Direct-Write Transfer Printing of Low-Loss Copper Interconnects onto Arbitrary Substrates

見えない高速道路と粘着性の問題

あなたのスマートウォッチや身に着けている服が、世界と対話しようとしている場面を想像してみてください。そのためには、光の速さで移動するささやき声のように、目に見えない電波を送受信する必要があります。しかし、ここに落とし穴があります。これらの「ささやき」が非常に高速（5Gやその先の周波数で使用されるレベル）になると、内部の金属線が奇妙な挙動を示すのです。電気はワイヤー全体をスムーズに流れる代わりに、表面のごく薄い層へと押し込められてしまいます。これは「表皮効果（スキンエフェクト）」と呼ばれます。もしその表面がデコボコしていたり、金属が小さな穴だらけの「スポンジ状」であったりすると、信号は失われてしまいます。まるで、ささやき声がノイズにかき消されてしまうかのように。

これを解決するために、エンジニアには通常2つの選択肢がありますが、どちらにも大きな欠点があります。一つは、超高真空のチャンバー内で表面に金属をスプレーする方法です。これならば滑らかで完璧な金属を作ることができますが、例えるなら、霧吹きを使って毛羽立ったテディベアに塗装しようとするようなものです。金属はぬいぐるみの毛の奥まで届かず、また、必要な高温によって布地が溶けてしまう恐려もあります。もう一つの方法は、微細な金属粒子で作られた特殊な「インク」を用いて金属を印刷する方法です。これは布地のような柔らかい表面にも適用できますが、インクは隙間だらけの粗くデコボコした表面を残してしまい、信号を台無しにしてしまいます。科学者たちは、滑らかだが柔らかい素材に触れられない表面か、あるいは素材には適しているが信号を殺してしまう粗い表面かという、二者択一の選択に直面し続けてきました。

「粘着テープ」による解決策

この論文において、テキサス大学ダラス校、ラフバロー大学、およびFaraday Technology社の研究者であるYuxin Jiao氏らのチームは、両方の良いとこ取りをする賢明な方法を見出しました。彼らは、金属を最終的な物体（布地やプラスチックなど）の上に直接「成長させる」必要はないと気づいたのです。代わりに、金属を一時的で再利用可能な「足場」の上で成長させ、それを高機能なステッカーのように最終的な物体に貼り付けるという手法をとりました。

その手順は以下の通りです。彼らは微細なノズルを使用して、滑らかなステンレス鋼のシート上に銅を書き込みました。単にスプレーしたわけではありません。「メニスカス限定電析法（meniscus-confined electrodeposition）」と呼ばれるトリックを用いたのです。ノズルが、先端に微小で目に見えない塩水（電解液）の滴を保持している様子を想像してください。ノズルが移動するにつれ、この滴が小さな動く電池として機能し、水の中から銅を引き出し、ステンレス鋼のシート上に積み上げていきます。滴が非常に小さく制御されているため、非常に精密な線を引くことができ、継ぎ目のない完全な円や螺旋を描くために、線をループさせて重ね書きすることさえ可能です。

銅がステンレス鋼の上に構築されると、それは薄い自立型のフォイル（箔）となります。チームは粘着テープ（または特殊な布地）を取り、それを銅の上に押し付けます。テープを引き離すとき、銅はテープにくっついてステンレス鋼から綺麗に剥がれ落ち、ステンレス鋼は再び使用できる状態で残ります。つまり、彼らは完璧で滑らかなステンレス鋼の上で銅を作り、それを、熱を加えることも真空に入れることもなく、デコボコした織物や、伸縮性のあるプラスチックバンド、あるいは紙の上に転写することができるのです。

得られた成果

結果は驚くべきものでした。転写された銅は、最終的な物体に接する側が非常に滑らかであり、その粗さはわずか40〜55ナノメートル（人間の髪の毛の約1,000分の1の厚さ）でした。また、非常に密度が高く、その抵抗率（電気が流れにくさの指標）は2.3〜2.6 µΩ·cmであり、市販されている最高品質の純銅に極めて近い値を示しました。

これらの銅のラインが高周波信号（5〜30 GHz）をどの程度良好に伝達できるかをテストしたところ、標準的な印刷銅インクによるものと比較して、信号損失が1.4倍から7.1倍も低いことが分かりました。実際、彼らの銅の性能は、実体の塊としての銅（バルク銅）の性能のわずか1.2倍以内の範囲に収まっていました。また、これらの銅の薄膜は、厚さがわずか2〜4マイクロメートル（細菌数個分の幅程度）であるにもかかわらず、自立したフォイルとして扱えるほど頑丈であることも示されました。

チームはまた、ノズルの動かし方が非常に重要であることも発見しました。もし、通常の3Dプリンター用の命令（厚いプラスチックを押し出すことを前提としたもの）を使用した場合、銅が継ぎ目で引っかかったり、途切れたりしてしまいます。しかし、カスタムメイドのステップ制御システムを使用することで、ノズルがいつ一時停止し、どのくらいの速さで動くべきかを正確に指示することができ、欠陥のない閉じたループや塗りつぶされた正方形などの複雑な形状を描くことが可能になりました。

なぜこれが重要なのか

この研究は、ウェアラブルデバイスや曲げられる電子機器を作るための新しい道を提示しています。金属を「育てる」工程と「身に着ける」工程を切り離すことで、彼らは、織物のような粗く柔らかい、あるいは多孔質な素材の上に、滑らかで高速な配線を作るという問題を解決しました。この論文は、この手法がプラスチックフィルムから織物まで、さまざまな表面に対して有効であることを示しており、銅のラインは550 µmの厚さまで可能です。研究者たちは、これらの回路を完全な動作デバイスにするにはさらなる研究が必要であると述べていますが、この「転写印刷」技術が、あらゆる表面に低損失・高周波の銅接続を作り出すための実行可能な方法であることを証明しました。これは、よりスマートで柔軟な電子機器の未来への扉を開くものです。