米国のノースカロライナ州立大学の研究チームは、室温で超薄型で透明かつ高導電性の金属酸化物膜を印刷できる新技術の開発に成功した。この技術は、スマートフォンのタッチスクリーン、コンピューターモニター、耐高温電子部品などの用途を含む電子製品に、より効率的で多様な製造方法をもたらすことが期待される。
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液体金属とメニスカス技術がカタツムリのような印刷機構を生み出す
従来の金属酸化物フィルムの製造では、高温の装置が必要となり、時間とコストがかかり、印刷速度も遅くなります。この新技術は、空気と接触すると自然に形成される金属酸化物の膜である液体金属をベースとして使います。液体金属を2枚のガラスの間に挟み、液体の表面張力によって形成される「メニスカス」を利用して印刷します。
このメニスカスは、水のボールを覆う薄いゴムの層のように、金属酸化物の層で覆われています。メニスカスが基板表面上を滑る際に、前後の酸化物層が表面に均一に転写され、カタツムリが這った後に残るスライムの跡のように、わずか約 4 ナノメートルの厚さの極薄金属酸化物膜が残ります。さらに特別なのは、印刷プロセス中にメニスカスが継続的に新しい酸化膜を生成し、印刷を継続できることです。
優れた特性：透明性、導電性、耐熱性、柔軟性
極めて薄い膜厚にもかかわらず、金属のような導電性と透明性を有します。研究チームは、このフィルムは高温環境でも安定した導電性を維持できると指摘した。実験によれば、厚さ 4 ナノメートルのフィルムは 600 ℃ までの高温に耐えられることがわかっています。厚さを12ナノメートルまで増やすと、少なくとも800℃に耐えることができます。
さらに、研究者らはこれらの金属酸化物を柔軟なポリマー基板上に印刷し、最大 40,000 回曲げた後でも導電性と構造的完全性を維持する曲げ可能な回路基板を作成することに成功しました。
二重構造と金の使用により安定性を向上
これらの金属酸化物フィルムは、中央部分に酸素がほとんど含まれず金属性が強い独特の二重層構造をしており、そのため優れた導電性を備えています。研究者らはまた、フィルムに少量の金を導入することで、フィルム中心部の酸化をさらに防ぎ、導電性を長期間維持できることも発見した。これにより、金は通常は酸化物と結合しにくいという物理的特性を克服します。
多様な用途と将来の可能性
この技術は、さまざまな液体金属や合金に適用できるだけでなく、フィルムの構成を調整してさまざまな機能要件に適応させることができ、柔軟性も高くなります。研究者らは、このフィルムを葉などの非従来型の基板に転写することにも成功し、将来的には携帯型デバイスや非従来型デバイスに応用できる可能性を示した。
「われわれはこの技術の知的財産権を保持しており、業界パートナーとともに商業化と応用の可能性を探っていきたい」とノースカロライナ州立大学教授で共同責任著者のマイケル・ディッキー氏は述べた。
この研究はサイエンス誌に正式に掲載された。
参考文献
- 科学者らが新しい金属酸化物印刷技術を開発し、電子部品製造の新たな章を開く
- New Metal Oxide Printing Technique Paves the Way for Transparent, Flexible Electronics
- 「極薄透明フレキシブル回路基板の自然酸化物雰囲気印刷」Minsik Kong、Man Hou Vong、Mingyu Kwak、Ighyun Lim、Younghyun Lee、Seong-Un Lee、Insang You、Omar Awartani、Jimin Kwon、Tae Joo Shin、Unyong Jeong 和 Michael D. 185 月，202 月 202 月 202 月 202 月科學。 DOI: 10.1126/science.adp3299
(画像提供：ノースカロライナ州立大学-Minsik Kong)
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