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5倍伸ばしても世界最高の導電率、印刷できる導体

スマートジャパン 5/17(水) 7:10配信

ロボットに人間のような皮膚機能を

 職人の動きを正確に読み取ったり、ロボットに人間のような皮膚機能を持たせたりすることが可能になる――。東京大学と理化学研究所の研究グループは2017年5月16日、科学技術振興機構(JST)の戦略的創造研究推進事業において、元の5倍の長さに伸ばしても「世界最高」の導電率を示す伸縮性導体の開発に成功したと発表した。

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 ゴムにマイクロメートル寸法の銀フレークを混ぜるだけで、ナノメートル寸法の銀の粒子がゴムの中に均一に自然発生する現象も発見したという(詳細は後述)。

 印刷できる伸縮性導体は、高い伸縮性が要求されるスポーツウェア型のウェアラブル端末、ロボットの人工皮膚を実現する上で必要不可欠な技術である。従来は伸長させると導電率が大幅に減少するという課題があったが、発見した新しい現象により解決可能だ。今後はヘルスケアや人工触覚など、さまざまな分野に応用が期待できるとした。

いずれも「世界最高値」

 同研究グループは2015年6月に元の長さの3倍以上伸長しても電気を流す、印刷可能な伸縮性導体を作製したことを発表している。半導体プロセス技術では難しい繊維素材の上に伸縮性の配線や電極をプリントし、テキスタイル型センサーも実現した。

 しかしセンサーの高精度化や低消費電力化を図るには高い伸縮性を維持したまま、さらに導電性を向上する技術が求められていた。2015年に発表した伸縮性導体の導電率は、元の長さの3倍に伸ばした状態で192S/cm。今回発表したものは同じ条件で、1070S/cmという高い導電率を維持することが示された。約5.5倍の改善となる。

 伸長前の状態では4972S/cm、元の長さの5倍に伸ばしても935S/cmという高い導電率が得られた。いずれも印刷で作製する伸縮性導体として「世界最高値」という。

 伸縮性導体ペーストは、マイクロメートル寸法の銀フレーク粉と、フッ素ゴム、フッ素界面活性剤を混ぜるだけで作製できる。ペースト状の材料を印刷することで、ゴムやテキスタイルにさまざまな配線パターンを容易に形成可能とした*)。

*)研究グループによると、ステンシルマスク印刷やスクリーン印刷により配線パターンを形成可能。印刷したい形状に孔の開いたマスクを合わせ、粘性のあるインクをスキージで押し付けて任意の形状にインクを印刷する手法である。インクジェット印刷などと比較して、高いスループットで印刷対象を選ばずに印刷できることに特徴を持つという。

材料の大幅なコストダウンに見通し

 また新素材の構造を走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡を用いて観察したところ、ゴムにマイクロメートル寸法の銀フレークを混ぜるだけで、混ぜたフレークの約1000分の1の大きさの銀ナノ粒子が、フッ素ゴム中で合成される現象を発見したという。銀ナノ粒子のサイズや密度は、ゴムや界面活性剤の化学構造によって制御できることも示された。

 金属のナノ寸法の粒子は、表面積が大きいために粒子同士がすぐ凝集してしまい、ゴムの中に均一に混ぜることができなかった。今回の研究では、マイクロメートル寸法の銀フレークとゴムを混ぜるだけで、銀ナノ粒子が自然に形成される現象を見いだし、従来の課題を解決した。さらに銀フレークは銀ナノ粒子と比較して、材料コストの約9分の1であるため、材料の大幅なコストダウンに見通しをつけることができたとする。

 同研究グループは開発した伸縮性導体ペーストによる配線を活用して、圧力と温度のセンサーをテキスタイルの上に作製した。センサーは伸縮性の高いポリウタレン基材上に全て印刷プロセスで作製。シート状のセンサーは、テキスタイル用のホットメルト(熱をかけて融かし接着させる接着剤)を用いてテキスタイル基材上に転写される。

 これで伸縮性のセンサーがテキスタイル上に容易に作製できるため、同研究グループは「人間やロボットの表面の情報を正確に読み取れるようになる」と語る。今後は洗濯や繰り返しの使用による耐性を検証しつつ、3年後の実用化を目指すとした。

 なお今回の研究成果は、東京大学 大学院工学系研究科の松久直司氏と染谷隆夫氏、理化学研究所 創発物性科学研究センターの橋爪大輔氏、井ノ上大嗣氏らによるものである。研究に用いたフッ素ゴム「DAI-EL」は、ダイキン工業が提供した。

最終更新:5/17(水) 7:10

スマートジャパン