3Dプリントの新たな可能性:自己発電型ウェアラブルデバイス

3Dプリントの新たな可能性:自己発電型ウェアラブルデバイス ナノテクノロジー
©University of Notre Dame

ウェアラブルデバイスというと、スマートウォッチ、スマートグラス、フィットネストラッカー、さらにはスマートウェアなどを思い浮かべる人が多いのではないでしょうか。

これらのデバイスは、急速に成長している市場の一部ですが、2つの共通点があります。

それは、すべてのデバイスが外部電源を必要とし、厳格な製造プロセスを必要とすることです。

航空宇宙・機械工学准教授のYanliang Zhang氏と博士課程学生のYipu Du氏は、マルチマテリアルのエアロゾルジェット印刷と押し出し印刷を組み合わせた革新的なハイブリッド印刷法を開発し、機能材料と構造材料の両方を1つの合理的な印刷プラットフォームに統合しました。

この研究成果は、「Nano Energy」誌に掲載されました。

Zhang氏とDu氏は、Wenzhuo Wu教授が率いるパデュー大学のチームと共同で、すべて印刷された圧電(自己発電)ウェアラブルデバイスを開発しました。

研究チームは、新しいハイブリッド印刷プロセスを用いて、テルルナノワイヤ圧電材料、銀ナノワイヤ電極、シリコンフィルムを統合した、人間の皮膚に適合する伸縮自在の圧電センサーを実証しました。

これらを用いて、人間の手首に装着して手の動きを正確に検出したり、首に装着して心拍を検出したりしました。

いずれのデバイスも、外部電源を使用していません。

圧電材料は、電源からではなく、機械的なストレスを加えることで自ら電荷を発生させることができるため、ウェアラブルな電子機器やセンサーの製造に最も有望な材料の一つです。

圧電素子の印刷には、高電界での分極や高温での焼結が必要となるため、印刷プロセスに時間とコストがかかり、また、センサーを組み込む際に周囲の材料に悪影響を及ぼす可能性があります。

「この新しいハイブリッド印刷法の最大の利点は、さまざまな機能性材料や構造材料を1つのプラットフォームに統合できることです。これにより、プロセスが合理化され、デバイスの製造に必要な時間とエネルギーが削減されると同時に、印刷されたデバイスの性能が保証されます。」とZhang氏は述べています。

また、伸縮性の高い銀ナノワイヤー電極は、動いている体に装着するウェアラブルデバイスにとって重要です。

「この非常に汎用性の高い印刷プロセスにより、プリンテッド・エレクトロニクスやウェアラブル・デバイスに幅広い可能性が広がることを期待しています。」とZhang氏は述べています。

Published by University of Notre Dame. Yipu Du et al, Hybrid printing of wearable piezoelectric sensors, Nano Energy (2021). DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106522