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パトリシア・ダウカンタス

米国セントルイスにあるワシントン大学の Junyi Zhao 氏は、シンプルなボールペンを使用して紙にカスタム LED を書き込む実演を行います。 [画像: セントルイスのワシントン大学、Wang Lab]

多くの人は、新鮮なアイデアを紙とペンで書き留めることを好みます。 将来的には、パーティー用バルーン、衣類、さらには個別の医療センサーにカスタム LED の形でアイデアを反映できるようになるかもしれません。

米国の研究者らは、紙からゴム、布地に至るまで、多くの一般的な基板上に LED と光検出器を手書きするシステムを開発しました (Nat. Photon.、doi: 10.1038/s41566-023-01266-1)。 研究チームは、通常のボールペンに、小さな金属線とペロブスカイトのナノ結晶（適切な刺激下で明るく発光する多用途半導体）を含む特別な「インク」を充填した。 研究者らによると、潜在的な用途は、柔軟な使い捨てウェアラブルセンサーから、カスタマイズ可能な繊維製品やスマートパッケージングまで多岐にわたるという。

「執筆体験は日常の執筆の自然な流れを反映しています」と筆頭著者のジャオ・ジュンイー氏は言う。彼は米国セントルイスのワシントン大学工学部教授チュアン・ワン氏の研究室の博士課程候補者である。

光電子デバイスを製造するための実績のある技術には、スピン コーティング、蒸着、エッチングが含まれ、通常は真空チャンバーまたはその他の特殊な装置が必要です。 ワン氏らを含む一部の科学者は、インクジェット印刷やその他のより単純な蒸着システムを代替手段として試してきましたが、インクジェット プリントヘッドの清掃と調整は面倒な場合があります。

2年前、Zhao氏とWang氏は、柔軟なポリマーマトリックスに埋め込まれたペロブスカイト結晶からなる有機・無機複合光電子インクを発表し、その化合物をインクジェットプリンタに供給して回路を印刷した。 元のインクの代わりに液体 LED を充填した質素なボールペンは、さらにシンプルな供給メカニズムであることが判明しましたが、最初にペロブスカイト インクの配合を微調整する必要がありました。

セントルイスのワシントン大学のロゴは、アルミホイルに多色の LED 「インク」で描かれています。 [画像: セントルイスのワシントン大学、Wang Lab]

Zhao 氏は、彼と同僚がインクのレオロジー、つまり流動能力と、さまざまな表面に均一な線を生み出すための湿潤能力を注意深く調整したと述べています。 また、同じ場所に光電子インクの複数の層を描画する際に、上の層が溶解したり、下の層が損なわれたりしないように、溶媒をカスタマイズする必要もありました。

「書き心地の観点から、私たちは筆記プロセス中にペンに加えられた力の影響を徹底的に調査しました。これは、「ソフトライティング」と「ハードライティング」として定義されます。」とZhao氏は言います。 「特に、ペンに加えられる力が当社の光電子デバイスの機能を損なうことはありません。 興味深いことに、ソフト書き込み技術とハード書き込み技術の両方が書き込みパスの幅に効果的に影響を与えます。 ソフト書き込みではパスが狭くなり、ハード書き込みではパスが広くなります。 この筆圧の多様性は、最終デバイスのカスタマイズ可能なパターニング解像度に貢献します。」

手描きの LED は垂直サンドイッチ構造であるため、研究者らは、上部電極と下部電極の間の電流漏れを防ぐために、層を十分に分離し、厚さを均一に保つために懸命に努力した、と Wang 氏は述べています。 「これは、ガラスやプラスチックフィルムなどの平面的で非吸収性の表面では容易ですが、紙や織物などの繊維質や多孔質の基材では特に困難になります」と彼は付け加えました。

Zhao氏によると、インクが汚れてしまうと描画した画像のデザイン価値が失われるため、研究者らはLEDインクの乾燥時間を考慮する必要があったという。 乾燥を促進するために、チームはイソプロパノールやトルエンなどのさまざまな低沸点溶媒を添加剤として組み込みました。 「これらの溶剤は、当社の機能性インクの沸点を効果的に下げました」と Zhao 氏は言います。 「その結果、ペロブスカイト発光層、ポリエチレンイミン緩衝層、銀ナノワイヤ上部電極などの特定の層の乾燥速度が著しく加速されました。 実際、場合によっては、乾燥が急速または即座に行われ、待ち時間が不要になりました。」