概要: 電子 3D プリントの技術、プロセス、材料、将来の動向

はじめに: 近年、 3D 電子印刷技術は、従来の製造方法では実現できない独自の機能を備えているため、業界や研究者から大きな関心を集めています。この最新技術には大きな利点があり、今後の研究動向は、3D 組み込み電子デバイス、3D コンフォーマルエレクトロニクス、フレキシブル 3D プリントエレクトロニクス、伸縮性 3D プリントエレクトロニクスの応用に向かっています。 3D プリント電子デバイスの製造には、先進的な機能性材料と技術の現在の開発をより深く理解する必要があります。

アンタークティックベアは、シンガポール工科大学の研究者らが3Dプリント電子デバイスの開発と応用に関する情報をまとめ、その研究をProgress in Materials Science誌に発表したことを知りました。記事の中で、研究者らは最新の3D電子印刷技術と3Dプリント電子デバイスの製造における革新的かつ実用的な技術について詳細な概要を示し、3Dプリント電子デバイスの製造に使用される先進的な機能性材料の最新の進歩と将来の応用動向について議論しました。

3D電子印刷技術

△3D電子印刷技術の分類

3D 電子印刷技術は、「機能性インクを基板上に直接正確に塗布する」印刷技術として定義されています。その中で、押し出し印刷、インクジェット印刷、スプレー印刷、電気流体力学 (EHD) インクジェット印刷は、 3D 電子印刷研究の分野で最も広く使用されている 3D 印刷技術です。これらの技術を使用して、機能性インクを基板に直接堆積させることができます。 ISO/ASTM2021:52900の分類によれば、押し出し印刷は材料押し出しに分類され、インクジェット印刷、スプレー印刷、電気油圧ジェット印刷は材料噴射に分類されます。

1. 押し出し印刷

△押し出し印刷の模式図

押し出しベースの印刷技術は原理がシンプルで手頃な価格であり、ノズルからの押し出しによって機能性材料の連続的な流れを実現します。この技術は、他の印刷技術よりも広範囲の材料粘度で使用でき、詰まりの問題が少なくなります。ただし、この方法は速度が遅く、印刷解像度も低くなります。押し出しベースの印刷は、使用される押し出し機の種類に応じて、フィラメントベースの押し出し、空気圧ベースの押し出し、プランジャーベースの押し出し、およびスクリューベースの押し出しにさらに分類できます。空気圧押し出し、プランジャー押し出し、スクリュー押し出し印刷技術は、総称してダイレクトインクライティング (DIW) とも呼ばれます。

2. インクジェット印刷

△インクジェット印刷の模式図

インクジェット印刷は、過去数十年にわたって多くの分野で広く使用されてきた成熟した技術です。インクジェット印刷技術を利用して、紙の基材にインクを付着させて画像を構築します。この技術を使用すると、電気的に機能し導電性のある材料を堆積させることで、3D プリントエレクトロニクスを作成することも可能です。インクジェット印刷は、液滴生成方法に基づいて、連続インクジェット印刷 (CIJ) とドロップオンデマンド印刷 (DoD) の 2 つのカテゴリに分類されます。一般的に言えば、インクジェット印刷技術はデジタル、非接触、マスクレス、材料節約です。しかし、インクジェット印刷技術では、一般的に、印刷プロセス中にノズルが詰まるという問題に直面します。さらに、インクジェット印刷技術では、特定の表面張力の範囲内の低粘度の液体のみを塗布できます。したがって、インクジェット印刷で印刷できるインクの種類が制限されます。インクジェット印刷技術は、一般的に、機能性材料を非平面上に堆積させるのには適していません。

3. スプレー印刷

△スプレー印刷図

スプレー印刷は、方向性のある平行エアロゾルビームを生成して材料を基板に直接塗布するエアロゾルベースの直接書き込み印刷技術です。この技術は空気力学的フォーカスとも呼ばれます。通常、スプレープリンターには空気圧式または超音波式の噴霧器が装備されています。空気圧式アトマイザーは 1 ～ 500cps の粘度のインクを受け入れることができますが、超音波式アトマイザーは 1 ～ 15cps の粘度のインクのみを受け入れることができます。エアロゾルジェットプロセスは、金属ナノ粒子インク、カーボンナノチューブ (CNT)、グラフェン、誘電体、導電性ポリマーなど、3D プリントエレクトロニクスアプリケーション向けのさまざまな機能性材料を堆積できます。スプレープリンターは、10 μm の印刷解像度を実現できることが実証されています。スプレー印刷技術は非接触であるため、製造時の汚染や損傷を軽減できます。

4. 電気油圧式ダイナミック（EHD）噴射

△電気油圧式ジェット印刷の概略図

電気流体力学 (EHD) インクジェット印刷では、流体の流れを作成するプロセスで電界を使用して電気流体を生成します。通常、小さなノズル内の高い毛細管圧を克服するには高圧が必要ですが、ノズルの直径が小さすぎる場合は技術的に実現できない可能性があります。したがって、この問題を克服するために、EHD インクジェット印刷技術では、導電性ノズルからインクを抽出する代わりに電界を適用します。 EHD ジェット印刷技術は、サブミクロン範囲の非常に細い線と小さな液滴を生成でき、ノズルの内径は 100nm ほど小さくすることができます。 EHD ジェッティング技術は、3D プリントエレクトロニクスアプリケーション用の有機および無機材料を堆積できます。

3Dプリント電子機能性材料<br /> 3D プリントされた電子機器の製造には多数の機能性材料が使用されており、各材料にはそれぞれ独自の機能と用途があります。一般的に、3Dプリントエレクトロニクス用の機能性材料は、誘電体インク、金属ナノ粒子インク、導電性ポリマー、金属有機分解（MOD）インク、カーボンナノマテリアルインク、半導体インクに分けられます。

●誘電体インク：誘電体インクは電気を絶縁する材料です。これらは、回路保護、多層回路絶縁、コンデンサやトランジスタの製造など、3D プリントエレクトロニクスの多くの側面で重要な役割を果たします。

●金属ナノ粒子インク：金属ナノ粒子インクは、導電性金属ナノ粒子を液体媒体に懸濁させたものです。優れた電気伝導性のため、3D プリント電子アプリケーションの導電性トレースとパターンの製造に広く使用されています。一般的な金属ナノ粒子インクには、金属ナノ粒子、有機添加剤と安定剤、液体媒体という 3 つの主要成分が含まれています。

●導電性ポリマー：導電性ポリマーは、内因性導電性ポリマーと外因性導電性ポリマーに分けられます。

●金属有機分解（MOD）インク：金属有機分解（MOD）インクは、金属有機インク、前駆体型インク、またはナノ材料を含まないインクとも呼ばれます。 MOD インクは、有機溶媒または水溶液に溶解した高濃度の金属有機錯体または金属塩です。また、3D プリントエレクトロニクスアプリケーションにおける導電性トレースとパターンの製造にも広く使用されています。

●カーボンナノマテリアルインク：カーボンナノチューブ（CNT）は、端が閉じているか開いている、カールしたグラフェンシートです。

●半導体インク：半導体インクは、3Dプリント用のアクティブ電子部品の製造に使用されます。 3D プリントされたアクティブ電子部品は通常、バンドギャップ、オンオフ比、移動度などの半導体インクの特性によって影響を受けます。半導体インクには、主に有機半導体インクと無機金属酸化物半導体インクの 2 種類があります。

3Dプリント電子製品・材料の開発動向
3D プリンティング技術は、近い将来、現在のエレクトロニクス業界を完全に変え、混乱させると予想されています。この新しいテクノロジーは、時間のボトルネック、無駄、製造コストを最小限に抑えながら、カスタマイズ可能な電子機器の非常に革新的でオンデマンドな製造を、より短い試作時間で実現するように設計されています。

1.3D プリントエレクトロニクス●柔軟で伸縮可能な 3D プリントエレクトロニクス: 現在の研究トレンドの 1 つは、柔軟で伸縮可能な 3D プリントエレクトロニクスへの移行です。このような電子機器は、特にソフトロボットやウェアラブルヘルスケアモニタリングなど、さまざまな用途に使用できます。 3D プリンティング技術では、柔軟な基板上に機能性材料を直接簡単に堆積できます。ヘルスケアやエネルギーを含む多くの産業分野において、柔軟な 3D プリントエレクトロニクスは、従来の剛性エレクトロニクスよりも設計の自由度を高め、フォームファクターの制約を軽減する可能性があります。

△電子機器

●コンフォーマルエレクトロニクス<br /> 一部の 3D エレクトロニクス印刷技術では、機能性インクをコンフォーマル表面に直接塗布して、3D 表面上に電子デバイスを製造することもできます。 3D コンフォーマルプリンティングにより、重量を大幅に削減し、スペースを最大限に活用しながら、より革新的な設計とアプリケーションが可能になります。さらに、3D コンフォーマルプリンティングでは、独特な形状のアンテナを製造するための設計要素としてフォームファクターも考慮されます。上図の(d)は、半球形ガラス基板のコンフォーマル表面上に銀ナノ粒子インクを直接堆積させることによって製造された小型アンテナを示しています。

●組み込みエレクトロニクス<br /> 一部の 3D 電子印刷技術では、マルチスケール、マルチマテリアル、マルチ機能の印刷も可能になります。したがって、複雑な非平面形状に導電トレース、能動部品、受動部品を統合した多機能構造または組み込み電子デバイスを 1 回の印刷ジョブで製造できます (上の図 (e) を参照)。したがって、スペースを節約し、重量を軽減し、コンポーネントを保護するのに役立ちます。

2. 材料●フレキシブルで伸縮性のある電子デバイス用の自己修復材料：フレキシブルで伸縮性のある電子デバイスは、繰り返し曲げたり伸ばしたりすることで機械的損傷を受け、デバイスの故障につながる可能性があります。そのため、近年、自己修復機能材料が大きな注目を集めています。これらの材料は損傷を自動的に修復する能力があり、研究者はそれらを柔軟で伸縮性のある電子デバイスに統合してデバイスの堅牢性を高めることを検討しています。

● 複合材料: 複合材料は、機械的特性と電気的特性を向上させる機能が強化されているため、ますます注目を集めています。さらに、複合材料は、アプリケーションの要件に応じて、望ましい電気的、機械的、および電磁気的特性を柔軟に調整できます。

●4D プリント材料: 4D プリントは 3D プリントの新しい分野です。4D プリントとは、温度差、化学反応、光照射などの外部刺激に応じて、3D プリント構造の形状、機能、物理的特性が時間の経過とともに変化することを指します。 4D プリントエレクトロニクスアプリケーションでは、形状記憶ポリマー (SMPS) に導電性フィラーを追加して、必要な電気特性を付与できます。 4D プリント電子アプリケーション用の導電性スイッチング電源に加えて、導電性機能材料を 4D プリント構造上に直接堆積したり、埋め込んだりすることもできます。

●3D プリントされたバイオエレクトロニクスデバイス: 3D プリント技術は高度に統合された 3D 多機能構造を作成できるため、多くの研究者がこの新しい技術を研究し、電気的機能を備えた幾何学的に複雑で生体適合性のあるデバイスやスキャフォールドを製造しています。これらのデバイスには、バイオセンサー、電気刺激組織再生スキャフォールド、マイクロ電極などがあります。バイオセンサーは、特定の物質を検出し、認識可能な電気信号で反応する受容体です。電気刺激は生物組織のより速い再生を促進するのにも役立つ可能性があります。そのため、再生プロセスを改善または可能にするために、電子機器をバイオスキャフォールドに統合しようとする研究がいくつか行われてきました。

△ラジオ周波数受信とステレオオーディオ音楽鑑賞の聴覚を向上させることができる左右一対のバイオニック耳を3Dプリントしました。

●生分解性材料: 電子廃棄物問題に対する最も実用的かつ魅力的な解決策は、生分解性の電子製品を開発することです。生分解性により、生成される廃棄物が環境に優しく無毒であることが保証されるからです。したがって、生分解性電子デバイスを作製するために生分解性有機材料の使用を研究することは非常に重要です。動作中のこのようなデバイスの効率とパフォーマンスは、生分解性 3D プリントエレクトロニクスの採用の可能性を決定する重要な側面です。さまざまなコンポーネントの劣化時間に適応し、さまざまな用途や要件を満たすには、材料をさらに開発する必要があります。その他の重要な考慮事項としては、周期的な機械的荷重による変形の影響や、動作圧力下での生分解性材料の信頼性などがあります。

概要<br /> 3D プリント電子アプリケーションに最適な機能性インクは、優れた材料特性と電気特性、優れた印刷適用性、高いコストパフォーマンスを備え、特定の処理温度に耐えられる必要があります。印刷システムには、優れた印刷解像度、高い印刷速度、オンデマンドの非接触印刷が備わっている必要があり、迅速な設計変更と容易な拡張が可能でなければなりません。 3D プリントエレクトロニクスの成長と採用を維持するには、新しい高度な機能性インクの研究開発への継続的な取り組みが必要です。さまざまな用途に合わせて、異なる材料特性、電子特性、機械特性を持つさまざまなインクを開発する必要があります。最終的な電子性能と印刷解像度は、 3D プリントエレクトロニクスにとって最も重要な 2 つの考慮事項です。

インクメーカーと機械メーカーは、協力関係を強化し、専門知識を共有して、特定のプリンターに適したインクを共同で開発、最適化し、印刷適合性と印刷品質をさらに向上させることが強く推奨されます。近い将来、電子製品向けの新しい 3D プリントアプリケーションがその大きな可能性を実現すると信じています。

詳細については、元の論文をご覧ください：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100945

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