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伸縮性エレクトロニクスは、弾性エレクトロニクスまたは弾性回路とも呼ばれ、シリコーンやポリウレタンなどの伸縮性基板上に電子デバイスや回路を堆積または埋め込むことで電子回路を構築し、大きな歪みに耐えられる完成した回路を作成するための一連の技術です。最も単純なケースでは、伸縮性エレクトロニクスは、剛性プリント回路基板に使用されるのと同じコンポーネントを使用して、剛性基板を（通常は蛇行パターンで）切断して面内の伸縮性を可能にすることで作成できます。[1]しかし、多くの研究者は、液体金属などの本質的に伸縮性のある導体も求めてきました。[2]
この領域における大きな課題の 1 つは、基板と相互接続を、フレキシブル (フレキシブル エレクトロニクスを参照) またはリジッド (プリント回路基板) ではなく、伸縮可能に設計することです。通常、ポリマーは基板または埋め込む材料として選択されます。[3] 基板を曲げると、曲げの最外半径が伸び (オイラー・ベルヌーイ梁のひずみを参照) 、相互接続に大きな機械的ひずみが生じます。伸縮可能なエレクトロニクスは、多くの場合、人間の皮膚や肉のバイオミミクリ (伸縮性を持たせながら完全な機能性を維持) を試みます。ロボットデバイス用の高感度電子皮膚[4]や生体内に移植可能なスポンジのよう なエレクトロニクスなど、伸縮可能なエレクトロニクスによって製品の設計空間が広がります。
伸縮性皮膚エレクトロニクス
皮膚の機械的性質
皮膚はコラーゲン、ケラチン、エラスチン繊維で構成されており、堅牢な機械的強度、低弾性率、引き裂き抵抗、柔らかさを備えています。皮膚は表皮と真皮の二重層と考えることができます。表皮層の弾性率は約 140～600 kPa で、厚さは 0.05～1.5 mm です。真皮の弾性率は 2～80 kPa で、厚さは 0.3～3 mm です。[5]この二重層の皮膚は、15% 未満のひずみに対しては弾性線形応答を示し、それより大きいひずみでは非線形応答を示します。皮膚ベースの伸縮性電子機器を設計する際には、デバイスが表皮層の機械的特性と一致するように適合性を実現することが望ましいです。
機械的特性の調整
従来の高性能電子デバイスは、シリコンなどの無機材料で作られていますが、無機材料は硬くて脆く、皮膚とデバイスとの機械的な不一致により生体適合性が低いため、皮膚統合型電子デバイスへの応用は困難です。この課題を解決するために、研究者は極薄層の形で柔軟な電子デバイスを構築する方法を採用しました。物体の曲げに対する抵抗（曲げ剛性）は、梁のオイラー・ベルヌーイの式によると、厚さの3乗に関連しています。[6]これは、厚さが薄い物体の方が簡単に曲げたり伸ばしたりできることを意味します。その結果、材料のヤング率が比較的高い場合でも、極薄基板上に製造されたデバイスは曲げ剛性が低下し、破損することなく小さな曲率半径に曲げることができます。薄型デバイスは、ナノテクノロジー、加工、製造の分野における大きな進歩の結果として開発されました。前述のアプローチは、薄い柔軟なポリマー基板上に堆積された100～200nmの厚さのSiナノ膜で構成されたデバイスを作成するために使用されました。[6]
さらに、構造設計を考慮することで、デバイスの機械的安定性を調整することができます。独自の表面構造を設計することで、硬い電子機器を柔らかくすることができます。座屈、アイランド接続、切り紙コンセプトはすべて、システム全体を伸縮性のあるものにするためにうまく採用されています[ [7] 、[8] ]。
機械的な座屈は、エラストマーの薄い基板上に波状の構造を作るために使用できます。この機能により、デバイスの伸縮性が向上します。座屈アプローチは、エラストマー基板上の単結晶SiからSiナノリボンを作成するために使用されました。この研究では、圧縮および伸張時にデバイスが最大10％の歪みに耐えられることが実証されました。[9]
アイランド相互接続の場合、剛性材料は、ジグザグ、蛇行形状の構造など、さまざまな形状で作られた柔軟なブリッジに接続され、有効剛性を低減し、システムの伸縮性を調整し、特定の方向に加えられた歪みの下で弾性変形します。蛇行形状の構造は、表皮エレクトロニクスの電気特性に大きな影響を与えないことが実証されています。また、基板上のデバイスの動きに反対する相互接続の絡み合いにより、らせん状の相互接続は、蛇行構造よりも大幅に伸びて変形することが示されています。[7] 3Dアイランド相互接続技術を採用したPDMS基板上に構築されたCMOSインバータは、伸張時に140％の歪みを示しました。[9]
切り紙は、2D膜の折り畳みと切断の概念に基づいて構築されています。これにより、基板の引張強度、面外変形、伸縮性が向上します。これらの2D構造は、その後、座屈プロセスを介してさまざまな地形、形状、サイズの制御性を備えた3D構造に変換され、興味深い特性と用途が生まれます。[7] [9]
エネルギー
いくつかの伸縮性エネルギー貯蔵デバイスとスーパーキャパシタは、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）などの炭素ベースの材料を使用して作られています。Liらによる研究では、動的な充電と放電を実行する伸縮性スーパーキャパシタ（弾性PDMS基板上の座屈したSWCNTマクロフィルムとエラストマーセパレーターで構成）が示されました。[10]この伸縮性エネルギー貯蔵技術の主な欠点は、比静電容量とエネルギー密度が低いことですが、SWNT / MnO2電極などの酸化還元材料を組み込むことで改善できる可能性があります。[11]伸縮性エネルギー貯蔵デバイスを作成する別のアプローチは、折り紙の折り畳み原理を使用することです。[12]結果として得られた折り紙バッテリーは、大きな線形および面的変形可能性、大きなねじれ性と曲げ性を実現しました。
薬
伸縮性のある電子機器をスマート衣服に組み込むことで、人体とシームレスに相互作用し、非侵襲的な方法で病気を検出したり、患者のデータを収集したりすることができます。たとえば、ソウル国立大学とMC10（フレキシブルエレクトロニクス企業）の研究者は、汗中の血糖値を検出し、必要に応じて必要な薬（インスリンまたはメトホルミン）を投与できるパッチを開発しました。このパッチは、金粒子が散りばめられたグラフェンで構成されており、温度、pHレベル、血糖値、湿度を検出できるセンサーが含まれています。[13] 伸縮性のある電子機器により、開発者は柔らかいロボットを作成し、病院で低侵襲手術を実施することもできます。特に脳の手術では1ミリメートルも重要であり、このようなロボットは人間よりも正確な動作範囲を持つ可能性があります。
触覚センシング
硬い電子機器は、通常、柔らかい生物や組織にはあまり適合しません。伸縮性のある電子機器はこれに制限されないため、一部の研究者は、タッチセンサーや触覚センサーとして実装しようとしています。これを実現する方法の 1 つは、導電性 OFET (有機電界効果トランジスタ) のアレイを作成してネットワークを形成し、静電容量の局所的な変化を検出できるようにすることです。これにより、ユーザーは接触が発生した場所に関する情報を得ることができます。[14]これは、ロボット工学や仮想現実アプリケーションで使用できる可能性があります。[6] [7] [5] [8] [9]
参照
参考文献
- ^ Kim DH、Ahn JH、Choi WM、Kim HS、Kim TH、 Song J、他 (2008 年 4 月)。「伸縮可能で折り畳み可能なシリコン集積回路」。Science。320 ( 5875 ) : 507–511。Bibcode : 2008Sci ...320..507K。doi : 10.1126/science.11 54367。PMID 18369106。S2CID 5086038 。
- ^ Yang JC、Mun J、Kwon SY、Park S、Bao Z、Park S (2019年11月)。「電子皮膚：健康モニタリング、ロボット工学、義肢のための皮膚に取り付け可能なデバイスの最近の進歩と将来の展望」。Advanced Materials。31 ( 48 ) : e1904765。Bibcode : 2019AdM....3104765Y。doi : 10.1002/adma.201904765。PMID 31538370。
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外部リンク
- 「マイクロシステム技術センター (CMST)」。ベルギー: ゲント大学 / IMEC。
- 「ロジャース研究グループ」。ノースウェスタン大学。
- 「Stretchable Circuits は伸縮可能な電子システムを開発しています」。2018 年 2 月 1 日時点のオリジナルよりアーカイブ。