青島理工大学のLan Hongbo氏とZhang Guangming氏：高解像度、高性能の任意表面回路を3Dプリント

最先端技術である3次元曲面電子回路は、3次元曲面構造上に電子部品と回路を直接集積することで、電子機器の小型化、軽量化、機能多様化を実現します。この技術は従来の平面回路の限界を打ち破り、電子製品の革新的な設計にさらなる可能性を提供し、ウェアラブルデバイス、スマートスキン、曲面アンテナなどの分野で広く使用されています。しかし、従来の製造方法では、特に自由曲面上の湾曲したコンフォーマル回路の製造において、3次元湾曲単層および多層電子デバイスの高解像度、高性能な統合製造を実現する上で依然として大きな課題に直面しています。

これを踏まえ、青島理工大学の藍紅波教授と張光明教授は、局所分極電界駆動垂直注入に基づく表面コンフォーマル3Dプリンティング技術を提案し、高解像度、高性能の3次元表面コンフォーマル単層/多層電子回路の製造に活用している。

まず、数値シミュレーションと噴射挙動の観察により、提案された方法はより高い電界安定性と対称的な電界分布を持ち、安定した垂直下向きの噴射を生成でき、高精度で高解像度の 3D 曲面/コンフォーマル印刷を保証することが実証されています (図 1-3)。

次に、異なる印刷プロセスパラメータが導電層と層間絶縁層の一貫性に与える影響を調査しました。最適化された印刷プロセスパラメータを使用して、さまざまな曲線構造と材料にさまざまな線幅（達成可能な最小線幅は8μmのスパイラルパターン）の曲線コンフォーマル回路を印刷しました（図4）。製造された3次元曲線コンフォーマル回路は、優れた導電性（4.44×10^7 S / m）と良好な接着性（100回の接着テストで抵抗の増加は無視できるほどでした）を示しました。

さらに、湾曲したコンフォーマル多層回路の垂直相互接続の問題を解決するために、UVレーザードリリングと電界駆動コンフォーマルマイクロ3D印刷技術を組み合わせた方法を提案し、湾曲した多層回路の垂直相互接続の問題を解決しました。レーザードリリングプロセスパラメータがマイクロホールの深さと形態に与える影響を研究し、制御可能なホール深さのプロセスウィンドウが得られました。最後に、湾曲したコンフォーマル多層加熱表示回路と多層デジタル表示LEDアレイ（図5〜図7）を通じて、任意の湾曲した基板上に単層/多層湾曲コンフォーマル回路を製造する際のこの技術の実現可能性と普遍性が検証され、高解像度の3次元湾曲コンフォーマル回路と湾曲した多層電子デバイスの探索に新しいソリューションを提供します。

関連する研究結果は、「局所的に分極した電界駆動型垂直噴射に基づく高解像度、高性能の 3D 曲面エレクトロニクスの直接印刷」というタイトルで、Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

図 1. (a) 印刷ノズルと 3D 曲面基板間の電荷分布と応力分布の模式図。(b) 異なる位置パラメータを持つ 3D 曲面基板上の印刷ノズルの動きの模式図。(ce) 曲面基板上の異なる位置での印刷ノズルの電荷分布の模式図。図2。（a）および（d）は、LP-EFDテクノロジーの印刷ノズルが非対称の表面構造の上にあるときの電界分布のシミュレーション結果です（b）、（e）は、LP-EFDテクノロジーの輸送の印刷ノズルがasimmety構造（x）の側面にあります。 EFDテクノロジーの印刷ノズルは、非対称表面構造の3D印刷に使用されます。（i）異なる基質高さの非対称表面構造上のLP-EFDのE1での電界強度の変化率。図 3. (a) 従来の 3 軸 EFD ジェット印刷ノズルの異なる位置での噴射動作の模式図。(b) 高速カメラを使用して、従来の 3 次元 EFD ジェット印刷の異なる位置での実際の噴射状態をキャプチャします。(c) LP-EFD ノズルの異なる位置での噴射動作の模式図。(d) 高速カメラを使用して、LP-EFD の異なる位置での実際の噴射状態をキャプチャします。
図 4. (a)-(c) 寸法 60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径 30 mm の半円筒に印刷された、8 μm、50 μm、100 μm の可変線幅のスパイラルパターン。(d)-(f) 寸法 60 mm×60 mm×30 mm、曲率半径 30 mm の半円筒に印刷された、線幅 18 μm の銀グリッド透明電極。(g) は、直径 50 mm、高さ 50 mm の円錐ガラスに印刷された、インターディジタル電極アレイ。(h) は、直径 80 mm、曲率半径 40 mm のナイロン半球構造に印刷された、湾曲したコンフォーマル回路パターン。(i) は、寸法 60 mm×30 mm×15 mm、高低差 15 mm の樹脂基板に印刷されたコンフォーマル回路。図 5. 印刷パラメータが PI フィルムの厚さに与える影響: (a) 印刷間隔、(b) 空気圧、(c) 印刷速度、(d) 印刷高さ、(e) さまざまな領域における PI フィルムの厚さの変化率、(f) さまざまな方向における PI フィルムの厚さの離散性の程度。図6. (a) 湾曲した多層回路における垂直相互接続の形成の概略図。異なるレーザーパラメータが穴の深さに与える影響：(b) 周波数、(c) パルス幅、(d) 穴の数、(e) 穴の直径。 (f) 異なる孔サイズの断面図。図 7. (a) 多層加熱表示回路の概略図、(b) 寸法 60 mm × 60 mm × 30 mm、曲率半径 30 mm の半円筒に印刷された湾曲した多層加熱表示回路、(cf) 異なる導電層間の QUT を示す赤外線熱分布画像、(g) 多層デジタル表示回路 LED アレイの概略図、(h) 異なる導電層間の層間相互接続原理の概略図、(i) 寸法 60 mm × 60 mm × 30 mm、曲率半径 30 mm の半円筒に印刷された多層デジタル表示回路 LED アレイ、(jl) 異なる導電層間のデジタル回路表示。

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