理化学研究所創発物性科学研究センター（CEMS）と理研基幹研究所（CPR）の研究者は、曲げられる機器や衣服に使われるような超薄型電子機器の柔軟性を向上させる技術を開発しました。 掲載内容 サイエンス・アドバンス は、水蒸気プラズマを利用して、接着剤や高温を必要とせず、別々の超薄型ポリマーフィルム上に固定された金電極を直接接合することに成功しました。
電子機器の小型化が進み、曲げられる電子機器、身につけられる電子機器、肌につけられる電子機器が求められるようになるにつれ、従来の方法でこれらの機器を構成することは現実的ではなくなってきている。最大の問題のひとつは、複数のデバイスやデバイスの断片を、それぞれ別々の超薄型ポリマーフィルム上に存在させ、どのように接続・統合するかということである。従来の接着剤で電極を貼り合わせる方法では、柔軟性に欠け、超薄型電子部品にダメージを与える温度や圧力が必要であった。また、金属と金属を直接接合する従来の方法もあるが、この種の電子機器では一般的ではない、完全に滑らかで清浄な表面を必要とする。
理研CEMS/CPRの染谷隆夫を中心とする研究チームは、接着剤、高温、高圧を使わず、完全に滑らかで清潔な表面を必要としない、これらの接続を確保する新しい方法を開発した。室温で1分もかからず、その後、約12時間待つだけである。水蒸気プラズマ援用接合と呼ばれるこの新技術は、熱蒸発装置を用いて1000分の2ミリという極薄のポリマーシートに印刷された金電極の間に安定した結合を形成するものである。
理研CEMS/CPRの福田健二郎主任研究員は、「接着剤を使わずに超薄型でフレキシブルな金エレクトロニクスを作製した最初のデモンストレーションです」と述べています。「この新しいダイレクトボンド技術を使って、フレキシブルな有機太陽電池と有機LEDの統合システムを作製することができました」。実験では、水蒸気プラズマアシストボンディングが、従来の接着剤やダイレクトボンディング技術よりも優れた性能を発揮することが示されました。特に、接着の強度と一貫性は、標準的な表面アシストダイレクトボンディングが達成したものよりも優れていました。同時に、曲面への追従性も高く、標準的な接着技術よりも耐久性に優れていました。
福田によれば、この方法自体は驚くほど簡単で、だからこそ偶然に発見できたのかもしれない。高分子シートに金の電極を固定した後、機械を使って電極側に水蒸気プラズマを40秒間照射する。 その後、電極が正しい位置で重なるようにポリマーシートを押し付ける。室温で12時間待つと、すぐに使えるようになる。また、水蒸気プラズマで活性化した後、貼り合わせる前のフィルムは、真空パックで数日間保存することができるのも利点です。これは、活性化前の部品を発注して流通させる可能性を考えると、実用上重要な点である。
研究チームは、超薄型の有機太陽電池モジュールとLED照明モジュールを別々のフィルムに印刷し、さらに5枚のポリマーフィルムで接続することで、コンセプトの実証に成功しました。このデバイスは、棒に巻き付けたり、極端にくしゃくしゃにしたりねじったりするなどの広範なテストに耐えました。さらに、LEDの電力効率は、この処理によって損なわれることはありませんでした。この技術は、あらかじめパッケージされたLEDチップをフレキシブルな表面に接合することも可能でした。
福田は、「この新しい方法は、衣服や皮膚に貼り付けることができる次世代ウェアラブルエレクトロニクスのフレキシブル配線・実装技術になると期待しています」と述べています。「次のステップは、この技術を銅やアルミニウムなどの安価な金属にも使えるように開発することです。
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