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» 2022年01月20日 15時00分 公開

接着剤なしの超柔軟導電接合法を開発、柔軟なウェアラブルデバイスに期待医療機器ニュース

理化学研究所は、水蒸気プラズマを利用して、接着剤を使用せずに高分子フィルム上で成膜した金同士を電気的に接続する技術「水蒸気プラズマ接合」を開発した。同技術で接合した各基板上の金電極は、境界線が消失し、強固に直接接合する。

[MONOist]

 理化学研究所は2021年12月23日、水蒸気プラズマを利用して、接着剤を使用せずに高分子フィルム上で成膜した金同士を電気的に接続する技術「水蒸気プラズマ接合(Water Vapor Plasma-assisted Bonding:WVPAB)」を開発したと発表した。早稲田大学、東京大学との共同研究による成果だ。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」により構築した、超薄型の有機太陽電池と有機LEDの超薄型エレクトロニクスシステム 出所:理化学研究所

 研究チームは、高分子材料の1種となるパリレンを素材とした2μm厚の基板上に蒸着した金電極に対し、水蒸気プラズマを照射して大気中でプラズマ処理面同士を接触させた。これを大気中、常温常圧で放置すると、金属結合が生じることを発見。この接合方法を、水蒸気プラズマ接合と名付けた。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」を用いた薄膜金電極の接合方法[クリックで拡大] 出所:理化学研究所

 水蒸気プラズマ接合で接合した各基板上の金電極は、境界線が消失し、一部が一体化しており、強固に直接接合していることが確認できた。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」で接合した金電極の断面のSTEM画像[クリックで拡大] 出所:理化学研究所

 0.5mmの曲率半径を持つ曲面上に、従来の異方導電性テープ(ACF)と水蒸気プラズマ接合を用いて接合したところ、接合部の最小曲げ半径はACFの1mm以上だったのに対し、水蒸気プラズマ接合は0.5mm未満となった。水蒸気プラズマ接合は接着剤を使用しないため、柔軟性に富み、高い柔軟性を備えることが分かった。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」と異方導電性テープ(ACF)を用いた接合サンプルの接合部の柔軟性の比較[クリックで拡大] 出所:理化学研究所

 また、金属同士の直接接合のため、水蒸気プラズマ接合による接合部の抵抗は0.07Ωと極めて低い。機械的耐久性に優れ、1万回の曲げでも電気抵抗の変化は1%未満だった。熱安定性も高く、100℃で500時間加熱しても劣化せず、むしろ金属結合が促進することで電気抵抗が8%改善した。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」の機械的耐久性と熱安定性 出所:理化学研究所

 超薄型のフレキシブルエレクトロニクスの集積化デバイスへの応用を実証するため、異なる薄膜基板上に作製した有機太陽電池と有機発光ダイオード(有機LED)を、水蒸気プラズマ接合により超薄型配線フィルムを介して相互接続した。太陽電池に光照射すると発電し、その電力で有機発光ダイオードが発光することを確認した。

キャプション 「水蒸気プラズマ接合」を用いた超薄型フレキシブルエレクトロニクスシステム 出所:理化学研究所

 近年、皮膚や洋服に貼り付けて使用する次世代ウェアラブルデバイスの研究開発が進み、医療分野でも遠隔生体モニタリングなどで応用が期待されている。今回の成果により、次世代のウェアラブルデバイスにおける配線技術、フレキシブルな接合の実装への貢献が期待される。

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