現存するあらゆる製造および試作方法の中で、3Dプリント技術は、メディアで最も話題になり、オンライン プロジェクトで最も多く見られ、誰にとっても最もアクセスしやすい技術です。この技術は新しいように見えるかもしれませんが、3Dプリントの歴史は1980年代にまで遡ります。当時、3D Systemsという会社がステレオリソグラフィーを使用したモデルの3D構築に関する特許を申請していました。
3Dプリンターが最近になってようやく家庭で利用できるようになった理由は、こうした特許の使用により、3Dプリンターの開発、製造、流通が妨げられていたためです。これは、特許が技術の進歩を阻害する可能性があることを示す好例でもあり、特許の使用に反対する主張を裏付けています。したがって、この技術は1980年代から利用可能でしたが、それをさらに開発するまでに30年かかりました。
3Dプリントはどのように機能しますか?
ほとんどの3Dプリンターは、3Dデザインを多数の小さな水平2Dスライスに分割し、各2Dスライスを重ねて印刷することで動作します。最も一般的な3Dプリンターは、リールに巻き付けられた熱可塑性プラスチックを使用し、それを熱いノズルから押し出します。一部の3Dプリンターでは、紙から各層を切り取って次の層に接着することで、紙を使用してこのようなモデルを作成できます。また、より特殊なシステムでは、金属粉のレーザー焼結を使用できます。
3Dプリントエレクトロニクスとは何ですか?
3Dプリント エレクトロニクスは、プリンターによる付加プロセスを使用して製造される電子部品です 。しかし、「3Dプリント エレクトロニクス」という用語は誤解されやすく、2Dプリント エレクトロニクスは3Dプリントではないと考える人もいます。
実のところ、ほとんど (すべてではないにしても) の2Dプリント エレクトロニクスは3Dであり、複数の層を重ね合わせる必要があるということになります。同じことが半導体上の トランジスタ にも当てはまります。トランジスタは2Dと考えられていますが、実際には、ゲート、ソース、絶縁層などの構築に加算プロセスと減算プロセスを必要とする3D構造です。
現在までに、プリンテッドエレクトロニクスのほとんどは実用的な用途がほとんどなく、現実世界ではほとんど使用されていません。これは、従来の電子機器の方が製造が容易で、安価で、信頼性が高いためです。しかし、実用的なデバイスを開発するための研究がかなり行われています。研究者らはすでに、3Dプリント法を使用して 抵抗器、 コンデンサ、ダイオード、トランジスタを作成しており、使用される材料は多種多様ですが、一般的にはグラフェンまたは有機ポリマーをベースにしています。グラフェンは、狭いゲートやチャネルを作成する能力を研究者に提供すると同時に、ドーピング（グラフェンの伝導性を変えるために重要）も可能にします。有機ポリマーは溶液の形で簡単に塗布できるため（インクジェット プリンターに最適）、柔軟性も備えています。
3Dプリントエレクトロニクスの例
プリンテッド エレクトロニクスに関する研究は盛んに行われていますが、プリンテッド エレクトロニクスの機能は標準的な電子システムに遠く及ばないため、商業的な応用はほとんど見られません。さらに、プリンテッド エレクトロニクスはまだ初期段階にあり、研究室またはプロトタイプでのみ使用されています。最も実用化される可能性が高い3Dプリント技術に関しては、PragmatICとデューク大学の2つが特に目立っています。
PragmatICプリンテッド エレクトロニクス ソリューション
PragmatICは、英国を拠点とする企業で、使い捨てアプリケーションや、 RFIDタグ などの使い捨て電子機器向けのプリンテッド エレクトロニクス ソリューションを製造しています。PragmatICデバイスの重要な特徴の1つは、PragmatICがフレキシブル基板を使用しているため、結果として得られるデバイスが完全にフレキシブルになることです。さらに、同社のフレキシブル電子技術は、抵抗器、コンデンサ、トランジスタなど、すべての重要なコンポーネントをカバーしています。機能的なデバイスが完全には実証されていないものの、PragmatICは自社のプロセスを使用してARMコア プロセスのシートを作成し、各デバイスの消費電力は21 mW、エネルギー効率はわずか1% であると主張しています。
PragmatICが標準的な半導体製造方法と異なる点は、半導体ファウンドリで見られるような集中的な処理手順を使用するのではなく、デバイスが印刷される点です。さらに、PragmatICの電子機器は層ごとに構築されますが、有機化学物質と 薄膜トランジスタ を使用することで、標準的な3Dプリンターと同様の機器を使用して構築できる完全に機能するデバイスが可能になります。
デューク大学のプリンテッドエレクトロニクス
デューク大学は、製品の典型的なライフサイクルを超える実用的なプリンテッドエレクトロニクスの最も優れた例の1つを紹介します。デューク大学は2021年、3Dプリンターと同様の付加的方法を使用して、抵抗器、コンデンサ、トランジスタなどの印刷電子部品を作成する新しい方法を実証しました。コンポーネントはカーボンベースで、エアロゾルスプレーシステム（インクジェット技術に類似）を使用して構築され、絶縁層はセルロースを使用して構築されます。
研究者たちは、柔軟な基板上に部品を印刷できるだけでなく、絶縁層を追加することもできるため、その上にさらに多くのデバイスを追加して、真の3D回路を作成することもできます。チームが開発したトランジスタは非常に大きい（マイクロメートルではなくミリメートル）が、完全に機能し、機械的に操作されても動作し続けます。
プリント回路の最も顕著な特徴は、設計が完全にリサイクル可能であることです。有機化合物とグラフェンを使用することで、研究者は古い回路を溶解し、インクを回収して再印刷することが可能になります。これにより、将来のプリンテッドエレクトロニクスは完全にリサイクル可能となり、古い電子機器を新しいデバイスに交換する際に埋め立て地を使用する必要がなくなる可能性があります。
3Dプリントエレクトロニクスの実用化
3Dプリント エレクトロニクスがどのようなアプリケーションを提供するかを理解するには、まずその利点を認識する必要があります。
- 回路の迅速なプロトタイピングを可能にする
- 最終デザインを完全にカスタマイズ可能
- 設計を積み重ねることが可能（つまり、あらゆる次元でアクティブなパーツを作成）
- 非常に複雑なプロセスの必要性を排除
- 完全にリサイクル可能
3Dプリント エレクトロニクスの最初の潜在的な用途は、遠隔地でカスタム デザインを作成できることです。たとえば、3Dプリンターは、火星や月などの地球外天体の植民地化を目指す将来の宇宙ミッションの鍵となる可能性があります。このようなシステムにより、入植者は地球に頼ってICやその他の部品を生産する必要なく、独自の電子製品を作ることができるようになります。
迅速に設計を作成できるため、3Dプリントされた電子機器は緊急時の修理や交換に最適になる可能性があります。たとえば、海軍艦艇や軍事基地キャンプでは、主要な機器の欠陥を交換および修理するために3Dプリンター システムを活用する場合があります。軍事環境は過酷でアクセスが困難な場合があり、交換部品の送付が困難になる可能性があります。そのため、3Dプリンターを備えた軍事施設やプラットフォームは、過酷な環境に対して有利になる可能性があります。
技術が進歩するにつれて、広く使用されなくなった古い電子部品はメーカーによって生産中止になります。これは最新の設計には影響しませんが、依然として必要な老朽化したシステム (発電所や重要なインフラストラクチャなど) は、コンポーネントの製造中止の影響を受ける可能性があります。3Dプリント エレクトロニクスを使用すれば、このような部品を印刷できるため、代替品が調達されるまでの間、老朽化したシステムの運用を継続できるようになります。
プリンテッドエレクトロニクスが持つ大きな可能性の1つは、一般的な3Dプリンターと組み合わせることができることです。マルチノズル設計により、構造プラスチックとコンポーネントを同時に印刷できるため、基本的に設計全体を1つのステップで構築できます。3Dプリント構造の部品や配線など、あらゆる部分に電子機器を簡単に統合できるため、現在は製造が困難すぎる設計も実現できます。これにより、コンポーネントを壁に垂直に印刷し、エンジニアがPCB上で2次元だけでなく3次元すべてを活用できるようになる可能性もあります。
3Dプリントエレクトロニクスに対する現実的な期待
3Dプリント エレクトロニクスのアイデアは魅力的で将来性があるように思えますが、期待を管理することが重要です。すべての 3Dプリントエレクトロニクスが直面する課題これまでで最大の特徴は、3Dプリントされた電子機器のトランジスタ密度が非常に小さいことです。つまり、そのデータ処理能力は現代のプロセッサに比べて大幅に小さく、商用デバイスには実用的とは言えません。
そのため、3Dプリントされた電子機器がシリコン デバイスに取って代わることはまずありません。現在の製造プロセスは、電子機器を超低価格で生産するのに非常に効率的です。最新の プロセッサ は数百ドルで販売されることもありますが、ほとんどの マイクロコントローラ は1ドル未満で販売されています。時間が経つにつれて、このような最新のプロセッサの価格は下がり、最終的には日常の機器に使用できるほど安価になります。
3Dプリント エレクトロニクスが直面するもう1つの課題は、3Dプリンター全般に共通する問題である可能性があります。つまり、3Dプリンターの設計は構造的に弱いということです。確かに、3Dプリントされた部品は金属で作ることができ、プラスチックでプリントされた部品は見た目よりもはるかに強度がありますが、基本的にこれらの部品はプロトタイプです。3D印刷システムでは層が必要なため、プラスチック射出成形部品は常に3Dプリンターに勝ちます。たとえば、単一の層のプラスチックは非常に強力ですが、隣接する層のプラスチックは完全に溶け合わず、粒界が形成されます。したがって、3Dプリントされたデザインの層に何らかの力が加わると、簡単にせん断が発生する可能性があります。同じ影響が3Dプリントされた電子機器、特に層を使用して構築される電子機器にも影響を及ぼす可能性があります。
3Dプリント技術の未来
3Dプリント エレクトロニクスはまだ初期段階ですが、研究者が開発してきたものが刺激的なものであることに疑いの余地はありません。しかし、今後10 ～ 20年間は、こうした技術が商業的に電子機器に取って代わる可能性は低いでしょう。3Dプリント エレクトロニクスは、プロセッサやメモリに比べて要求がはるかに低いため、スマートフォンのプリント アンテナや製品のRFIDタグなどのニッチなアプリケーションで使用される可能性が高くなります。
