Name: 導電性インクの平面および三次元印刷 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-12-09T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: 学ぶ導電性マイクロ電極の平面・三次元印刷技術。銀ナノ粒子インクを用いた直接書き込みアセンブリ法で、電子デバイスや生物医学応用の複雑構造を高速製造する手法を解説します。

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この材料は、米国エネルギー省、材料科学とエンジニアリング部門（受賞番号DEFG - 02 - 07ER46471）とライト材料DOEエネルギー研究センターエネルギー変換の相互作用（によってサポートされている仕事に基づいています。賞第DE - SC0001293 ）、およびフレデリックサイツ材料研究所（FSMRL）内の材料の微量分析のためのセンターへのアクセスから恩恵。

1。はじめ<ol><li>本論文では、1D、2D、および直接書き込みアセンブリを介して導電性微小電極の3Dプリントを示しています。 </li><li>直接書き込みアセンブリは、微細なノズルを介して濃縮されたインキの堆積により、1Dから3Dプリント構造を構築する方法です。 </li><li>私たちのシステムはコンピュータ制御の3軸移動ステージ、インクタンクとノズル、およびイメージングのための10倍望遠レンズ（図1）で構成されています。 </li><li>直接書き込みアセンブリは、濃縮されたインクは、その直径0.1〜250μmである（図2）の範囲の円筒形のノズルを通して押出されたフィラメント状の印刷のアプローチです。特に、粘弾性のインクの特性により、直接書き込みアセンブリは、自己支持スパニング機能（図3）を可能にします。日付、セラミック6,7で構成されるものを含むインクの広い範囲、、有機8-10、メタリック11-15、高分子16,17、およびゾル-ゲル18,19の材料にされているこの印刷手法（図4）のために開発。 </li></ol> 2。高濃度の銀ナノ粒子インクの調製<ol><li>銀ナノ粒子インクは、最初の50 gの水と40グラムジエタノールアミン（ビデオ2.1）の混合物にポリ5,000〜50,000の分子量（アクリル酸）のブレンドを溶解することにより調製されています。 </li><li>ポリマーは、銀ナノ粒子のサイズを制御するためのキャッピング剤として作用する。 </li><li>次に、硝酸銀の水溶液は、ポリマー溶液に注入されます。添加後、淡黄色透明溶液（ビデオ2.2）得られる。 </li><li>室温で24時間攪拌した後、解決策は、透過型電子顕微鏡によって決定される5nm以下の直径の銀ナノ粒子の形成と一致する赤褐色の色を（ビデオ2.3）、開発しています。 </li><li>次に、溶液を65℃でさらに粒子成長（ビデオ2.4）のための2時間、水浴中で超音波処理しています。 </li><li> AfteR超音波処理、解決策を500mlビーカーに移し、室温に冷却される。その後、エタノール300mlを30ml /分の速度で滴定する。エタノールは、ポリ（アクリル酸）キャッピング剤の貧溶媒であるので、粒子が急速に凝固し、解決策（ビデオ2.5）から沈殿。 </li><li>上清をデカントした後、沈殿物を遠心チューブに回収され、20分（ビデオ2.6）9000 rpmで遠心分離。 </li><li>このステップの後、〜85重量％の固形物負荷で高濃度の銀ナノ粒子インクは（ビデオ2.7）得られる。 </li><li>インクの粘度と弾性率をさらにコントロールは、均質化に続いて、希釈することによって達成することができます。例えば、エチレングリコールなどの湿潤剤溶液は、インクに追加することができますし、シンキー均質化のミキサーを使用して3分間2000rpmでホモジナイズした。このプロセスの後に、マゼンタの色〜青系の均一なインクは、（ビデオ2.8）得られる。 </li><li> TEM像を示しています銀は、この合成手順（図5_left）によって得られたナノ粒子。粒子は50〜50 nmの粒径分布を持つ20nmの平均直径を有する。印刷された構造は、その導電性を高めるためにポストアニールが必要です。未満で30分間250℃でアニーリングした後、銀ナノ粒子は、電気抵抗率が10 -5Ω•CM（図5_bottomの右側）に近づくと導電性微小電極を形成する。アニーリング温度の関数として印刷された銀の微小電極の微細構造発達を図5_topの右側に表示されます。温度は150℃から550℃に増加すると、微小電極は、〜30％の総体積収縮で高密度化を受ける。11 </li><li>強く固形負荷に依存するインクのレオロジーは、、その印刷適性を決定する。増加する固形のロードとインクの粘度が増加する（図6）。ための重要な側面の拡散、concentrで低粘度の結果との希薄なインク70〜85重量％の範囲の固体のロードとatedインクは、平面とスパニングインキフィラメントの印刷に必要とされています。 </li><li>増加する固形のロードとインク弾性率が増加する（図7）。線形粘弾性領域で、弾性率は60〜75重量％を増加させる固体ロードとして大きさのほぼ3桁の上昇。 Paの2000年の最小弾性係数は、機能を自立またはスパニング生成するために必要です。 </li></ol> 3。直接書き込みアセンブリ<ol><li>直接書き込みアセンブリは、最初にシリンジバレルにインクをロードすることにより行われる。堆積ノズルを取り付けた後、インクロードされたシリンジバレルは、3軸の印刷段階（ビデオ3.1）の上にマウントされています。 </li><li>コンピュータプログラムを使用して、、線形平面、および複雑な三次元構造を含む任意のデザインを、簡単に（ビデオ3.2）が生成することができます。 </li><li>次に、ノズルの高さは10倍ズーム（ビデオ3.3）と望遠鏡のレンズの助けを借りて調整されます。 エアー駆動液体ディスペンシングシステムを用いて圧力を適用した後、インクが制御された印刷速度（ビデオ3.4）で基板上に堆積される。必要な圧力は、インクのレオロジー、ノズルの直径、および印刷速度が、20から500ミクロン/ sで10から100 psiから典型的な値の範囲に依存この印刷は、室温で空気中で行われます。この印刷手順を使用して、別のレイアウトやサイズのスケールにおける銀の微小電極の印刷が示されている。 </li><li>例えば、シリコンウエハー基板上に5μmのノズルによってパターン化さ100μmの中心間の行間隔を持つ導電性銀格子、の印刷は（ビデオ3.5）が示されている。 </li><li>さらに、このビデオでは、層ごとの印刷方法（ビデオ3.6）を用いて30μmのノズルによる高アスペクト比円筒形の構造を作成する方法を示します。 </li><li>さらに、2枚のガラス基板の間に銀の微小電極の全方位印刷は、1 mmの高さがディで相殺fferenceは30μmのノズルを（ビデオ3.7）を使用して示されています。 </li><li>完全にフリースタンディング、垂直に印刷された銀のmicrospikesは、Siウェハ基板（ビデオ3.8）に30μmのノズルで作成することができます。 </li><li>最後に、このビデオは10μmのノズルを（ビデオ3.9）を使用してスパニング銀の微小電極の直接の書き込みを示しています。印刷機能は、最小限の垂下や座屈と1センチメートルの距離をまたがることができます。 </li></ol> 4。代表的な結果： 我々は、高濃度の銀ナノ粒子インクを用意し、〜2の印刷解像度で、電子と光電子アプリケーションのために平面と3Dモチーフに印刷された導電性の機能を実証 - 30μmの。例えば、図8は展示この手法の印刷解像度を。 〜2μmの（1.4μm厚）の最小電極幅と印刷機能は、1μmのノズル11を使用して単一のパスで得られる。 図9に示すの透明導電性銀グリッド、柔軟性のあるポリイミド膜12上に5μmのノズルによってパターン化された。印刷されたグリッドの下にテキストがはっきりとわかります。これらの透明な銀のグリッドは、透明導電酸化物（TCO）の材料のための魅力的な選択肢かもしれない。 非平面基板上への等角印刷もこの方法で有効になっています。図10は、3次元電気的に小さなアンテナのコンフォーマル印刷を示しています。 100μmの金属のノズルはガラスの半球13の表面上に蛇行ラインパターンを印刷するために使用されます。このアプローチは、植込み型ウェアラブルアンテナ、電子機器、センサーなどいくつかのアプリケーションを見つけることができます。 三次元太陽光発電や発光ダイオードに銀電極をまたがるのアプリケーションは、（図11-14）が実証されています。 最初に、図11は、シリコン球殻の例です。 2 -μmのtで、この微妙な映画hicknessは、全方位印刷14による外部回路にワイヤボンディングすることができます。このメソッドは、デリケートなデバイスに非常に有利な最小限の接触圧を、使用しています。 次に、図12は、シリコンmicroribbonの要素が33μmのギャップ15によって分離されているシリコン太陽電池マイクロセルアレイのスパニングインターコネクトを出力する例を示しています。 銀は、ガリウム砒素ベースの各ピクセル（500 × 500 × 2.5μmの3）を離れて11200μmを間隔をあけている。4 × 4ピクセル、LEDアレイの相互接続次に、図13に示すよう下の画像は、単一のピクセルから6 Vの印加されたバイアス下で均一な赤色光を発光する、LEDアレイが表示されます。スパニング電極を印刷する機能は、支持または犠牲層（トップ画像）を使用せずに多層配線を可能にします。 複雑な3DのマイクのためのSEM画像を最終的なデモンストレーション、図14に示すように5μmのノズルで印刷roperiodic銀格子。 <img alt="光学顕微鏡セットアップ、3軸モーションステージ、精密材料分析のための空気供給。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図1"> 図1。ダイレクトインクジェット描画装置の光学像。 <img alt="3Dプリントプロセス図。層状製造解析のためのノズル押出フィラメント" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図2"> 図2。フィラメント機能の直接インク描画。 <img alt="ノズル、スパン機能、空気、インクを備えた 3D プリント プロセス図で、積層造形を示します。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図3"> 図3。自立スパニング機能の直接インク描画。 <img alt="セラミック、有機、金属、ポリマー、ゾルゲルインク。特徴サイズの比較。顕微鏡、3Dプリンティング。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図4"> 図4直接インク描画用インクの設計。濃縮された粘弾性インクの広い範囲は、マイクロスケールの機能を有する平面と複雑な3次元構造の直接描画のために開発されている。 <img alt="ナノ粒子微細構造TEM,アニーリング衝撃グラフ,抵抗率対時間,熱解析" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図5"> 図5（左）銀ナノ粒子の透過型電子顕微鏡（TEM）像。 （右上）アニーリング温度の関数として、15μmのノズルでパターン化銀微小電極のSEM写真。 （右下）の温度と時間をアニーリングの関数として銀微小電極の電気抵抗率。 <img alt="3Dプリンティングパラメータと横方向の広がりを示すインク粘度と銀含有量のグラフ。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図6"> 図6。固形物負荷の関数としての銀ナノ粒子インクの見かけ粘度（η）。 <img alt="弾性率対せん断応力グラフ。材料重量%分析;レオロジー特性研究。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図7"> 図7。固形物の荷重を変化させるの銀ナノ粒子インクのためのせん断応力の関数としてせん断弾性率（G'）。 <img alt="ナノスケールの回折格子パターンのSEM画像。表面形態、材料分析、50μmスケールバー。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図8"> 図8。パターン化銀微小電極の平面アレイのSEM写真1 -μmのノズル付きのSiウェハ上に。 <img alt="フレキシブル電子回路、顕微鏡画像、微細構造を示すグリッドスケール、3mmおよび400μmスケール。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図9"> 図9。透明導電性銀グリッド（左）とラインのピッチ（右）の関数として印刷された格子のSEM像の光学像。 <img alt="3Dプリンティングプロセス;印刷された銀色の蛇行線を備えたノズルの図。導電性インクの堆積。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図10"> 図10。半球ガラス基板上に電気的に小さなアンテナのコンフォーマル印刷中に取り込まれた光学像。 <img alt="ナノファブリケーションセットアップのノズルを備えたスパンAg微小電極。顕微鏡画像;スケール100μm。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図11"> 図11。細い（2 -μm）のシリコン球状の殻の上にまたがる銀微小電極の印刷中に得られた光学像。 <img alt="スパンAg微小電極、スケール25μmのSi太陽電池マイクロセルのSEM図。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図12"> 図12ように、シリコンの上に印刷されたスパニング銀の微小電極のSEM像LARマイクロセル配列。 <img alt="マイクロLED発光、銀微小電極相互接続。光励起、顕微鏡画像。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図13"> 図13。SEM像（上）と銀微小電極によって相互接続された4 × 4のLEDチップの配列の光学像（下）。 <img alt="3Dプリントされたマイクロ格子構造のSEM顕微鏡写真。拡大された挿入図は、詳細な繊維配置を示しています。" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="図14"> 図14 3D microperiodic銀の格子のSEM像。

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</ol>

利害の衝突は宣言されません。

このようなインクジェット印刷など、従来の液滴ベースの印刷のアプローチは、、希薄自然と使用するインクの低粘度のための低アスペクト比を持つ平面電極の製造に限定されています。最近、ディップペンナノリソグラフィー（DPN）20から22と、電子インクジェット23〜25は、パターンの導電機能するために使用されている。これらのルートはまた、希釈、低粘度のインクを採用。 Peartonと共同研究者は約0.5μm22の最大1600μmのs -1とし、線幅の書き込み速度で、市販の銀ナノ粒子インクを堆積させるためにDPNを使用。しかし、広い地域にわたって再現可能なパターンの製作は、このアプローチによって実証されていない。銀ナノ粒子インクも〜1.5μmの25の線幅を有する導電トレースを形成するための電子インクジェット印刷によって堆積されている。しかし、インクジェット印刷と同様に、不均一な印刷機能には、衛星滴形成と不均一なドロップDが原因で起こることが24,25を rying。 上記で示したように、濃縮された銀ナノ粒子インクの直接書き込みアセンブリは、フィラメントベースの印刷のアプローチを通じて、これらの限界を克服しています。この手法は、1D、2D、および3Dアーキテクチャの作成を可能に通過する、単一で高アスペクト比（H / W≈1.0）と導電性微小電極の製造を可能にします。印刷機能の大きさは、ノズルの直径、インクの固形分のロード、加圧力、および印刷速度に依存します。日付、小さいなどの導電トレースに〜2μmのは控えめな速度（&lt;2ミリメートルの-1）で1μmのノズルを使用してパターニングされているとして。インク組成物とノズルの形状を調整しては10cm s -1を超える最大印刷速度が可能です。しかし、微細なノズル（&lt;5μm）を用いての高速印刷が重要な課題である。 直接書き込みアセンブリのアプリケーションを実証するために、我々は導電性グリッド、ELを作製ectrically小型アンテナ、太陽電池、そして平面とスパニング印刷電極（図8-14）と発光ダイオード。特に、我々のアプローチは、金属構造物の作成に限定されるものではありません。このような絹フィブロイン、ハイドロゲルと逃亡中の有機インクに基づくものなど、他のインクの設計、使用して、我々は、直接書き込みアセンブリ26から30を経由して組織工学と細胞培養のための3Dスキャフォールドおよび微小血管ネットワークを構築した。 未来に向かって、多くの機会と課題があります。さらなる進歩は、新しいインクの設計、インクの流動ダイナミクスの優れたモデリング、および強化されたロボットと制御システムが必要です。高いスループットとナノスケールの分解能で3次元構造への1Dの大面積作製（&lt;100 nm）は重要な課題である。

<table border="1"><tr><td> 試薬の名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td>ポリ（アクリル酸） </td><td> Polysciences、（株） </td><td> 06519 </td><td> MW 5000グラム/モル</td></tr><tr><td>ポリ（アクリル酸） </td><td> Polysciences、（株） </td><td> 00627 </td><td> MW5万グラム/モル</td></tr><tr><td>硝酸銀</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 209139 </td><td>シルバー源</td></tr><tr><td>ジエタノールアミン</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> D8885 </td><td>溶剤/還元剤</td></tr><tr><td>エチレングリコール</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 102466 </td><td>保湿剤</td></tr><tr><td> Sonicater </td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td>遠心</td><td>ベックマンコールター</td><td>アヴァンティTM J - 25 I </td><td> - </td></tr><tr><td>ロボットステージ</td><td>エアロテック（株） </td><td> ABL 900010 </td><td> 3軸のモーション</td></tr><tr><td>注射筒</td><td> EFD社</td><td> 5109LBP - B </td><td> 3ミリリットル</td></tr><tr><td>ノズル</td><td> EFD社</td><td> - </td><td> ID = 0.1〜250μmの</td></tr><tr><td>ディスペンサー</td><td> EFD社</td><td> 800 </td><td>エア駆動</td></tr><tr><td>デザインソフトウェア</td><td>カスタム設計</td><td> - </td><td> Mingjie徐</td></tr></table>

導電性インクの平面および三次元印刷

Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

プリンテッドエレクトロニクスは1-3柔軟なまたは多次元電子、光、および生物医学的装置を作成するために、低コスト、大面積の製造ルートに依存しています。本稿では、一（1D）、2（2D）、および伸縮柔軟性の形で導電性金属インク、およびスパニング微小電極の三次元（3D）印刷に焦点を当てる。 ダイレクトライトアセンブリ4,5は、微細なノズル（ - 250μm以下〜0.1）によって濃縮されたインキの堆積によって、単純な線から複雑な構造に至るまでの機能の製造を可能にする1対の3Dプリント技術です。この印刷方式は、コンピュータ制御の3軸移動ステージ、インクタンクとノズル、および視覚化のための10倍の望遠レンズで構成されています。インクジェット印刷とは異なり、液滴ベースのプロセスは、直接書き込みアセンブリのいずれか、または面外インキフィラメントの押出しを含む。印刷されたフィラメントは、通常、ノズルサイズに準拠しています。 Henceは、マイクロスケールの特徴（&lt;1μm）の大きな配列や多次元のアーキテクチャにパターニングし、組み立てることができる。 本稿では、まず直接書き込みアセンブリを経由して平面と3Dプリントのために高濃度の銀ナノ粒子インクを合成する。次に、多次元モチーフに微小電極を印刷するための標準プロトコルが示されています。最後に、電気的に小型のアンテナ、太陽電池、発光ダイオードのための印刷された微小電極のアプリケーションが強調表示されます。

導電性金属インクの平面と立体印刷が説明されています。我々のアプローチは、マイクロスケールでの異常なレイアウトで印刷された電子、光、および生物医学的装置を製造するための新たな道を提供します。

プリンテッドエレクトロニクスは、フレキシブルまたは多次元的な電子、光電子、およびバイオメディカルデバイスを構築するために、低コストで大面積の作製手法に依存しています。

本実験の目的は、ダイレクト書き込み（direct write）アセンブリによる導電性マイクロ電極の平面および三次元プリントを実証することです。ダイレクト書き込みアセンブリは、コンピュータ制御の三軸移動ステージ、インク、ノズル、および空気供給源で構成される堆積技術です。このプリント手法では、インクの粘弾性的特性により、直径0.1から250ミクロンの微細な円筒形ノズルを通じて高濃度インクが押し出されます。ダイレクトライトアセンブリ（Direct right assembly）により、自立したスパンニング構造の形成が可能になります。これまで、セラミックス、有機金属ポリマー、ゾルゲル材料などで構成される広範なインクが、このプリンティング手法のために開発されてきました。この手法の主な利点は、複雑なリリース構造をダイレクトにワイドアセンブリできることであり、既存の手法よりも高速である点にあります。本手法は、電子デバイスや光電子アプリケーション向けの導電性インクに関する知見を提供するだけでなく、バイオメディカルスキャフォールドやセンサーに使用可能な他の材料システムにも適用可能です。この手順を視覚的に確認することは極めて重要です。なぜなら、インクの放射線学的特性と印刷の専門知識が、印刷された構造体の品質に強く影響するためです。この手順の実演は、博士研究員のbhanと、私の研究室の博士課程学生であるAnnalisa Russoによって行われました。銀ナノ粒子インクは、まず分子量 5,000 および 50,000 のアクリル酸のブレンドを、水とジエタノールアミンの混合液に溶解させて調製します。このポリマーは、銀ナノ粒子のサイズを制御するためのキャッピング剤として機能します。次に、ポリマー溶液に硝酸銀水溶液を注入します。混合液は透明な薄黄色になります。そのまま室温で24時間攪拌を続けてください。攪拌後、溶液は赤褐色に変化します。これは直径5 nmの銀ナノ粒子の形成によるものであり、粒子のさらなる成長についてはTEMを用いて確認することができます。溶液を65 °Cの水浴中で2時間超音波処理します。超音波処理後、溶液を500 mLのビーカーに移して室温まで冷却し、冷却後、300 mLのエタノールを溶液に滴定します。エタノールはキャッピング剤に対する溶解度が低いため、粒子が急速に凝集・沈殿します。ここで上澄み液をデカンテーションで除き、沈殿物を遠心管に回収します。沈殿物を9,000 RPMで20分間遠心分離します。その結果、重量比で約85%の固形分を含む高濃度の銀ナノ粒子インクが得られます。インクの粘度および弾性率をさらに制御するには、エチレングリコールなどの保湿剤溶液でインクを希釈し、シンキーホモジナイザーを用いて2000 RPMで3分間均質化してください。この希釈および均質化プロセスにより、均一な青色からマゼンタ色のインクが作製されます。TEM画像は、この合成手順によって得られた銀ナノ粒子を示しています。粒子の平均粒径は20 nanometersで、粒径分布は5から15 nanometersです。プリントされた構造体の導電性を高めるには、焼結処理が必要です。250 °Cで30分未満のアニーリングを行うことで、銀ナノ粒子は10⁻⁵ Ω·cmに近い電気抵抗率を持つ導電性マイクロ電極を形成します。印刷された銀マイクロ電極の温度関数としての微細構造の進化をSEMで測定します。温度が150 °Cから550 °Cに上昇するにつれて、マイクロ電極は緻密化し、全体積で約30%の収縮が起こります。インクの特性（inkology）は、その固形分含有量に強く依存し、それが印刷適性を決定します。固形分濃度が高くなるにつれてインクの粘度は上昇します。これは、低粘度で希釈すると、濃縮されたインクが著しく側方向に広がってしまうためです。平面的なインクフィラメントおよび架橋するインクフィラメントをプリントするには、重量パーセントで70から85の範囲の固形分濃度が必要です。線形粘弾性領域において、インクの弾性率（弾性係数）は固形分濃度の増加に伴い上昇します。弾性係数はほぼ3桁上昇します。これは、固形分充填率が60重量%から75重量%に増加するためです。自立構造またはブリッジ構造を形成するには、最小2000 pascalsの弾性係数が必要です。ダイレクトライティングアセンブリを開始するには、インクをシリンジバレルに充填します。堆積ノズルを取り付けた後、インクを充填したシリンジバレルを3軸印刷ステージに装着します。コンピュータプログラムを使用して、直線的な平面構造または複雑な3次元構造など、目的のデザインを作成します。次に、10倍ズームの望遠レンズを用いてノズルの高さを調整します。エア駆動式流体吐出システムで圧力をかけた後、制御された印刷速度と圧力を用いて、室温で基板上にインクを塗布します。これらの変数は、インク、レオロジー、ノズル径、および印刷速度によって異なります。5 µmのノズルを使用することで、シリコンウェハ基板上に中心間距離100 µmの導電性銀グリッドをプリントできます。30 µmのノズルを用いて積層プリントを行うことで、高アスペクト比の円筒構造を作製することが可能です。また、30 µmのノズルを使用すれば、2枚のガラス基板間に銀マイクロ電極を全方向的にプリントできます。ガラス基板を1mmオフセットさせることで、シリコンウェハー基板上に30µmのノズルを用いて完全な自立型垂直プリント銀マイクロスパイクを作成できます。また、10µmのノズルを使用して、架橋した銀マイクロ電極を直接描画することも可能です。プリントされた構造体は、垂れ下がりや座屈を最小限に抑えつつ、最大1cmまでの距離にわたって架橋させることができます。電子および光電子デバイスへの応用のため、高濃度の銀ナノ粒子インクを用いて、平面および3Dモチーフの導電パターンをプリントしました。プリント解像度は2～30µmの間でした。1µmノズルおよび5µmノズルパターンを使用し、シングルパスで、電極幅は約2µm、厚さは1.4µmの最小値を得ることができました。柔軟なポリアミドフィルム上の透明導電性銀グリッド。グリッドの下の文字ははっきりと視認できたままとなっている。これらの金属グリッドは、透明導電性酸化物材料に代わる高導電性の代替手段として利用できる可能性がある。100 µmの金属ノズルメアンダーを用いることで、3D電気的小型アンテナのコンフォーマルプリントが可能となりました。ラインパターンはガラス半球の表面にプリントされました。この手法は、インプランタブルおよびウェアラブルアンテナ、電子デバイス、センサなどのさまざまな用途に利用できる可能性があり、また、3次元フォトボルタイク（太陽光発電）および発光ダイオードにおける銀マイクロ電極の展開への応用も可能です。厚さ2 µmの希薄な球状シリコンシェルに対し、全方向印刷を用いて外部回路のワイヤボンディングを行いました。この手法は接点圧力が極めて低いため、繊細なデバイスにとって非常に有利です。また、シリコンマイクロリボン素子が33 µmの間隔で配置されたシリコン太陽電池マイクロセルアレイ用のスパンニング相互接続も印刷しました。4x4ピクセルのガリウム砒素ベースLEDアレイ用の銀相互接続がプリントされました。このLEDアレイは、単一ピクセルに6Vのバイアスを印加することで、均一な赤色光を放ちました。スパン電極をプリントできる能力により、支持層や犠牲層を使用せずに多層相互接続が可能となりました。最終的なデモンストレーションとして、5 µmのノズルを用い、レイヤーバイレイヤーのプリントシーケンスによって、複雑な3Dマイクロ周期銀格子をプリントします。この手法を習得すれば、適切に実施することで数時間で完了させることができます。本手順を用いて、1Dから3D構造のインク合成プリント、および電子デバイスや光電子デバイス向けのプリント電極を含むアプリケーションの実証を行いました。当研究室では現在、生体適合性インクを用いて、この手法を生体医学的アプリケーションへ拡張することに注力しています。組織工学および細胞培養のための3次元スキャフォールドや微小血管ネットワークのプリントを行っています。このビデオをご覧いただくことで、当社のダイレクトライトアセンブリ技術への理解を深めていただければ幸いです。

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生体工学）

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導電性インクの平面および三次元印刷

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