ミストベース印刷で曲面3D表面上に直接回路を形成

プリント基板が平坦なのは、平坦であることが便利だからだ。スクリーン印刷が容易で、部品の実装も容易で、筐体への組み込みも容易である。しかし現実の物体がそう都合よくできていることは稀だ。デバイスの筐体は湾曲し、ヘルメットは先細りになり、航空機の外皮は撓み、医療機器は矩形の基板では到底対応できない解剖学的形状に沿わなければならない。曲面や三次元表面上に電子回路を直接構築する方法として説明される新しいミストベース印刷法は、まさにこの不一致に狙いを定めている。

その魅力は、目新しい形状の上に装飾的な回路を描くことではない。物体の表面そのものを回路に変える可能性——既に存在する形状の上に配線、センサー、アンテナを堆積させ、その内部に収めなければならない平坦な基板を中心に製品を設計するのではなく、という可能性にある。

ミストベース堆積の仕組み

インクをスクリーンに押し通したり、連続したビーズとして押し出したりする代わりに、ミストベースのアプローチは、極めて微細なエアロゾルに分解された液体インクから始まる。その結果は、液体の噴流というよりも制御された霧に近い。キャリアガス中に浮遊する微視的な液滴の雲である。

そのエアロゾルは堆積ヘッドを通して導かれ、そこで流れが成形され加速される。液滴が非常に小さく、流れを空気力学的に集束できるため、材料は表面に押し付けるのではなく、離れた距離から表面に向けて照射することができる。このスタンドオフ距離が、曲面や段差のある形状への鍵となる。プリントヘッドは表面に触れることなく輪郭を追従でき、その下の表面は平坦である必要がない。

液滴から固体の配線へ

ミストが着地すると、液滴は合体して薄い湿った線となる。その後、硬化または焼結の工程——通常は熱、時には光——によって溶媒が除去され、材料が融合して導電性の経路となる。堆積と固化が別の段階であるため、プロセスを調整できる。パスを増やせばより厚く低抵抗の線ができ、パスを減らせばより微細な形状が得られる。同じ柔軟性により、パスの途中で角度が変化する表面にもパターンを描くことができる。

マルチマテリアルへの展開

材料が固定されたフィラメントやスクリーンで定義されたステンシルとしてではなく、エアロゾルとして供給されるため、原理的には単一のツールでインクを切り替えることができる。導電性金属は配線を形成し、誘電体は層間の絶縁を提供し、抵抗性またはピエゾ抵抗性のペーストは感知素子となる。これらの層を積み重ねることで、曲面上の配線以上のものが得られる。すなわち、表面自体から構築されたアンテナ、コンデンサ、ひずみゲージ、電極である。

これが対処する形状の問題

従来の印刷が湾曲に苦戦する理由は、化学的なものよりもまず幾何学的である。スクリーン印刷は、基板に押し付けられた平坦で張力のかかったメッシュに依存している。そのメッシュを円筒に巻き付けると、位置合わせと張力の両方が劣化する。インクジェットや押出法はノズルと表面の間に制御された間隙を必要とし、曲面部品ではその間隙が絶えず変化する——これにより同じ配線に沿って線幅、厚さ、電気抵抗が変化する。段差、凹み、複合曲率が加われば、一定の作業距離を維持することは、材料の問題であると同時にモーションコントロールの課題となる。

非接触のミストプロセスはその制約を緩和するが、排除はしない。堆積品質は依然としてヘッドと表面の距離と角度に依存し、深く窪んだ領域や影になる領域は信頼性高く到達することが依然として難しい。

このアプローチが応用され得る分野

• 航空宇宙・防衛：曲面パネル、レドーム、内部構造に印刷されたアンテナ、センサー、発熱素子。別個の基板を取り付けることに伴う重量と締結具の数を回避する。
• ウェアラブル：身体に抵抗するのではなく身体とともに撓む繊維やフレキシブルバンド上に堆積された電極と相互接続。
• 医療機器：カテーテル、義肢、手術器具上のセンサーアレイ。形状は製造上の都合ではなく解剖学によって決まる。
• 自動車・産業：曲面構造部品に配置されたひずみ・温度センサー、または成形表面上に広がる発熱素子。
• コンシューマーエレクトロニクス：曲面筐体やディスプレイに統合されたアンテナとタッチセンシング層。

依然として解決すべき課題

有望な堆積法と量産製造の間にある障害は実用的で数多い。第一は密着性である。配線は、金属、複合材、ポリマー、セラミックのいずれかであり得る基板上で、屈曲、熱サイクル、取り扱いに耐えなければならない。

第二は熱的制約である。金属インクの焼結は、多くのプラスチック、複合材、完成したアセンブリが耐えられない温度をしばしば必要とするため、硬化工程は下層部品を保護するために局所化、短縮、または再処方する必要があるかもしれない。

次に、解像度とスループットの間の古典的な緊張関係がある。微細な形状と厚い導電層は相反する方向に引き合い、多パス堆積には時間がかかる。非平面表面上の歩留まりと検査はさらに難しい。光学検査システムは平坦な視野を前提に構築されており、曲線を回り込む配線を測定することは解決済みの問題ではない。

最後に、印刷された導体がすべての部品を置き換えることは稀である。チップ、コネクタ、電源部品は依然として取り付ける必要があり、業界は曲面で実装済みの表面に対応するピックアンドプレースおよび接合技術も必要とする。

構造と回路の境界が小さくなる

平坦な基板は消えないだろう。安価で、よく理解され、巨大な製造エコシステムに支えられている。しかし、物体とその電子機器の間の境界は柔らかくなりつつある。工学と解剖学が既に要求する形状の上に回路を堆積できるなら、設計者は新たな自由度を得る。基板を製品にどう収めるかを問う代わりに、製品のどの部分を単に基板にすべきかを問うことができる。

ミストベースの方法はその結果への一つの道であり、その最も興味深い特性は最も華やかでないものかもしれない——表面が平坦である必要がないということだ。

この記事はInteresting Engineeringの報道に基づいています。元の記事を読む。