存在し、ウェアラブル電子機器を衣服に組み込む可能性もすぐそこまで来ています。この種の技術をさらに進歩させるために、USF の電気工学准教授である Arash Takshi 氏と革新的研究チームの Sylvia Thomas 教授は、水素発生補助 (HEA) 電気めっきと呼ばれる新しい方法を開発しました。これにより、シルク生地に直接銅を印刷することが可能になりました。この革新的なアイデアは、さらなる技術革新への扉を開きます。
△アラシュ・タクシ教授の研究風景（写真提供：USF）
3D プリントされた銅を使用してウェアラブル電子機器を作成する<br /> この新しいプロセスは3Dプリントに似ており、その開発はトーマス氏が管理する先端膜・材料バイオ統合研究研究所（AMBIR）の設備を利用してサポートされました。

このプロジェクトの共同主任研究者であるトーマス氏は、この発明はウェアラブル電子機器の生産ライン全体を変える可能性があると主張している。「この技術は、研究室からイノベーション、そして製品に至るまで、ウェアラブルエレクトロニクス、テキスタイルエレクトロニクス、そして今日私たちが知っているフレキシブルエレクトロニクスの構想をさらに前進させるだろう」と彼は語った。
銅の電気めっきは長年使用されてきましたが、従来の電気めっきでは低電圧と高電流を使用して、毎秒数百ナノメートルの速度で銅を堆積します。この速度では、衣服に回路レイアウトを印刷するには数時間、場合によっては数日もかかります。

ウェアラブルエレクトロニクス向けに新しく設計された付加プロセスは、2 つのステップで構成されています。まず、レーザー印刷技術を使用して、導電性テンプレートを布地に適用します。この工程で生地は炭化され、安定性が向上し、耐久性が向上します。次のステップでは、銅電気メッキを使用して、布地上の電子部品の回路レイアウトを形成する連続した銅パターンを作成します。 3D 印刷装置に搭載された特別に設計されたノズルにより、電子部品の端子と回路の印刷レイアウト間の接続部分に局所的な電気めっきと銅の成長が可能になり、室温ではんだ付けできます。新しい方法と従来の製造方法の主な違いは、タクシとトーマスの方法では製造プロセス中に比較的大きな電圧（依然として2〜3Vの範囲）を印加し、最終的に銅の成長中に水の電気分解を引き起こすことです。水素発生補助（HEA）電気めっきと呼ばれるこの方法は、銅の成長の限界を打ち破り、プロセスを高速化し、印刷された構造の機械的安定性を高めます。従来の電気めっきよりも3桁高い速度が達成されました。

アラシュ・タクシ教授は次のように説明しています。「現在のウェアラブルエレクトロニクス技術は、主に金属や炭素ナノ粒子で構成された導電性インクの印刷に基づいています。このプロセスは、パターンが乾燥した後のナノ粒子の物理的な接続に依存しています。しかし、導電性ナノ粒子によって作られた導電パスの高抵抗により、その用途は単純なウェアラブルエレクトロニクス設計に限定され、高感度測定や高電流アプリケーションには適していません。」この 2 段階の付加製造プロセスにより、溶接などの方法では起こりがちな生地への損傷なしに、より長持ちするウェアラブルデバイスを作成できるようになります。
最近付与された特許と国立科学財団からの資金提供により、この有望な新しいアプローチはさらに開発され、近い将来、医療、軍事、さらには航空宇宙などのさまざまな分野の将来のプロジェクトで使用される可能性があります。たとえば、兵士は戦闘に役立つ新しいスマートスーツを着用したり、宇宙飛行士は宇宙ミッションの遂行に役立つ服を着たりできるようになります。この技術は患者の健康状態を監視するためにも使用できる可能性がある。実際、研究者たちは、この技術が実用化されるまでにはまだ多くの研究開発が必要だが、より利用しやすいウェアラブル電子機器のおかげで、この技術が将来、私たちの生活をさまざまな面で楽にしてくれる可能性が非常に高いと確信しているようだ。

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