プリンテッドエレクトロニクスは、スマートなオムツから精密ミサイルまで、さまざまなアプリケーションで利用されています。本記事では、Roll-to-Roll（R2R）プリンテッドエレクトロニクスに関するアプリケーションと技術開発の事例を紹介します。
ヘルスケア、自動車、太陽光発電、ディスプレイなど、さまざまな分野での応用事例を紹介する。ここで共通しているのは、スクリーン、フレキソ、グラビア、スロットダイなどの印刷技術に関係なく、エレクトロニクスをR2R印刷することです。ここで紹介するアプリケーションは、重要度の高い順に並んでいるわけではありません。以下の画像と例は、プリンテッドエレクトロニクス、フレキシブルエレクトロニクス、ハイブリッドエレクトロニクス、インモールドエレクトロニクスの本場であるTechBlickで行われた2021年のプレゼンテーションから抜粋したものである。
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医療用センサー
多くのセンサーは印刷されています。例えば、グルコーステストストリップは印刷されており、多くの場合R2Rです。CGM（持続的血糖値測定器）の台頭で市場が縮小しているため、ここでの説明は省きます。
下の画像は、R2Rスクリーン印刷されたセンサーの2つの例です。左の画像は、心電図用電極で、100万個/年以上の大量生産が可能なR2Rです。右の画像は、伸縮性のある不織布に導電性カーボンを使用して商業的にR2Rスクリーン印刷された失禁センサーの例です。このように薄く、さらに伸縮性のある基材に、伸縮性インクを使用して、しわや不適切な伸縮がなく、インク硬化工程で収縮することなく印刷できることは、機能性R2Rスクリーン印刷の技術を進歩させるものである。
出典 メコープリント
ロータリースクリーン印刷は、より高度なウェアラブル医療センサー（スマートスキンパッチ）の基礎にもなっています。下図は、伸縮性のある導電性インク、誘電性インク、塩化銀インクなどをロータリー・スクリーン印刷した製品の概略図です。このスマート電子皮膚パッチは、バイタルサインの測定を可能にするウェアラブルセンサープラットフォームの基礎となるものです。心拍数や呼吸の測定から始まり、他の生理的なパラメータを測定することができます。
出典 クアッド・インダストリーズ
R2Rプリンテッドエレクトロニクスにおける最近の興味深い商業的成功例は、InnovationLab GmbH（iL）がDr Jean Bausch GmbH & Co.のために開発したグレードIの医療用製品です。KGのために開発された、歯の形状をデジタルで測定するためのデジタル咬合紙です。これは、ピエゾ抵抗と銀のインクを使ってPI基板上にR2Rプリントされた60μmの薄いセンサーで、256段階の圧力レベルのデジタル計測を可能にします。
iLのパイロットR2R装置は、1回の運転で5層の印刷が可能で、33cmのウェブに印刷でき、長さは17mまで可能です。さらに、下図に示すように、このマシンには、さまざまな硬化（熱風、IR、UV、ホットエンボス）および変換（ラミネート、スリット、ダイ・キスカット）モジュールが統合されています。この機械は、最大で毎分160m（実機はこの速度で生産されていない）の連続運転が可能です。iLのパートナーであるHeidelberger Druckmaschinen AGの生産機は、例えば25mの長い乾燥セクションにより、44cmのウェブをより速い速度で処理することができます。
出典 Innovation Lab GmbHとDr. Jean Bausch GmbH & Co. KGがTechBlick 2021で発表したものです。
オートモーティブ
次に紹介したいのは、自動車分野での応用です。この業界では、機械式スイッチを静電容量式に置き換えることが大きなトレンドになっています。下の画像は、PolyIC GmbH（Kurz社）のもので、自動車の駆動輪やギアの内部に組み込まれたR2Rプリント透明タッチフィルムが示されています。この透明センサーは、厚さ100nmの銀ナノ粒子インクを線幅10μm、間隔100μmで印刷したR2R印刷金属メッシュフィルムです。正確なR2R印刷の技術は独自に開発したものです。
出典 PolyIC GmbH、2021年5月TechBlickにて発表
スマートパッケージング
次に注目されるのは、服薬アドヒアランスを向上させるためのスマートな医薬品パッケージングへの応用です。ジョーンズヘルスケアパッケージングは、2013年からこの技術を積極的に開発し、現在、実際のサンプルが患者によってテストされている状態で商品化されています。最初の開発は、銀/カーボンインクを使用したPET基板上のナローウェブパイロットR2Rプリンター（下図）をベースとしたものであった。現在の製品は、紙基材にカーボンインクを使用してフレキソ印刷されています。プリントされたカーボン回路は下の写真の通りです。もちろん、これは第一世代の製品である。将来的には、機能性エレクトロニクスやプリンテッドディスプレイをスマートパッケージング自体に組み込むことも可能です。
出典はこちら ジョーンズヘルスケア、2021年3月TechBlickにて発表
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太陽光発電
ここで、太陽光発電産業におけるR2Rプリンテッドエレクトロニクスの応用に焦点を当てます。有機太陽電池は、20年以上前から商業的に開発されている。2001年に設立されたKonarka社が、1億7000万ドルの資金を調達した後、2012年に倒産したことを記憶している人も多いだろう。このような挫折を経験しながらも、技術開発は休むことなく続けられた。現在、R2Rプリント方式、R2R蒸着方式ともに技術的な成熟度は高い。
下の写真は、生産規模を拡大したブラジルのSunew社の例です。生産ラインは5つの印刷ステーションで構成され、各ステーションはOPVスタックに1層ずつ積層しています。ウェブ幅に32のプリントラインがあります。ウェブ幅は50cmで、長さは最大1.5Kmになります。厚みの均一性は2％以下である。なお、実験室での結果からスケールアップする際の大きな課題は、層間界面とドナー・アクセプター活性層の形態を制御することである。
左の画像は、500mmウェブを目指したときに、いかにして一貫した効率を維持できるかを示している。右の画像は、R2Rが製造した有機太陽電池を実際に設置した例です。なお、Armor社（R2Rコーティング）やHeliatek社（R2R蒸着タンデムセル）など、他の企業もスピードと幅でプロセスをスケールアップしている。
出典はこちら スニュー（2021年5月、TechBlickカンファレンスにて発表）
もちろん、最近では、太陽光発電技術の中で最も習得が早いペロブスカイト型太陽電池（PePV）を積極的に採用するところも多い。この技術は、印刷することも可能です。例えば、Energy Material Corp（EMC）は、PePVの完全インライン無風R2R生産の規模を拡大しています。下の右の画像は、パイロットラインから大規模な生産ラインへの移行を示すもので、その意欲的な事業規模を強調しています。この生産ラインでは、厚さ100μmのフレキシブルガラスの1.5mウェブに、30m/分近い速度でR2R印刷を行う予定です。目標は、年間2,000万平方メートルを生産するR2RプリントPePV工場を作ることです。
透明導電層には、コダックの技術を使用したR2Rフレキソ印刷で印刷されたR2R金属メッシュ層が含まれています。左下に示す金属メッシュフィルムは、100μmのコーニングガラスに60m/minで印刷されています。線幅は公表されていませんが、コダックのプロセスでは、高いウェブ速度で10 μm未満の線幅を確実に印刷することができます。
出典 EMC（右）、Kodak（左）。
コダックの画像は、TechBlickでの発表（2021年3月）より。
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(4）RESHAPED エレクトロニクスの未来
(5) マイクロ・ミニLED
(6) 量子ドット：材料イノベーションと商業応用
(7) グラフェン＆2D材料。エンドユーザー、アプリケーション、主要生産者、スタートアップ企業
(8)5G/6G材料
(9) マテリアルインフォマティクス
(10) ウェアラブル医療センサー、E-Textiles、連続バイタルサインモニタリング
ディスプレイ
R2R印刷は、エレクトロクロミックディスプレイの印刷にも使われています。この技術は新しいものではありませんが、現在、大量生産が可能な状態になっています。R2Rスクリーン印刷を用いたYnvisibleの生産ラインを以下に示す。エレクトロクロミックディスプレイは、銀層、対向電極、電解質、シンボル層、エレクトロクロミック層、グラフィック層を上下の防湿基板で挟んだ多層構造になっています。生産コストを削減するため、変換とテストをインラインで行うR2Rは重要な進歩です。
このプリントエレクトロクロミックディスプレイは、大量生産のIoTアプリケーションをターゲットとしたシンプルなセグメントディスプレイに向いています。ディスプレイの厚さは300μm未満で、半径10mmまで曲げることができます。さらに、リフレッシュが必要な時間まで15分以上状態を保持できるため、非常に低い消費電力（1μW/cm2）を実現しています。電源電圧は1.5〜3Vで、簡単なマイクロエレクトロニクスで駆動することができる。つまり、プリント電池やプリントOPVで駆動させることができるのだ（右の画像はそのようなデモ機を示している）。これらのディスプレイは、接着剤を使ってターゲット基板に貼り付けることができる。最新の開発では、グラフィック層を追加して色彩感覚を与えることで、ディスプレイをブランドらしくすることもできる。
ソースはこちら 2021年7月にTechBlickで発表されたYnvisible
R2R印刷は、より複雑な他のタイプのディスプレイにも使用され、また使用することができる。量子ドット（QD）液晶ディスプレイでは、強化QD膜がR2Rスロットダイコーティングされています。右の写真はその一例です。これは商業的な成功例である。印刷は、新しいマイクロLED技術でも役割を果たすかもしれません。ガラス基板の表側と裏側をつなぐラップアラウンドインターコネクトの印刷に使用することができます。バンプや接続パッドなどを蒸着することもできる。
また、マイクロLEDを配置するためのある種のR2Rプロセスの可能性を探る、初期段階の開発作業も進行中です。ここでは、LIFT（レーザー誘起前方移動）プロセスとR2Rによる低温基板への標準的なはんだを用いた高速光焼結をベースにした初期段階のアプローチについて紹介する。
LIFTでは、レーザーパルスがパターン化された透明なキャリアを通して照射されます。レーザーは、独自のリリースコーティングに当たり、材料や部品を放出する。左のロードマップは、ホルストセンターによるもので、まず小型の機械で材料の狭小線蒸着を実証し、その後、部品搬送へと技術を発展させた様子を示しています。最近、Holstは、80µmのギャップと500µmのインターコネクトを持つ40x40x50µm3のマイクロLEDを転送するためにLIFTを使用することを実証しました。この実験室規模のデモでは、LEDの20％が横倒しで終了し、98％という（比較的）低い歩留まりでした。この結果は、生産可能なレベルにはほど遠いものですが、大きな改善の可能性を秘めたロードマップを確立したことになります。この技術は、R2Rフォトシンタリングと組み合わせることで、完全なR2Rプロセスを開発する機会を提供します。
出典はこちら。2021年6月のTechBlickで発表されたHolst CentreによるLIFTプロセスを示す右側。左はNanosysとパートナーによるR2Rスロットダイコーティング量子ドット強化膜を示す。
ファインラインR2R印刷の進歩は目覚しいものがあります。下の画像は、日本の旭化成の事例です。電子ビームリソグラフィーを用いたシームレスローラーモールド（SRM）を開発し、高解像度のシームレスR2Rインプリント膜を実現しました。以下に、このR2Rプロセスの超微細形状能力を示すいくつかの結果も示す。特に、トラック＆トレース用の透明RFIDとしての応用は、実用化が近い。
出典 旭化成
R2Rナノインプリントは、超微細な形状をR2Rで作成することも可能です。以下の例は、蘇州のプリンテッド・エレクトロニクス・リサーチ・センターが開発したハイブリッドR2R連続プロセスです。このプロセスでは、透明なタッチや加熱のアプリケーションを目的とした超微細形状（<5μm）の埋め込み金属メッシュ構造を形成することができます。下図の左の図は、プロセスの流れを示しています。エンボス加工は、転がるナノエンボスドラムを使って行われることに注意してください。中央の画像は、金属メッシュパターンと導電性ラインの埋め込み特性を示しており、表面の平滑性を損なうことなく、より高い導電性を得るためにラインを太くすることが可能である。下の右の画像は、O-Filmが以前、このメタルメッシュタッチスクリーンを商業的にR2R生産するために導入したR2Rマシンです。ピーク時には年間150万枚を生産していました。
出典 蘇州のプリンタブルエレクトロニクス研究センターが2021年3月のTechBlickで発表したもの
最後に、RFIDのR2R印刷と、複雑なマルチチップ・ハイブリッド回路のR2R生産に向けて進化していることに触れ、レビューを終えたいと思います。今回は、紙へのR2R印刷を開発した台湾のSmooth & Sharp（S&S）の事例を取り上げます。最も単純なケースとして、S&SはNFCを紙でR2R製造することを始めた。このNFCは、2年前、従来のプラスチック製NFCの2倍以上の価格だった。現在、S&Sは価格パリティが達成されたことを示し、より多くの市場にアクセスできるようになったことを意味する。
重要なのは、これが技術開発の始まりでもあるということです。NFC アンテナは1 つの小さなチップと1 つのメタライゼーション層を持っています。以下に示すように、将来はより多くのチップ、より多くの層、そしてより複雑な回路設計へと発展していくことでしょう。チップ（NFC とLED チップ）の統合、11 コンポーネント（2 つのアクティブ層と10 のパッシブコンポーネント）の開発、そして紙に印刷された6 レイヤーのタグR2R のデモを以下に示しま す。
このように、全体として非常に有望な動きとなっています。フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス（FHE）の製造設備は、まだ比較的早い段階だが、前進している。高度な超薄型フレキシブルチップは、ネイティブフレキシブル、または薄型化が可能になってきている。現在、RDL（再配線層）の助けを借りて、これらのパッケージは、フレキシブル基板上の印刷線の解像度を持つことができるようになっている。重要なのは、PETや紙への部品実装を可能にする低温実装技術（光焼結ハンダ、超低温ハンダ、粒子配列導電性接着剤）が登場しつつあることだ。これは、複雑なハイブリッドエレクトロニクスのR2R製造に向けたロードマップの始まりである。
まとめると、R2Rプリンテッドエレクトロニクスは、実に多くのアプリケーションを持つものであることを実証している。これは、活気に満ち、急速に進化している風景です。この技術とエコシステムについてもっと知りたい方は、TechBlick (www.TechBlick.com)を参照してください。TechBlickは、世界中のプリンテッドエレクトロニクス、フレキシブルエレクトロニクス、ハイブリッドエレクトロニクス、3Dエレクトロニクス、インモールドエレクトロニクスを紹介するサイトです。
ソースはこちら 2021年5月TechBlickで発表されたSmooth & Sharp
一見簡単そうなプロトタイプですが、特に表面が非平坦であるため、多くの技術的課題を克服する必要があります。特に、界面（後述）の部品の信頼性を検証し、保証する必要がある。この界面での信頼性低下の主な原因は、異なる材料の熱膨張係数の不一致であり、熱サイクル時の応力上昇に起因する。下表に示すように、熱膨張係数の範囲は多岐にわたる。
特に問題となるのは、フェースアップダイとの接続部である。ここでは、エアロゾルが誘電体の傾斜を堆積させ、その上にAgのトラックがエアロゾル印刷されます。導電性トラックは、破損、滑り落ち、または開示される可能性があります。同様に、接着剤領域で満たされた領域を横切る導電性トラックもまた、課題となりえます。この研究では、パーソンズ社は信頼性試験を実施するための戦略を紹介しました。
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[This is automatically translated from English]