プリンテッドエレクトロニクス：薄くて、平らで、しなやかな未来へ。
この記事は、TechBlickの許可を得て再掲載しています。元記事はこちらで公開されています。
私はプリンテッドエレクトロニクス業界に身を置いて39年になりますが、超音波乳房画像診断装置SonoCineやプリンテッドウェアラブル治療薬など、人生を変えるようなイノベーションを目撃し、影響を与え、その一翼を担う機会に恵まれています。しかし、これらの画期的な技術も、今日の導電性透明薄膜に比べれば、設計やエンジニアリングの可能性を無限に広げることができます。私の現在の経験に基づく以下の事例をお読みいただければ、この業界の未来が実にエキサイティングであることにご同意いただけると思います！
透明でフレキシブルなアンテナ
現在の5Gの周波数は建物をうまく透過しないため、5Gのスピードを促進するために、より多くのアンテナの必要性が指数関数的に高まっています。問題は、消費者がアンテナのような見苦しい機能を製品に取り付けたり、環境内のどこにでも見えるようにすることを望んでいないことです。
この問題を解決するために、新しいクラスのアンテナが登場しています。透明アンテナは、柔軟な導電性ハイブリッドフィルムで作られ、主要な低損失セラミックベースのPCBラミネートと同等の性能を持ち、従来の非透明プリントアンテナと同様に機能します。車載、携帯電話、NFC、Wi-Fi/Bluetooth、LPWAN、GNSS/衛星など、さまざまな用途で活用することができます。
事業開発担当ディレクターのリチャード・モリスとチャズム・アドバンスト・マテリアル社のチームは、高性能な透明アンテナが、自動車、エンタープライズIoT、スマートシティなど、さまざまな分野における接続性の課題を克服する可能性を持っていると考えています。これらのアンテナは、ガラスや窓に簡単に組み込むことができ、他の追随を許さない自由度を提供します。ピールアンドスティックのオプションにより、ユーザーは穴を開けたり、資産を損傷するリスクを負うことなく、接続設定をアップグレードすることができます。さらに、OCAラミネートやフィルムインサート成形など、さまざまな方法で組み込むことが可能です。
透明ヒーター
私たちの業界では、ヒーター用の電子信号の伝送にIMEを活用してきました。例えば、デュラテックでは、ポリカーボネート製除雪車のヘッドライトを除氷するための抵抗加熱素子を製造しています。これは、導電性銀インクを印刷した機能性薄膜を射出成形金型に挿入し、成形したレンズの樹脂と結合させることで実現します。これにより、低発熱のLEDで照らされた除雪車用ヘッドライトは、雪や氷のない状態を保つことができます。
Chasmのような企業は、その技術をさらに進化させています。例えば、先進運転支援システム（ADAS）の光学カメラ、LiDAR、レーダーセンサーは、霧や雨雪、寒冷な条件下ではうまく機能しない。しかし、マイクロワイヤーやインジウム-スズ-酸化膜のようなソリューションでは、エネルギーの損失や歪み、熱勾配の問題が発生したり、簡単に割れてしまったりします。CHASM社のAgeNTヒーターは、カメラ、ライダー、レーダーセンサーと互換性があり、カメラレンズ、ライドーム、レドームの表面全体に迅速かつ均一な加熱を提供します。また、このヒーターは透明度が高く、配線が見えないため、温度、湿度、紫外線による老化試験でも高い安定性を示します。さらに、標準的な自動車用電圧（12V）に対応しているため、既存の車両システムへの統合が容易です。これに対し、他の新興技術は、12Vで十分な電力密度を提供することに苦労しています。AgeNTヒーターは低コストで大量生産が可能なため、自動車メーカーやサプライヤーにとって魅力的なソリューションとなっています。
透明ヒーター技術の次のステップは、道路管理システムです。開発中の例としては、有料道路システムのガラス製魚眼レンズの複合曲線に挿入されるプリント球体ヒーターがあります。このレンズ内のセンサーは、バイクからセミトレーラーまで車両のサイズを識別し、各車両に適用される通行料金を決定するため、あらゆる気象条件で動作できる必要があります。また、自治体や除雪業者が道路状況を把握するために、道路の分岐点に設置するソーラーカメラのヒーターもその一例です。雪や氷、霧のないカメラから得られる正確な情報をもとに、適切な塩水溶液の調合方法や設置場所を決定し、道路を安全に走行させることができる。
キャビテーションインク
キャビテーションというと、液体のマイクロジェットや衝撃波が強力に破壊され、硬い金属やセラミックにも穴をあけるようなイメージを持っている人も多いでしょう。キャビテーションは、圧力が大きく変化して真空の気泡ができ、その気泡の外側で圧力が高くなると崩壊することで発生します。例えば、水中でプロペラが回転すると圧力が低下し、真空の気泡が形成され、それが崩壊して金属製のプロペラに穴が開く。しかし、今、キャビテーションは全く別の形で活用され、私たちの業界を揺るがしています。
ACIマテリアルズという会社が、0.1ミクロン以下という比類ないナノ粒子の分散性を持つ機能性インクを製造する制御キャビテーションプロセスを開発しました。このプロセスでは、材料内に真空バブルを制御して形成し、その真空バブルを破壊してエネルギーを放出させます。このエネルギーは、液体のマイクロジェットと衝撃波の形で放出され、製品ミックスの究極の分散を生み出し、一次粒子径に近いサイズ（大きな凝集物の排除）を達成します。グラファイトやナノクレイのような層状構造は剥離し、高アスペクト比の粒子が形成されますが、キャビテーションは可鍛性粒子の形態を変化させるものではありません。キャビテーションプロセスは、優れた導電性と機械的性能を持つインクを作り出し、プリンターがスキージやフラッドバーを使って、これまで想像もしなかったような場所に行くことを可能にします。例えば、電源管理など、以前はインクの制約で参入できなかった市場に、プリンターが参入できるようになるのです。
ACIマテリアルチームは、世界で唯一のキャビテーション機能付きインクを開発し、現在生産しています。ACIの特別に調合されたインクは、銀ベースの付加製造プリント回路のはんだ付け性を可能にし、FHEアプリケーションにおける高スループット、低コスト、部品取り付けを可能にします。このプロセスをPETのような非常に安価な基板と組み合わせることで、印刷会社はコスト比較のできるナノ材料による回路付加製造に取り組むことができ、印刷会社と環境にとって大きなメリットとなります。
ACI社のキャビテーションプロセス
ACIが特許を持つキャビテーションプロセスは、現在の混合方法とは異なり、材料の性能を劇的に向上させ、ストレッチャブル/ウェアラブル技術やフレキシブルハイブリッドエレクトロニクスなどの新しいアプリケーションを可能にします。
また、キャビテーションはカーボンナノ材料の超微細な分散を可能にします。これは、例えば、伸縮可能な固定抵抗ヒーターの製造において重要なことです。目標とする抵抗値のトレースを安定して印刷するためには、カーボンを含む機能性フィラーが完全に分散している必要があります。もし完全に分散していなければ、スクリーン印刷の剪断力によって、印刷中にカーボンフィラーが分散し続ける可能性があります。その結果、印刷のたびに抵抗値が変化してしまうのです。カーボンフィラーを完全に分散させることは非常に困難です。キャビテーションにより、カーボンは画面に入る前に完全に分散され、固定抵抗ヒーターからの出力温度は、何千ものヒーターが印刷される場合でも、常に均一となります。
最終的に、キャビテーションインクは、私たち個人の二酸化炭素排出量に大きな変化をもたらす可能性があります。例えば、キャビテーションインクを伸縮性のある素材に使用することで、人体にフィットし、洗濯や乾燥に耐えられるウェアラブルヒーターを作ることができます。もし、首に巻く部分がわずか18インチのプリントヒーターで長さ4フィートのスカーフが作れるとしたら、あなたは家の暖房を上げる可能性はどれくらいあるでしょうか？あまりないでしょう。薄くて、平らで、柔軟性があって、便利で、いろんな意味で非常に電力効率がいい。
上記のSEM顕微鏡写真は、ナノチューブの壁を破壊することなく、カーボンナノチューブの絡まりをほどき、分散させるキャビテーションの能力を示しています。キャビテーションインクは、体にフィットするシャツの形をした心拍数や血圧のモニター、頭蓋骨の帽子の形をした脳センサー、物理療法用の印刷されたウェアラブルヒーターなど、ウェアラブル医療技術にも将来性がある。
最後に、キャビテーションはそれ自体が環境に優しい製造プロセスです。ステンレス製の密閉された環境で行われるため、VOCは一切排出されません（その結果、収率もほぼ100％になります）。
ますます多くのOEMが、廃棄物の流れに寄与していないことを証明するようデザイナーに要求しています。もし、お客様が取締役会に提出できるような、環境に配慮した持続可能な選択肢を2つか3つ提示できなければ、私たちはビジネスを失うことになるでしょう。医療機器製造はその典型的な例で、キャビテーションがゲームチェンジャーとなる可能性もあります。
例えば、グルコースモニタリングシステムは、毎日何百万台も使われています。キャビテーションを使えば、同じ信号強度を得るために、1枚あたり10分の1グラム少ない銀でモニターを印刷することができます。モニターが廃棄される際に埋め立てられる銀が減るだけでなく、モニター自体のコストも削減できるのです。1年間に3億個のグルコースモニターを印刷することを考えると、大幅なコスト削減と、埋め立てられる銀の量を大幅に減らすことができるのです。これは、私たちが今日目指しているところであり、明日は絶対にそうしなければならないところなのです。
フォトバイオモジュレーション
ウェアラブルフォトバイオモジュレーション（PBM）療法は、プリンテッド機能エレクトロニクスのもう一つの新しいフロンティアです。以前は低レベルレーザー療法として知られていたPBMは、低レベルのレーザーやLEDを人の体の表面に当てて痛みを和らげ、治癒プロセスを促進させる医療行為です。痛みや炎症に対して、オピオイドなどの従来の治療法に代わる治療法として実証されています。新しい用途では、組織の治癒や痛みの軽減にとどまらず、ニキビ治療やシワの改善など美容への応用が期待されています。
PBMのウェアラブルパッチは、多くの病状に対して便利で効果的な治療を提供するだけでなく、非侵襲的であるため、他の医療行為よりも患者さんにとって安全です。また、多くのニキビ治療薬のように肌を刺激するような刺激の強い化学物質を使用しておらず、ボトルやキャップ、箱など、廃棄物の流れに直接入るようなパッケージはほとんどありません。
ケアウェア社のライトセラピーシステムは、痛みの管理、軟部組織損傷の治療、しわやにきびの治療のためのワイヤレス、ウェアラブル、市販のFDAクリア、CE MDDクラスIIaの医療機器です。デジタルヘルスインフラストラクチャーと組み合わせて使用することで、臨床医が治療パラメーターや結果指標を選択し、利用状況をモニターし、クラウドを通じてリアルタイムに報告することができます。
意味合い
この記事で取り上げた例は、機能性プリンテッドエレクトロニクスが、私たちの生活水準を向上させるエキサイティングな新製品の開発だけでなく、廃棄物やスクラップをなくし、資源効率の良い材料を選択できるようにすることで、環境維持に関連する付加製造の将来において、中心的役割を果たすことを示している。
この勢いを維持するためには、私たちの業界があらゆるレベル、あらゆる機会で科学、技術、工学、数学（STEM）教育を積極的に推進することが不可欠となります。熟練労働者を求めているのはプリンテッドエレクトロニクス業界だけではありませんし、テクノロジーが多くの雇用分野に浸透するにつれて、競争は激化しています。実際、国際通貨基金（IMF）の報告によると、2030年までに世界全体で8500万人以上の技術者が不足し、8兆5000億ドルの年間収益が失われる見込みです。
しかし、私たちはチャレンジしています。私たちの業界の未来はとてもエキサイティングなので、熱意を共有するのは簡単です：個人的なことですが、私たちの多くは、STEMを推進する地域のプログラムに参加しています。個人的なレベルでは、私たちの多くが地元でSTEMを推進するプログラムに参加しています。それを続けていきましょう。
デジタル印刷とスクリーン印刷業界において、エンジニアリングとリーダーシップ、事業開発のバックグラウンドを持つ。ハミルトンロボティクス、GEメディカル、メドトロニック・ニューロロジカル、ゾール・メディカル・コーポレーションにおいて、新しい製造技術の導入などのプロジェクトを担当。また、ネバダ州リノにある最先端の研究開発組織Primary Image, Inc.の創設者兼リーダーとして、彼のチームはゲーム、軍事、政府、医療技術分野の企業向けにいくつかの革新的なソリューションの立ち上げに成功しました。
By Michael LeFebvre, DuraTech Industries｜michael.lefebvre@duratech.com
