ペンシルバニア州立大学が率いる国際研究チームは、炭素原子が六角形に配列された単層グラフェンが、優れた柔軟性と高い伝導性を持ち、フレキシブルエレクトロニクスを進化させる可能性があると発表しました。 ペンシルバニア州立大学工学部機械工学科のDorothy Quiggleキャリア開発教授であるHuanyu "Larry" Cheng氏は、この共同研究を率い、将来の動作検知、触覚検知、健康モニタリングデバイスの研究開発に役立つ2つの研究結果を最近発表しました。
レーザー加工がグラフェンの形状や機能に与える影響を調査中
レーザー照射によって、いくつかの物質を炭素に変換し、グラフェンを作ることができる。レーザー誘起グラフェン（LIG）と呼ばれるこの生成物は、元の物質によって決まる特定の特性を持つことができる。研究チームはこのプロセスをテストし、その結果を『SCIENCE CHINA Technological Sciences』誌のオンライン版で先行公開した。「ポリイミドにCO2レーザーを照射したレーザー誘起グラフェンの特性に及ぼすレーザー加工パラメータの影響」。
プラスチックの一種であるポリイミドのサンプルに、レーザースキャンを照射した。研究者たちは、出力、走査速度、パス数、走査線の密度を変化させた。「レーザー加工プロセスのパラメーターの違いによって、どのように異なるナノ構造が形成されるかを調べたかったのです」とCheng教授は語る。 "出力を変化させることで、繊維状または発泡体状のLIGを作ることができました。"
その結果、7.2ワットから約9ワットまでの低い出力レベルでは、多数の超微細な層を持つ多孔質発泡体が形成されることがわかった。このLIG発泡体は、電子機器の部品として有用な電気伝導性と耐熱性を備えていた。
出力を約9Wから12.6Wに上げると、LIGの形成パターンが泡から小さな繊維の束に変化した。この繊維の束は、レーザーの出力を上げると直径が大きくなり、さらに出力を上げると繊維ネットワークが網目状に成長した。この繊維状の構造は、発泡体よりも優れた電気伝導性を示した。Cheng教授によると、この性能の向上と繊維の形状を組み合わせることで、センシングデバイスの可能性が開けるかもしれないという。
「一般に、これは他の部品を構成するために使用できる導電性フレームワークです」とChengは言います。「繊維が導電性である限り、これを足場にして表面にさまざまな加工を施すことができ、皮膚上のブドウ糖センサーや傷口の感染検出器など、さまざまなセンサーを実現できます」異なる出力で形成したLIGのレーザー走査速度、密度、パスを変化させることも導電性とその後の性能に影響を及ぼした。レーザーの照射量が多いほど導電率は高くなったが、燃焼による過剰な炭化で最終的には低下した。
低価格のLIGセンサーの実証実験
Chengとその研究チームは、前回の研究を基礎として、柔軟なLIG圧力センサーの設計、製作、テストに着手した。
「圧力センサーは非常に重要です」とCheng教授は言います。「家庭や製造現場だけでなく、皮膚表面で脈拍のような人体からの多くの信号を測定するために使用することができます。また、人間と機械のインターフェースで、義肢の性能を向上させたり、その取り付け位置をモニターしたりするのにも使用できます。
研究チームは、2つのデザインをテストしました。1つ目は、薄いLIGフォーム層を、銅電極を含む2枚のポリイミド層で挟み込んだものである。圧力をかけると、LIGは電気を発生させた。 発泡体に空隙があることで電気の通り道が減り、圧力源を特定しやすくなり、繊細なタッチに対する感度が向上したように見えた。
この最初の設計では、手の甲や指に装着すると、手の曲げ伸ばしの動きや、心拍の特徴である打診波、潮汐波、拡張波を検出することができた。 Cheng氏によると、この脈拍を心電図と組み合わせて、カフを使わずに血圧を測定することができるという。
2つ目の設計では、LIGの発泡体にナノ粒子を配合した。二硫化モリブデンは、導電体としても絶縁体としても機能する半導体で、この小さな球体がLIGフォームの感度と物理的な力への耐性を向上させた。また、この設計は繰り返しの使用にも強く、約1万回の使用前と使用後の性能はほぼ同じでした。どちらの設計も費用対効果が高く、シンプルなデータ取得が可能であったとChengは述べています。
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