3Dプリンターは、付加的なプロセスを使用して3Dオブジェクトを作成するデバイスです。ほとんどはプラスチックを使用しますが、金属、紙、さらには液体UV硬化エポキシを使用して印刷できるものもあります。3Dプリンティングは、材料を除去する (減算的) のではなく、材料を配置する (加算的) ことによって構造を構築するため、ほとんどの製造プロセス (CNCミリング、プラズマ カッター、フォーマーなど) とは異なります。
一般的なデスクトップ3Dプリンターは、リールから供給されるプラスチックを溶かす高温ノズルを使用し、3つのモーターを使用してターゲット ベッドを移動し、ノズルをワークピースの真上に配置します。3Dモデルは水平面内で何千ものレイヤーにスライスされ、互いに積み重ねられます。最も単純なオブジェクトを印刷するのにも数時間かかることがあり、すべての3Dオブジェクトを3D印刷できるわけではありません。デザインにオーバーハングがある場合は、印刷プロセス中にモデルを支えるための足場が必要です。
3Dプリント エレクトロニクスとは、一般的に、3D付加プロセスを使用して作成される電子部品を指します。ただし、印刷技術がコンポーネントの単一層のみを印刷する場合でも、それは依然として3Dデバイスであることに注意する必要があります。これは、同じプロセスを実行すると、この層の上に追加の層を印刷できるためであり、また、アクティブ コンポーネント (トランジスタなど) が機能するには、複数の層を重ねて印刷する必要があるためです。
3Dプリントされた電子機器はテクノロジーにどのようなメリットをもたらすのでしょうか?
電子回路を印刷できることの大きな利点の1つは、ほぼあらゆる設計をゼロから試作できることです。特定のICが開発され製造されるまで待つ必要がなく (数年かかる場合があります)、カスタム設計をCADで素早く設計し、3Dプリンターに送信できます。
3Dプリント エレクトロニクスのコンセプトはさらに進化し、標準的な3Dプリント技術と組み合わせることができます。複合プリンターは、筐体を製造できるだけでなく、電子機器を設計に統合できるため、ネジによる取り付け、環境シール用のガスケット、またはPCBで動作することを確認するための筐体の試作が不要になります。
3Dプリント エレクトロニクスは、3Dエレクトロニクスの可能性も生み出します。3D電子機器は、単一の2D平面に制限されるのではなく、垂直に印刷できるため、回路を任意の方向に向けることができます。回路をスタックするもう1つの利点は、プロセッサやその他の高度な回路もスタックできることです。積層プロセッサは、厚さを2倍にすることで機能を2倍にすることができます。また、このような回路は数ミクロン単位で作成できることを考慮すると、厚さ1 cmのデバイスには10,000層のアクティブ回路が備わっていることになります。
プリンテッドエレクトロニクスはどのような課題に直面していますか?
プリンテッド エレクトロニクスの例は複数存在しますが (PragmatICなど)、そのほとんどは、商用設計での使用を妨げる大きな課題に直面しています。
今のところ、3Dプリント エレクトロニクスが直面している最大の課題は、サイズです。誰でも3Dプリンターを使って導電性プラスチックや導電性インクを印刷することができ、これを使ってコンデンサや抵抗器を作成できます。しかし、現在の技術では極端に小さなデバイスを印刷することができず、その結果、印刷されるデザインは非常に大きくなります。同じことがプリントトランジスタにも当てはまり、その結果、アクティブコンポーネントを備えたプリント設計は、半導体のものよりも桁違いに大きくなります。
2番目に大きな課題は、実用的な電子部品を作成できる適切な材料を見つけることです。炭素ベースのインクは科学的な実証には役立ちますが、そのようなインクの多くは抵抗が大きすぎて実用化できません。このような高い抵抗は、消費電力を増加させるだけでなく、デバイス間の伝送ラインを妨げる可能性もあります。
プリンテッドエレクトロニクスが直面しているもう一つの大きな課題は、補完的なアクティブデバイスの開発です。PragmatICは、N型およびP型のプリント トランジスタが非常に重要である理由を示す優れた例です。最近、PragmatICはフレキシブル基板上に完全印刷されたARMマイクロコントローラを開発しました。このマイクロコントローラは、約600 kHzで動作し、数百バイトのメモリを保存できます。
デバイスは機能していましたが、エネルギー効率は1% でした。これは、NMOSのようなテクノロジの使用が直接の原因でした。簡単に言えば、PragmatICのプロセッサはプルアップ抵抗付きのN型トランジスタのみを使用して構築されており、トランジスタがアクティブな場合、プルアップ抵抗を通じて電力が浪費されることを意味します。相補ロジックにより、エネルギー効率の高いCMOSロジックの実装が可能になります。そのため、研究者たちは、P型トランジスタとN型トランジスタの両方を同時に印刷する方法を見つけようとし続けています。
3Dプリントされた電子機器は実用化されるのでしょうか?
研究者が電子回路の製造に3Dプリント法を研究し続けることは間違いありませんが、日常の電子機器に3Dプリント法が使われることはまずないでしょう。最初に考慮すべき事実は、集積回路では数個の原子に近いサイズのトランジスタを製造できるが、この解像度で印刷できる3Dプリンターはまず存在しないだろうということです。これは、市販の半導体が、どのプリンテッド エレクトロニクス システムよりも常に強力で高性能であることを意味します。
ただし、すべてのアプリケーションで10億個のトランジスタを搭載した2 nm機能デバイスが必要なわけではなく、遠隔地ではプリンテッド エレクトロニクス システムが不可欠になる可能性があります。たとえば、火星の移住者は、故障した機器を交換するための半導体を需要に応じて生産できないことに気づくかもしれません。修理が必要な機器が比較的単純なもの（ドアのコントロールなど）であれば、3Dプリントされた電子機器がこのニーズを満たすことができます。
3Dプリントされた電子機器の使用は、筐体設計にも取り入れられる可能性があります。特注の3Dプリント筐体では、通信リンクやアンテナを構造自体に埋め込むことで、それらを統合することもできます。これにより、緩んだワイヤーの必要性が減り、重量も軽減されます。このような設計は組立ラインにも適しており、製造コストを削減できます。
3Dプリンターのもう1つの可能な用途は、3DプリンターとPCBテクノロジの組み合わせです。3Dプリント技術を使用すると、抵抗器やコンデンサなどの受動部品を信号層内に統合した高度なPCBを作成できます。さらに、表面実装デバイスへの移行により、スルーホール部品が不要になり、回路基板を現在よりもはるかに厚くすることが可能になります。厚みが増すと、信号トレース層が増え、より複雑な設計が可能になります。
結論
全体的に、3Dプリントされた電子機器は、ほとんどの電子機器の現在の製造方法に取って代わることはありませんが、柔軟な基板で動作し、遠隔地に設置できるため、いくつかの用途では実用的です。メーカーコミュニティは、すべての製品開発段階を単一の製造プロセスに統合する試みとして、研究者と協力してこのような技術を開発する可能性があります。