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Nature Communications volume 13、記事番号: 3223 (2022) この記事を引用

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ワイヤレス技術をサポートするプリント フレキシブル エレクトロニクスは、モノのインターネット (IoT)、ヒューマン マシン インタラクション、ウェアラブルおよび生物医学アプリケーションにとって重要です。 しかし、既存の印刷アプローチには、低い印刷精度、コンフォーマル印刷の難しさ、複雑なインク配合とプロセスなどの課題が残っています。 今回我々は、フレキシブル無線エレクトロニクス向けの室温直接印刷戦略を提案します。この戦略では、個別の高性能機能モジュール（アンテナ、マイクロスーパーキャパシタ、センサーなど）を高解像度で製造し、さまざまな平面/曲面基板上にさらに統合できます。 無添加の炭化チタン (Ti3C2Tx) MXene 水性インクは、大きな単層比率 (>90%) と狭いフレーク サイズ分布で調整されており、超微細印刷トラックに金属伝導性 (約 6, 900 S cm-1) を提供します。アニーリングなし (ラインギャップ 3 μm、空間均一性 0.43%)。 特に、無線通信、エネルギーハーベスティング、スマート センシングが可能な、すべて MXene で印刷された統合システムを構築します。 この成果は、室温でのプリンテッド ワイヤレス エレクトロニクスの高精度積層造形への扉を開きます。

プリンテッド エレクトロニクスの進歩により、ウェアラブルでフレキシブルなデバイスのスケーラブルで持続可能な製造が継続的に促進されています1、2、3。 従来のサブトラクティブ プロセスとは異なり、ダイレクト インク印刷は、比較的容易でコスト効率の高い手順、および望ましい材料の適合性と利用率により、迅速かつ大規模な製造に実行可能な代替手段を提供します 4,5。 それにもかかわらず、フレキシブルエレクトロニクスの室温製造に関しては、既存の印刷アプローチはまだ理想からは程遠いです。 大きなハードルは、インクの配合と印刷プロセスにあります。 ほとんどの印刷可能なインク (金属またはカーボンベース) は、複雑なインク配合 (界面活性剤/レオロジー調整剤/結合剤が必要)、固有の物理的特性が不十分 (導電性が低いなど)、または長時間の後処理が必要である (つまり、高温) のいずれかです。添加物を除去するためのアニーリング）6、7。 これらの問題により、デバイスの製造プロセスが複雑になり、低コストのポリマー基板の選択肢が排除され、デバイスの印刷精度やその後の特性が損なわれます。 一方で、フレキシブルエレクトロニクス（特にさまざまな無線多機能システム）の構造の複雑さが増すにつれ、ダイレクトインク印刷技術、特に時間のかかる面倒な転写や印刷を避けるための高精度コンフォーマル印刷やマルチモジュールの統合製造に対する要求が高まっています。組立工程8、9。

有望なアプローチの 1 つは、無添加の水性導電性インクと押出印刷技術を組み合わせることです。 他の印刷方法と比較して、押出印刷では追加のマスクや付属品を必要とせずに高スループットの積層造形が可能であり、材料/基板の選択と印刷の拡張性（同一平面から三次元まで）の可能性が高まります10、11。 それにもかかわらず、無添加の水性導電性インクは、インク配合を簡素化し、後処理を排除する点で有望であることが証明されているが、フレキシブル無線エレクトロニクスの室温製造を達成するために適切なレオロジー特性および電気特性を機能性インクに付与することは依然として課題である12、13。 この点において、2D 遷移金属炭化物および窒化物の新興ファミリーとして、機能性インクに望ましい独特の特性 (金属伝導性、親水性、負の表面電荷など) を有する MXene は、新たな可能性をもたらします 14,15。 特に、Ti3C2Tx (Tx は表面終端を意味します) は、最も広く研究されている MXene として、添加剤を一切使用せずに安定した無添加水性コロイド分散液の制御可能な形成を可能にし 16,17 、バッテリーやマイクロスーパーキャパシターなどのさまざまなデバイスに適用されています ( MSC）、摩擦電気ナノ発電機（TENG）、トランジスタ、センサーなど18、19、20、21。 しかし、フレキシブル無線エレクトロニクスの製造に関しては、MXene インクをベースとした超高導電率のコンポーネント ラインの室温での微細な印刷精度についてはほとんど成功していません。 さらに、全印刷無線デバイス向けのマルチモジュール統合印刷の実現可能なプロトコルは、これまでほとんど報告されていません。