世界最高性能の伸縮性導体を実現

ポイント

• 印刷できる伸縮性の配線で、元の長さの５倍の長さに伸ばしても世界最高の導電率（９３５ Ｓ／ｃｍ（ジーメンス毎センチメートル））を達成した。
• 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に発生する現象を発見し、新素材が実現された。
• 伸縮性の配線を活用して圧力や温度のセンサーがテキスタイルの上に簡単に形成できるようになり、スポーツウェアやロボットへの応用が今後期待される。

＜研究の内容＞

近年、さまざまなウェアラブルデバイスが実用化され、普及が着実に進んでいることを背景に、伸縮性のある配線やセンサーが注目を集めています。例えば、心電図や心拍数などの生体信号を着るだけで簡単に計測して、リアルタイムにモニタリングできるテキスタイル型のウェアラブルエレクトロニクスが実用化され、スポーツ計測や工事現場での健康管理に利用されています。また、ロボットの活用は、介護や店頭での販売サービスなど工場以外でも必要とされています。これらの用途では、関節のように大きく伸縮しても壊れずに電気的な性能を維持できる電子部品が必要です。

本研究グループは、２０１５年に２００％（元の長さの３倍）伸ばしても電気を流す、印刷可能な伸縮性導体を作製し、テキスタイル上に塗るだけでセンサーを作製できる技術を開発しました。しかし、センサーの高精度化や低消費電力化を進めるためには、高い伸縮性を維持したままで、さらに導電性を向上する技術の開発が急務の課題となっていました。 本研究グループは、世界最高性能となる従来比約６倍の導電率と従来比約２倍の伸張性を同時に達成する伸縮性導体の開発に成功しました。新しい伸縮性導体のペーストは、マイクロメートル寸法の銀フレーク粉とフッ素ゴム（ＤＡＩ－ＥＬ、ダイキン工業株式会社）とフッ素界面活性剤を混ぜるだけで作製されます。このペーストをステンシルマスク印刷やスクリーン印刷^注４）のような印刷技術でゴムやテキスタイルにさまざまな形の配線パターンを簡単に形成することができます。

伸縮性導体は、伸長前の状態で４，９７２ Ｓ／ｃｍという非常に高い導電率を示します。この材料は２００％（元の長さの３倍）まで伸ばしても、１，０７０ Ｓ／ｃｍという高い導電率を維持することが示されました。この値は、２０１５年に報告された従来型の伸縮性導体の導電率（１９２ Ｓ／ｃｍ）と比べて約６倍に改善されています。さらに４００％（元の長さの５倍）まで伸ばしても、９３５ Ｓ／ｃｍという高導電率が得られました（図１）。２００％伸張した際の１，０７０ Ｓ／ｃｍという導電率と、４００％伸張した際の９３５ Ｓ／ｃｍという導電率は、印刷で作る伸縮性導体としていずれも世界最高値です。

新素材の構造を高解像度の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて観察したところ（図２）、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１／１，０００の大きさの銀のナノ粒子がフッ素ゴム中で合成される現象を発見しました（図３）。また、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などによって制御できることも示されました。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に凝集してしまい、これまでゴムの中に均一に混ぜることができませんでした。本研究では、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て、従来の問題を解決することができました。さらに、銀フレークは、銀ナノ粒子と比較して、材料コストも約１／９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ました。

本研究グループは、新たに開発した伸縮性導体ペーストによる伸縮性配線を活用して、圧力と温度のセンサーをテキスタイルの上に作製しました（図４）。まず、センサーは伸縮性の高いポリウレタン基材上に全て印刷プロセスで作製されます。このシート状のセンサーはテキスタイル用のホットメルト^注５）を用いてテキスタイル基材上に転写されます。伸縮性のセンサーがテキスタイル上に簡単に作製できるので、人間やロボットの表面の情報を正確に読み取ることができるようになりました。そのため、動画からはわからない職人の動きを正確に読み取ったり（図５）、ロボットの表面に人間のような皮膚機能を持たせたりすることができるようになりました。

本研究成果は、東京大学 大学院工学系研究科、科学技術振興機構、理化学研究所 創発物性科学研究センター、理化学研究所 染谷薄膜素子研究室の共同研究によるものです。本研究に用いたフッ素ゴム（ＤＡＩ－ＥＬ）はダイキン工業株式会社より提供されました。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 導電率

材料の電気の流しやすさを示す指標。

注２） 伸縮性導体

ゴムのように伸び縮みしても電気を流すことができる物質のこと。

注３） ウェアラブルデバイス

身体に装着して使用する電子機器のこと。腕時計型や眼鏡型のウェアラブルデバイスは実用化されており、スマートフォンなどとの連携でメールやインターネットの情報にアクセスしやすくなる。さらに近年、衣服型の開発が進んでおり、着るだけで装着者の生体情報を正確にモニタリングできるため、介護・スポーツなどへの応用が期待されている。

注４） ステンシルマスク印刷、スクリーン印刷

印刷したい対象に印刷したい形状に孔の開いたマスクを合わせ、上から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のこと。インクジェット印刷などと比べ、高いスループットで印刷対象を選ばず印刷できることに特徴を持つ。ステンシルマスク印刷で用いるマスクの孔部は完全に開口しているが、スクリーン印刷では、高分子や金属でできた細かいメッシュ（スクリーン）でおおわれている。

注５） ホットメルト

熱をかけて融かして接着させる接着剤のこと。テキスタイル同士の接着や、Ｔシャツの模様の形成などに広く用いられている。

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