インクジェット印刷の応用価値は高い

近年は、回路の印刷にインクジェット印刷を活用する試みも増えてきている。有機エレクトロニクスで素子形成するうえで多くのメリットがあるからだ。

インクジェット印刷ならば、様々な基板の上に多様な材料を1滴ずつ選択的に堆積させることができる。そのため、様々な素子の形成に応用可能であり、複雑な構造の素子を作るのに向いているのだ。さらに、装置が比較的小型であり、インクの消費量と廃棄材料が最小限で済む。また、回路パターンの設計ツールに直結させて、ユーザーニーズに合わせて素子を簡単に作り分けることも可能だ。こうしたことから、大量印刷に対応したインクジェットプリンタも出てきている^＊4。

シート上の基板だけではなく、曲面形状のモノの上に、素子を形成するためのインクジェットプリンタも登場している。有機エレクトロニクスの研究に積極的な山形大学では、ダイヘンと共同で、6軸多関節ロボットアームの先端に、導電性インクを吐出するインクジェット装置を取り付けたロボットアーム型インクジェット印刷用装置を開発した^＊5。この装置では、ワイングラスの外側に、曲面に沿って回路を形成できる。

素子形成への応用にはさらなる進化が必要か

有機エレクトロニクスを応用した、受動部品や能動部品の電極と配線を形成する試みが活発になっている。この時重要になるのが、パターンの厚みや形状の精度を高めることだ。

受動部品の生産では、素子特性に直結する配線や回路パターンの厚みを高精度で制御するため、一定以上の厚みが必要になる。ところが、銀インクで描いたパターンの厚さは最大でも2μmに過ぎず、受動部品の形成に必要な厚さが得られない。そこで、重ね塗りや、数百μm厚の配線が形成できる銀ペーストの利用といった試みが行われているが、ここには何らかのブレークスルーが必要だ。

一方、能動素子の配線や電極として利用するには、パターンの微細化が欠かせない。導電性インクとインクジェット印刷との組み合わせでは、50μmよりも微細なパターンの形成が困難だった。液滴が基材の上で薄く広がりやすいからだ。しかも厚みが均一になりにくい。インクジェット印刷装置の位置精度も50μm前後と高くない。これを解決する手段として、印刷面全体を撥液性にしておき、パターンを形成する部分だけをUV照射によって親液性にしておく方法が提案されている。これによって、10μm幅のパターン形成も可能になった。

有機素子とシリコン半導体の併用

生産技術の確立では、もうひとつ重要なポイントがある。有機エレクトロニクスで作った素子は、ほとんどの場合、シリコンベースで作った従来素子と併用することになることだ。これは、GHzオーダーで高速動作する素子や何百万個もの素子を組み合わせた複雑な電子回路は、有機エレクトロニクスでは当面作れそうにないからだ。

ただし、有機素子とシリコン半導体を組み合わせて利用することを想定した技術開発は始まっている。例えば、シリコンウエハーの切断や研磨技術を保有しているディスコは、曲げても折れにくい極薄シリコンチップの生産技術を開発した（図7）。

[図7] ディスコの技術により極薄化した、シリコン半導体チップを曲げている様子
写真：2017年4月11日、12日に開催された「2017FLEX Japan」のディスコのブースで撮影

近年、チップを薄膜化し複数枚重ねて集積度や性能を向上する、３次元積層技術が進歩しており、薄膜化自体は容易になった。ただし、単純に薄くするだけでは機械的な負荷に耐えることができない。研磨で薄くする時の削り跡が残り、曲げた時に応力が集中して折れてしまうからだ。板チョコが、溝に沿ってきれいに割れるのと同じ原理である。ディスコが開発したチップの薄膜化技術では、プラズマ処理によって研磨面のダメージを除去し、応力の集中を抑えている。既にチップを30μmまで薄くして、その状態で折り畳んだ後の厚さを１mm以下にしても折れない技術を確立している。

連載第3回では、有機エレクトロニクスを使って、シリコン半導体では実現できないどのような機器や部品を作ろうとしているのか、そしてそれによって私たちの生活にどのようなインパクトを及ぼすのか解説する。