局所レーザ溶接による金属ナノワイヤー極細配線の実現と皮膚貼付け型フレキシブル回路への適用
大阪電気通信大学 工学部 電気電子工学科教授 富岡 明宏
（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019205-B2）
キーワード：局所光溶接，金属ナノワイヤー，フレキシブル回路

１．研究の目的と背景の金属ナノワイヤーを束ねた配線材料は，１本の太い金属

金属ナノワイヤー1,2)の研究はナノテクノロジーととも線よりも表面積が格段に大きく（図２），従って理想的なに急速に進展してきたが，現状では最大でも長さ 0.3mm高周波用配線材料となり，数十 cm 以上の長い距離をワイにしかならず，配線材料として実用的な長さを確保するた

ヤレス給電できるマイクロ波周波数帯の受電アンテナとめには，溶接などの手法でつなぎ合わせる必要があり（図して格好の材料となる可能性が高い．スマホ等の Wi-Fi１），ここに微視的物体のレーザ加工・処理技術の新たなに使われているマイクロ波は指向性が高く，電波の拡散が展開が切望されている．

少ないため，長い距離にわたって電力を有効に運ぶのに適金属ナノワイヤーの交差・近接部分には表面プラズモンの電界増強効果が期待でき，レーザ波長を表面プラズモンしており，現在主流の MHz 帯の「置くだけ充電」に代わる次世代技術として注目されている 7)．

共鳴に一致させれば，通常よりもはるかに高強度のレーザ加工・処理が実現できる．しかもこの手法では，必要とされる交差・近接部分のみをピンポイントで加熱し 3)，局所光溶接を施すことが可能となろう（図１）．
X移動

図２

y移動

屈曲状態の金属ナノワイヤー・バンドル. 多数のナノワイヤーから成る断面も表示.

(a)

本論文では，ラボ用マイクロ波オーブン 8,9)を使った均一加熱法により，長さ・太さのそろった極細金属ナノワイ(b)

増強光電界による光溶接ヤーを作製，これを塗布した配線に局所光溶接を行い，長さ 0.1mm に満たないナノワイヤーどうしを 10cm 以上の距離にわたって電気的に接合する．その導電性評価とともに，

図１

局所光溶接による金属ナノワイヤーの相互接合.

(a)光照射中，(b)照射後. 本数を減らし，まばらに表示.

曲げ加工時の電気的な屈曲耐性を評価する．最後にマイクロ波周波数帯でのワイヤレス給電の実用性を評価するため，この金属ナノワイヤーをアンテナ型に塗布し，RFIDこのようにして作製された局所光溶接金属ナノワイヤ用送信機から送った電波をこの金属ナノワイヤー・アンテ

4）

ナで受信して，受信感度の高さを市販の受電アンテナと比ーの応用先として有望なのが，皮膚貼付け型センサ回路である．痛みを伴わずに心拍数や血中酸素濃度を計測でき較試験を行う．

る非侵襲型皮膚貼付け型センサ回路が実用化すれば，壮年者の健康意識の高まりによる健康維持のための身体運動が，ややもすれば過度に陥り却って健康を害することのないよう，運動負荷が適度かどうかをリアルタイムに自分で２．実験方法
2・1

ラボ用マイクロ波オーブンを使った金属ナノワイヤーの作製把握することが可能となる．また介護が必要な高齢者の身本研究で導入したラボ用マイクロ波オーブンを使うと，体状態・健康状態も，高齢者に負担をかけることなくモニ丸底フラスコに入れた反応溶液全体がマイクロ波を吸収タリング可能になる．センサ回路への今後の要望として，し，内部から均一に加熱されるので，全体に反応条件が揃(1)運動しても壊れない柔軟回路，(2)重量を軽くするためい，長さ・太さのそろった極細金属ナノワイヤーが作製で電源電池を廃止し，代わりにワイヤレス給電

5,6)を利用する，の 2 点が挙げられる．

きると期待できる．通例使用されるオイルバス加熱 10, 11)とはこの点が大きく異なる（図３）．本研究で探求するマ本研究で探求する局所光溶接した金属ナノワイヤーはイクロ波周波数での高い導電性には，表皮効果の影響を受柔軟回路に必要な極細配線として機能する．同時に，極細けない，極細で長さもそろったナノワイヤーが適している

と期待される．1GHz 程度のマイクロ波の波長は溶液中でする触媒 PVP 高分子 12-14)と硝酸銀を外部から注入してかも数 cm であり，これよりはるかに短い長さ 0.1mm 以下

ら温度を 175℃に上げ，銀ナノワイヤーの生成を開始する．の金属ナノワイヤー両端では，マイクロ波電磁波による電このため，他のマイクロ波処理の報告例とは違って密閉容界はほとんど同位相であり，金属ナノワイヤーは放電を起器の利用はできず，開放系システムを採用し，シリコンチこさないと考えられる（長さ数 cm 以上の磁性金属線を入ューブを使って予備加熱した硝酸銀と触媒 PVP 高分子をれると，バチバチと放電して溶けてしまうが）．高い導電

外部から丸底フラスコ内に注入する装置を構成した．還元性を要求されるので，本研究では金属中で最も導電性の高剤のエチレングリコールは吸湿性が高く，フラスコ内に湿い銀を使って，銀ナノワイヤーを作製する．

度が入り込まないよう，常にアルゴンガスを吹き込んだ．
また，銀ナノワイヤーの生成に伴って溶液粘度が上昇する

(b)

(a)

内部から加熱ので，圧縮空気で撹拌するマグネチックスターラーの回転速度も途中で上昇させる必要があり，透明で常に外部からマイクロ波反応溶液の撹拌状態をモニタする必要がある．これらの点を達成できるよう，カスタム仕様のマイクロ波オーブン・システムを構築した．
オイルバスで加熱した場合，容器の周囲からのみ加熱され溶液の温度が場所によって不均一になるため，1 次元銀ナノワイヤーに成長しなかった銀ナノ粒子が多く観測され，銀ナノワイヤーの長さも不均等だった（図４(a)）．マ
周囲から加熱イクロ波オーブンで加熱した場合は，溶液の内部から一斉(a)オイルバス中で周囲から加熱する方法と(b)マに加熱されるため，全溶液の温度が均一に上昇し，銀ナノイクロ波により溶液内部から均一に加熱する方法の違粒子の生成が極めて少なく，銀ナノワイヤーの長さも揃っい.て，長さ 2m 以下の銀ナノワイヤーは観察されなかった

図３（図４(b)）．銀ナノワイヤーを長くして，少ない本数でも2・2

局所光溶接の概要

巨視的な導電性経路を高い確率で形成するには，銀ナノワ

局所光溶接の概念図を図１に示した．最大でも長さわずか 0.1mm の金属ナノワイヤーを，各１か所ずつ局所溶接

イヤー作製時の温度管理が重要だと判った．
(a)

(b)

して相互に接合，バンドル化することをめざす（図２）．
この場合，どのナノワイヤーも両端が固定されている訳ではないので，互いに滑り合い，位置ずれが可能となる．従って，バンドル全体を曲げたときに互いにナノワイヤー位置がずれて，曲げの内側・外側の曲率半径の違いを吸収し1mて破断しなくなり，屈曲耐性を示すと期待できる．

３．実験結果3・1

ラボ用マイクロ波オーブンを使った銀ナノワイ

1m

図４(a) オイルバス加熱, (b)マイクロ波オーブン加熱で作製した銀ナノワイヤー スケールバーは 1m．

ヤーの作製
まず高温溶液処理によって銀ナノワイヤーを作製する
際，従来法のオイルバス加熱

10, 11)とマイクロ波オーブン

3・2

銀ナノワイヤー塗布配線の電気特性塗布した銀ナノワイヤーの導電性を評価するため，プラで反応液を均一加熱した場合の銀ナノワイヤー試料を電スチック・シート上に長さ 2cm の直線パターンを塗布した．

子顕微鏡で比較した（図４）．マイクロ波オーブンで加熱

1 回の塗布で長さ 1cm 当たり銀ナノワイヤー分散液の使用した方は，優位に細く，長さも長くなっている．また，銀量は 0.4μℓ であった．作製後 10 倍に濃縮した銀ナノワイナノ粒子の生成など副反応も大きく抑制され，銀ナノワイヤー分散液を用意し，1～5 往復塗布した直線パターンを 3ヤーが選択的に成長していることがわかる．マイクロ波オ試料ずつ作製し（表１の縦３行に相当），各試料 3 か所，が出されているが，合計 9 か所の導電性を比較した（表 1）．塗布回数を重ね温度を高くして反応時間を短くできる利点を活用する例

る毎に劇的に抵抗値が低下し導電性が向上している．4 往ーブンの利用について多数の報告

8,9)により復，5 往復塗布では，塗布された銀ナノワイヤーの「隙間」

銀ナノワイヤーの伸長が最も促進されるのは 175℃付近を，後から塗り重ねた銀ナノワイヤーが埋め，連続的な導のみであり，本研究では反応溶液の精密な温度管理が必要電性経路が形成されるので，劇的に導電性が向上すると考である．また本研究の２段階溶液処理では，まず 140℃でえられる．同時に，試料による抵抗値のばらつきも塗り重金ナノ粒子を生成させた後，成長方向を 1 次元方向に制御

ねるに従って大きく抑制され，揃ってくるのが分かる．往が多い．これに反して Ostwald Ripening 機構

12-14)

表１

直線塗布 10 倍濃度銀ナノワイヤーの DC 抵抗. 塗布回数依存性とアニーリング・紫外光照射の効果(空白は高抵抗のため測定不能.)
抵抗値(Ω)
塗布回数

アニーリング前
A-B

B-C

アニーリング後

A-C

A-B

B-C

光照射(10分)

A-C

85M
1往復

2往復

3往復

4往復

5往復

120M

A-B
19k

910

B-C
200M

光照射(10+10分)

A-C
200M

A-B

B-C

7.5k

33k

189.1

A-C
36.2k

769

270M

130M

270M

3.4M

8.7k

3.4M

4.6k

4.1k

8.5k

3.7k

3.8k

3.2M

3.5k

3.1M

370110342

162.9

93.5

256.3

158.3

91.7

250

219

1.0k

1.3k

50.6

130.3

181.5

46.5

93.7

163.1

46

114.3

159.7

7.6k

38M

50M

74M

906

3.2k

3.9k

1.2k

1.6k

2.7k

1.1k

1.4k

2.5k

131

1.48k

1.26k

38.1

107.4

145.6

52.3

173

225.2

51

169.4

220.3

167.3

216.4

353.5

51.1

66.4

116.8

63277.7

170.7

413

75.7

62.1

137.5

60.6

32.2

38.9

120.4

31.7

22.8

64.8

40.6

19.5

64.5

40.8

14.1

63.4

24.4

66.9

110.9

19.2

36.5

55.6

13.9

35.1

43.1

13.3

32.554.6

35.1

155.1

189.7

18

110.3

127.6

10.7

44.8

56.4

10.5

43.1

21.9

36.4

43.4

11.5

9.33

22.3

6.4

5.4

11.5

6.2

5.1

11.2

52.6

33

85

14.9

16.6

31.9

10.3

11.7

21.8

9.9

11.7

2221.3

22.7

38.9

19

13.2

33.5

12.7

9.6

21.6

12.6

9.1

2261.860.9

復塗布回数を増やすことによって劇的に導電性が向上す意味では 79%と途中の 70%の差，9%は曲げている最中はるが 4 往復以降では導電性向上が飽和してきているので，交差が外れて 70%に低下するが折れているわけではなく，5 往復塗布で十分と判断できる．

平らに戻すと交差が回復する可逆的な接触になっている

試料ごとに塗布の不均一性が見られるが，30 分間アニと解釈できるだろう．このようにして，屈曲によって非可ーリングにより導電性の不均一性はかなり解消される．さ

逆的に折れてしまう銀ナノワイヤー，常に導通している交らに，10 分間紫外光照射すると試料間の導電性ばらつき差部，一時的にはずれるが電導性が回復する可逆的な導通が解消される．これは，銀ナノワイヤー交差部では銀ナノの 3 種類に分類できる．測定した他の２領域では，屈曲にワイヤーが近接し，隙間があってもそこに発生する紫外エより交差が外れる割合が高く，はらつきが観測された．

バネッセント場の電界増強により熱的に銀ナノワイヤー

表２の上半分，ポリイミドシートの場合は，屈曲中も元どうしが「光溶接」される効果が発揮されたと考えられる．に戻した後も常に導通を維持している交差部が 82%, 97%,こうして本研究の主目的である「光溶接」の実現が確認で98%とポリエステルシートの場合よりも優位に多い．

きた．
当初は，レーザを用いて紫外エバネッセント場を発生させる予定だったが，ビーム径 1mm のレーザ光を直径数 cmに広げる光学系が完成できなかった．これはコロナ蔓延の影響で，大学内共同利用施設である３D 先端加工センターの工作機械利用が長期間事実上許可されなくなったためである．そこで代替措置として，光学顕微鏡の 70W Xeランプ（紫外光成分が多い）を取り外し，銀ナノワイヤーへの紫外光照射に使用し，実験を行った次第である．上記に記したように，この Xe ランプでも銀ナノワイヤーの「光溶接」が実現できたので，研究目的は達成されたと考えている．
次に，銀ナノワイヤー配線を塗布したプラスチック・シートを 90°に曲げた状態，および平らに戻した状態での電導性を比較し，銀ナノワイヤー配線の屈曲耐性を検証した結果を表２に示す．表の下半分，印刷塗布用に開発された PET（ポリエステル）シートに塗布した場合を見てみよう．領域 1 では，最初の電動性 100%（相対値）が屈曲後平らに戻しても 79%に低下したと言う事は差し引き

表２
銀ナノワイヤー配線を 90°屈曲時の電導性変化
ポリイミドシート上
電屈 曲 90平導前屈に性[%]
曲戻(相中す対[%] と値)[%]
領100 82 77
域1領100 97 99
域2領100 98 99
域3ポリエステルシート上領100 70 79
域1領100 36 72
域2領100 29 37
域3常 に
導 通[%]

可逆的に導通[%]非可逆的に断裂[%]

82-523972198

1170921363628

298

6321%のナノワイヤーが折れてしまい，79%だけが最終的に

この結果は以下のように解釈できるだろう．つまり，印交差部で電気的接触を維持していると解釈できよう．この刷塗布用に開発されたポリエステルシートは，銀ナノワイヤーが強く吸着するようデザインされている．従って，曲銀ナノワイヤー・シートアンテナが受信した 920MHz 搬

げると却って銀ナノワイヤーが折れやすい．他方，疎水性送波（図６B）の変調信号であり，これは RFID 送信機かのポリイミドシートの場合には，屈曲時に一時的にシートら RFID タグへ送られている RFID 番号の問合せコマンから銀ナノワイヤーがはがれ，銀ナノワイヤーどうしの交ドに対応すると考えられる．この変調信号が受信できるな

叉がはずれて電導性がやや低下するが，銀ナノワイヤーはら，RFID 用 IC チップを銀ナノワイヤー・シートアンテ折れていないので，平らに戻すと交叉が復活して，電導性ナに追加するだけで，IC チップの機能としてワイヤレスが回復する，可逆的な電導性を示すのだろう．機械分野で給電の実現や，送信機とのデータのやり取りができると考は塑性変形・弾性変形という概念はポピュラーだが，破壊えてよかろう．

的でなく，「回復力をもつ電気材料」というのは電気分野

図６A では，まだ計測器との接続に SMA コネクタを使では新しい概念ではなかろうか．この試験に基づき，吸着用しているため，アンテナとコネクタのはんだ付け部分に力が弱めのプラスチック・シートを基板に使うことにより，亀裂が生じやすく，この部分の屈曲耐性に問題がある．だ

電気的な屈曲耐性が実現すると期待できる．

が直流抵抗については，この銀ナノワイヤー・シートアン

3・3

３D 加工機を使った精密印刷技術による銀ナノワイヤー・シートアンテナの作製

15,16)

テナ自体は半径 1mm の曲げにも耐えられる屈曲耐性を示していることを確認しており，大きな可能性がある．

市販のシートアンテナの形を模して，正確に銀ナノワイヤー分散液を塗布できるよう，3D 加工機の改造を行った（図５）．エンドミルを固定する部分に金属ノズルを固定し，シリンジポンプからテフロンチューブ経由で一定流量で送り，プラスチック・シート上にシートアンテナ形状に従って銀ナノワイヤー分散液を塗布した．
シリンジポンプ

移動ステージ

図６ 銀ナノワイヤーを塗布して作った RFID 用受信アンテナの受信性能試験

図５ 3D 加工機を改造した銀ナノワイヤー精密塗布装置

今後，本研究で開発した光溶接技術を活用して，高く，安定した電導性を示す銀ナノワイヤー堆積配線をマイク

3・4

銀ナノワイヤー・シートアンテナを使ったワイロ波通信に活用して行きたい．5G から 6G へと，ワイヤヤレス給電の実現可能性 15,16)

レス無線技術への期待は高まっており，小電力デバイス用銀ナノワイヤーの電導性が向上したので，次段階の研究課題に挑戦した．具体的には，プラスチック・シートに塗途でも小型シートアンテナを印刷技術で製造することは価値があろう．

布して作成した銀ナノワイヤー・シートアンテナがスマホの Wi-Fi と同程度のマイクロ波周波数帯域でアンテナと４．結論して機能するかどうかを研究した（図６A）．このアンテ本研究で導入したラボ用マイクロ波オーブンは大きなナは，ワイヤレス給電の受電アンテナをめざしたもので，効果があり，作製された銀ナノワイヤーは，従来法と比較

皮膚に貼り付けて心拍数・血中酸素濃度を計測するセンサ

して太さ・長さともそろい，スマートフォンの Wi-Fi で使デバイスから電源電池を排し，軽量かつ屈曲耐性のあるシ用される 3GHz 程度のマイクロ波周波数まで高い導電性ートアンテナに置き換えることを念頭に置いている．市販を示した．マイクロ波周波数での長距離ワイヤレス給電応の RFID タグの形状を模して，３D 加工機を使った精密用をめざして，３D 加工機を使って塗布・制作した銀ナノ印刷技術によって屈曲性のあるプラスチック・シートに印

ワイヤー・シートアンテナは市販品の銅箔受電アンテナよ刷塗布した複数の銀ナノワイヤー・シートアンテナの受信りも高い受信性能を示し，銀ナノワイヤー・シートアンテ性能は，市販の RFID タグの３倍から同程度の感度を有しナがワイヤレス給電素子としての実用性をもつことが実（図６C），その実用性・有用性が証明された．図６D は証された．マイクロ波周波数での高い導電性には，（１）比較的低濃度の銀ナノワイヤー分散液を高速塗布するこ

7） S. Hekal, A. Allam, A.B. Abdel-Rahman, R.K. Pokharel:とにより凝集体の生成を抑制すること，（２）塗布後，本“Compact Size Wireless Power Transfer Using Defected

研究で開発した「局所光溶接」により，ミクロな銀ナノワ

Ground Structures”, (2019), Springer.

イヤー交叉点でのみエバネッセント場増強される光電界

8） E. Guenin: “Microwave Engineering of Nanomaterials

による熱的な「溶接」が交叉点での接触電気抵抗を大幅にFrom Mesoscale to Nanoscale”, (2016), Jenny Stanford

下げること，の両者が有効であることが証明された．これ
ら２点の機械加工的な着想をナノテクノロジーに導入しPublishing.
9） H. M. Kingston: “Introduction to Microwave Sample
Preparation: Theory and Practice”, (1989), Anal. Chem.,

たことが，本研究に成果をもたらしたといえよう．

61, 4, 309A.

謝 辞10） A. Tomioka, A. Masuda, S. Fushii, Y. Matsuba, and Y.

本研究は，公益財団法人天田財団 2019 年度一般研究開

Haru: “Role of polyvinylpyrrolidone bound on silver

発助成（AF-2019205-B2）の支援を受けて実施した．ここnanowireに謝意を表します．また，アンテナ特性の測定技術についconductance, sulfuration resistance, and flexibility”,

surface:

Balancing

amongelectricalては大阪電気通信大学工学部電気電子工学科 海老原聡教(2017), Phys. Status Solidi B, 254, 1600717, 1-5.

授の助言を得，自作シートアンテナへの SMA コネクタ接11） A. Tomioka, K. Ozasa, M. Hirayama, H. Tsukamoto, A.

続などについては，同大学実験サポート課の穴瀬敏幸さん，Masuda, Sh. Maeda and M. Kawabata: “Lowered Melting

井口直哉さんにお世話になりました．

Point of Polyvinyl Pyrrolidone Bound 1D Silver
Nanowires”, (2014), Proc. 9th IEEE Int. Conf. Nano /参考文献

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