耐酸化性を向上させたプリンテッドエレクトロニクス用インクを開発―― 銅・ニッケル系コアシェル構造 NIMS

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物質・材料研究機構(NIMS)は2022年2月22日、耐酸化性を向上させたプリンテッドエレクトロニクス用インクを開発したと発表した。銅・ニッケルコアシェル構造を自己組織化的に形成するもので、安価で安定な金属インクとしての実用化が期待される。

プリンテッドエレクトロニクスで主に使用されている銀ナノ粒子インクは、高価ではんだ耐性が低いほか、マイグレーションを起こしやすいといった点が課題となっていた。一方で、安価な銅ナノ粒子インクは酸化に極めて弱く、プリンテッドエレクトロニクスに用いる際は生産や印刷プロセスに特殊な設備や工夫が必要となっていた。

NIMSの研究チームは今回、大気下で安定な金属錯体を用いたインクに着目した。異なる金属の錯体を混合することで、インクの組成や条件により多層コアシェル構造から合金までを印刷できることを発見している。

この原理を用いて銅およびニッケル錯体を混合したインクを印刷し、銅・ニッケルコアシェル構造を自己組織化的に形成した。銅・ニッケル印刷配線の抵抗率は最高で19μΩ•cmとなっており、従来の金属インクと比較しても遜色ない値となった。

SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて銅・ニッケルインクを印刷した配線を元素マッピングし、ニッケルが銅粒子の周辺を覆っているコアシェル構造を観測した。HRTEM(高分解能透過電子顕微鏡)を用いたところ、銅とニッケルがそれぞれ結晶性を有しており、明瞭な界面によって接合されていることも判明した。

(上段)銅・ニッケル印刷配線のSEM による元素マッピング
(下段)HRTEM による観察結果

銅・ニッケルインクは、フレキシブル基板に対して優れた密着性を発揮し、はんだに対しては高い耐性を有することも確認している。

さまざまなフレキシブル基板に銅・ニッケルインクを印刷した様子

NIMSは今回の研究結果を踏まえて、住友金属鉱山およびNIMSベンチャー企業であるプリウェイズと共同で同インクに添加する微粒銅紛の開発を進めている。両社は、近日中にサンプル出荷を開始する予定となっている。

安価で安定な金属インクの実用化により、プリンテッドエレクトロニクスのさらなる普及が期待される。また、今回の手法を用いることで、新たな機能を有するインクの開発にも繋がるものとみられる。

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