ナノテク情報

加工技術

接着剤いらずの超柔軟導電接合 ~フレキシブルエレクトロニクスの集積化に貢献~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研),東京大学および早稲田大学は2021年12月23日,理研 開拓研究本部 染谷薄膜素子研究室の福田 憲二郎 専任研究員,染谷 隆夫 主任研究員(東京大学大学院 工学系研究科教授),早稲田大学大学院 創造理工学研究科の梅津 信二郎 教授らの研究グループが,接着剤を用いずに高分子フィルム上に成膜された金電極同士を電気的に直接接続する技術の開発に成功した,と発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会の科学研究費補助金,同特別研究員奨励費,独立行政法人科学技術振興機構の研究成果最適展開支援プログラムなどの支援を受けて行われ,成果はScience Advances誌のオンライン版に掲載された(注).

 次世代のウェアラブルデバイスの配線やフレキシブルエレクトロニクスの集積化に向けて,柔軟性のある電気的接合技術の開発が求められている.従来から金属電極同士の接合に用いられている導電性接着剤や異方導電性接着テープ(ACF)は,接合部の柔軟性が低く,電気抵抗が大きく,接合に加圧や加熱が必要で,フレキシブルエレクトロニクスに適した接合法ではなかった.表面活性化した金属面の直接接合も可能であるが,表面粗さ(RMS)1nm以下という高い表面平滑性を要し,フレキシブル基板への適用は不可能であった.本研究で研究グループは,水蒸気プラズマを用いる新しい接合技術(Water Vapor Plasma-assisted Bonding ; WVPAB)を開発した.水蒸気プラズマはガス源に水を使用するプラズマ処理で,処理面の還元作用が得られる.接合実験に用いた金属電極は,厚さ1~2μmの高分子(パリレン)基板に蒸着法で作成した厚さ30~100nmの金電極(RMS約7nm)である.この金電極に水蒸気プラズマを40秒照射し,大気中で電極同士を密着させ常温・常圧で12時間以上放置することで接合が完了する.接合部断面を走査型電子顕微鏡(STEM)により観察すると,重なり合った2枚の金電極の境界が消失して一体化し,強固に接合していることが確認された.接合部を曲面に沿わせて曲げ,WVPAB接合と従来のACF接合の柔軟性を比較すると,WVPAB接合部は曲面に沿って曲率半径0.5mm未満まで変形できたが,ACF接合部は曲面に追従できず最小曲率半径は1mm以上となった.また,WVPAB接合は機械的耐久性にも優れ,曲げ半径2.5mmの曲げを1万回繰り返しても電気抵抗の変化は1%未満に留まった.大気中100℃で500時間加熱しても電気抵抗は上昇せず8%低下した.これは加熱により金属同士の結合が促進されたためである.厚さ3μmの超薄型有機太陽電池と超薄型有機LEDの超薄型配線をWVPABにより接合してフレキシブル集積デバイスを作り,実際に太陽電池で発電した電力で有機LEDが発光することが確認された.

 WVPAB接合は接着剤やACFのような厚みがなく柔軟性に優れ,複数のフレキシブルエレクトロニクスを集積したウェアラブルデバイスの実装への貢献が期待される.

(注)Masahito Takakuwa, Kenjiro Fukuda, Tomoyuki Yokota, Daishi Inoue, Daisuke Hashizume, Shinjiro Umezu, and Takao Someya, "Direct gold bonding for flexible integrated electronics", Science Advances , 22 Dec 2021, Vol 7, Issue 52, DOI: 10.1126/sciadv.abl6228