銅薄膜マイクロコルゲーション塑性加工による次世代フレキシブルデバイス用伸縮性配線の研究開発
東京大学大学院 新領域創成科学研究科准教授 高松 誠一（2019 年度 一般研究開発助成 AF-2019017-B2）
キーワード：銅薄膜，マイクロコルゲーション，塑性加工

１．研究の目的と背景
近年の IoT デバイス・センサの普及に伴い人に取り付け可能なデバイスが求められており，人の動きに合わせて伸縮可能なストレッチャブルデバイスの開発が必要とされている．ストレッチャブルデバイスの作製方法として，デバイスの大部分を占めるのは配線であるため，配線部分に伸縮性を持たせることでデバイスに伸縮性を持たせる方法が提案されている．
ストレッチャブル配線の作製方法は導電性ゴムを用いるものと波状に加工した金属配線に大別され(1)，電気的な安定性の点で後者の方が優れている．金属を波状に加工する場合，基板の面内方向に波を形成した横波構造と，基板

図 1の垂直方向に波を形成した縦波構造の 2 種類の構造が考え

チ法を組み合わせた縦波構造を持つ伸縮性金属配線のられる．横波構造の波状金属配線は加工が容易であり，作製方法．

本研究で提案するコルゲート加工とプリストレッ

100 % の高い伸縮性を示すものも報告されているが(2)，高い伸縮性を持たせるためには 1 mm 近い太い配線幅が必要に

２．提案手法と伸びの予測モデルなり，配線の占める面積が大きくなってしまう．一方，縦本研究で提案する縦波構造を持つストレッチャブル配波構造を持つ金属配線は高密度な配線が作製できるが，縦線作製手法を図 1 に示す．まず短冊状に切った銅箔を一対波構造の作製には予め伸長した基板の上に金属膜を載せ，の歯車に送り，コルゲート加工によって縦波構造を形成す基板の戻る力を用いて縦波構造を作製するというプリスる．コルゲート加工の様子を図 2 に示す．次に加工した銅トレッチ法が主流であり，安定して作製することが難しか

箔をプリストレッチしたシリコーンゴム基板上に接着・硬った．またプリストレッチ法によって作製した縦波構造を化させた後，基板を元の長さに戻す（プリストレッチ法）．

持つ金属配線の伸長率は，高いものでも 100 % 程度であり最後に，配線全体をシリコーンゴムで被覆し，脱型する．

(3)，また伸長率を高くするために金属薄膜を薄くし抵抗値が高く(数 10～数 100Ω)なっているものも見受けられた(4)．
縦波構造を形成する方法として，我々は銅箔を歯車により曲げ加工するコルゲート加工を提案してきた(5)．コルゲー
ト加工では波の形状は歯車の形状・歯車間の距離によってコントロールできるため，縦波形状を安定して作製することができる．一方，コルゲート加工により作製した配線の伸長率は 40 % 程度であり，伸縮性の改善が求められていた．
そこで本研究では，高い伸長率を持つ縦波構造を安定して作製するため，コルゲート加工によって予め金属膜を曲げ加工した上で，プリストレッチした基板に取り付けるという，新規手法を提案する．まず，コルゲート加工におけ

図2

コルゲート加工のイメージ写真．

る銅箔の厚みの影響を調べ，用いる銅箔の厚みを決定した．

コルゲート加工とプリストレッチ法を組み合わせるこ

次に，基板をプリストレッチする量を変え，コルゲート加との利点として，以下の 2 点が考えられる．まず，従来研工にプリストレッチ法を組み合わせることによる伸縮性究におけるプリストレッチ法では，平板な金属薄膜をランの改善について検証した．最後に，提案手法を用いてストダムに座屈させて縦波構造を形成させていた．ゆえに形成ッチャブルデバイスを試作した．

される縦波波形のコントロールが困難であり，作製安定性に難があった．そこで本提案手法のようにコルゲート加工と組み合わせることで，あらかじめ金属箔にいわば「折り目」を付けた後，波形のピッチを縮めるためにプリストレッチ法を利用することができ，波形形状を安定させた状態で配線を作製することが出来る．また，従来研究でのプリストレッチ法では座屈を発生させて縦波構造を形成する

図3

波状配線の伸縮性を予測するための幾何モデル．

ため，金属薄膜は数 nm から数十 nm 程度であることが多かった(4)(6)．そのため，抵抗値が高くなり，配線として応用

３．実験方法するのには限定的であった．一方，コルゲート加工では，コルゲート加工において銅箔の厚みが伸縮性に与える厚み数十μmの銅箔でも作製可能であり，コルゲート加工影響を調査するため，銅箔の厚みが 2, 5, 10, 20 40 µmと組み合わせることで抵抗値の低い配線を実現することのサンプルを作製した．コルゲート加工にはモジュールが可能であると考えられる．

0.15 のギアを用い，歯車間のクリアランスは 40 μmとし波状配線は波形状が直線に戻るまでの距離だけ伸びるた．なお銅箔の長さは 100 mm, 幅 3 mm とし，コルゲートことができると考えれば，配線の伸長率𝑆は配線の波形に加工後に PDMS 基板(信越化学工業株式会社製, KE-1316)おける 1 周期分の曲線長さ𝐿とピッチ𝑝を用いて，以下のに埋め込んだ．なおプリストレッチ基板の伸長率は 0 %と式(1)により予測することが出来る．

した．
作製したサンプルの伸長率は，ソースメーター( ケース(1)𝑆 = 𝐿/𝑝

レー・インスツルメンツ製,2400 SourceMeter )によってここで，1 周期分の曲線長さ𝐿 を求めることを考える．コルゲート加工後の波形状を図 3 のような円弧と直線から成る曲線モデルとして考える．ピッチ𝑝・高さℎ・角度𝜃が分かれば，円弧の半径𝑅と直線部の長さ𝑙はモデルの幾何関係
より以下の式(2)と式(3)を用いて計算することができる．
𝑅=𝑝 sin 𝜃−2ℎ cos 𝜃4(1−cos 𝜃)ℎ sin 𝜃𝑝𝑙 = 1−cos 𝜃 − 2(2)(3)

また 1 周期分の曲線長さ𝐿は𝑅, 𝜃, 𝑙を用いて以下の式(4)ように書くことが出来る．
𝐿 = 4𝑅𝜃 + 2𝑙

抵抗値を測定しながら引張試験機(アイコーエンジニアリング株式会社製, FTN-3001)によって破断するまでサンプルを伸長させることによって評価した．
プリストレッチ基板の伸長率を 0, 25, 50, 75%と変化させて，破断試験を行うことでプリストレッチ法と組み合わせることによる効果を調べた．伸長したプリストレッチ基板を元に戻す際には銅箔の曲げ剛性は小さい方がサンプル作製上扱いやすいため，サンプル作製に用いた銅箔の厚みは 5 μmとした．なおプリストレッチ基板の伸長率 0%と 75%のサンプルについては，破断試験に加えて 50%伸びのサイクル試験も行った．
提案手法によるストレッチャブル配線の実用性を示す
ため，ストレッチャブル配線で LED を接続し，腕輪型のス(4)トレッチャブル回路を作製した．LED(3528 白色チップ LED
8000K LP-3528T35XW-8000)は 7 個並列に配置し，LED 端子式(1)から(4)より，コルゲート加工後の波形状のピッチ𝑝・とストレッチャブル配線の接続には銀ペースト（東洋紡株

高さℎ・角度𝜃が分かれば，配線の伸長率𝑆を予測できる．

式会社製，SSP2801）を使用した．

さらにコルゲート加工とプリストレッチ法を組み合わせた場合を考える．コルゲート加工により銅箔が波状になり４．実験結果

配線長さが𝑎倍(0 < 𝑎 ≤ 1)され，その後プリストレッチ法

プリストレッチ 0%, 75%として作製したサンプルの，断によって配線長さが𝑏倍(0 < 𝑏 ≤ 1)された場合，初期長さ面の光学写真を図 4 に示す．プリストレッチの有無に関わと比較して最終的に配線長さは𝑎 × 𝑏 倍となるため，コルらず安定した縦波構造が作製出来ており，プリストレッチゲート加工とプリストレッチ法を組み合わせた場合の配法と組み合わせることで，波の高さは変わらず，波のピッ線の伸長率𝑆′はチのみが小さくなっていることが分かる．
1𝑆′ = 𝑎×𝑏

製作したサンプルの破断試験を行い，伸長率を評価した．
結果を図 5 にまとめる．なお図 5 には，波の形状(ピッチ・となると考えられる．伸長率はコルゲート加工，あるいは高さ・角度)から予測した伸び量をプロットしている．波

プリストレッチ法をそれぞれ単独で用いた場合に比べて，のピッチ・銅箔の厚みが 10 μmのとき伸長率が最大とな積で影響すると考えられる．

った．これは，銅箔の厚みが薄いほどコルゲート加工後の波の高さが高くなり伸長率が改善するが，銅箔の厚みが 2,5 μmのときは銅箔の引張強度が小さくなり，予測した値

18してしまったためと考えられる．

10.90.80.70.60.50.40.30.20.1016

張力 [N]

141210864200(a)50

図6100150

ひずみ [%]

200

抵抗 [Ω]に到達する前，つまりは銅箔が平面状に伸び切る前に破断

250

プリストレッチ法を用いて作製したストレッチャブル配線の引張試験の測定例．

(b)

図4

作製したストレッチャブル配線の断面写真(a)プリストレッチ 0%(左)0%伸長(b)プリストレッチ 75%．

プリストレッチ法を用いて作製したストレッチャブル配線の引張試験の様子．
計算値
幾何モデルによる予測値
実験値
250

0

図5102030

銅箔の厚み [μm]4050

配線の伸長率 [%]伸長率 [%]図71009080706050403020100（中央）200%伸長 （右）破断時 250%伸長銅箔の厚みによる伸長率の違い．

2001501005000255075100

プリストレッチ基板の伸長率 [%]プリストレッチ法による伸長率の改善
コルゲート加工にプリストレッチ法を組み合わせたサンプルを作製し，破断試験を行った．破断試験の結果の例
を図 6 に，破断試験の様子の一例を図 7 に示す．また破断

図8

プリストレッチ基板の伸長率による配線の伸長率

試験の結果を図 8 にまとめる．今回作製したサンプルの全への影響．
50%ひずみまでの伸縮のサイクル試験を行った結果を図ての場合で抵抗値は 1 Ω/cm 以下であり，破断するまでの9 にまとめる．プリストレッチ 0%のときの破断までの回数

抵抗の変化は±0.1 Ω/cm 以下であった．プリストレッチは最小で 39 回，最大で 126 回であったが，プリストレッ基板の伸長率を 0%にした場合，作製したサンプルの伸長

チ 75%のときは最小で 239 回，最大で 878 回とサイクル試率は 102%であったが，プリストレッチ基板の伸長率を大験の結果が改善した．

きくすることで，伸長率が最大 220%まで改善した．

1） John A. Rogers, T. Someya and Y. Huang :“Materials and Mechanics for Stretchable
Electronics”, Science, Vol. 327, pp. 1603-1607(2010).

[回]

破断までのサイクル引張回数

参考文献

100090080070060050040030020010002） Gonzalez, M. et al. : “Design of metalinterconnects for stretchable electroniccircuits”, Microelectron. Reliab, No. 48, pp.
825–832 (2008).
0255075100

プリストレッチ率 [%]
図9プリストレッチ基板の伸長率による破断までの50%ひずみサイクル試験への影響．

3） S. Wagner, S.P. Lacoura, J. Jonesa, P.I. Hsua,
J.C. Sturma, T. Lib, Z. Suob : “Electronicskin: architecture and components”, Physica E,
Vol. 25, pp. 326-334 (2004)
4） Jones, J., Lacour, S. P., Wagner, S. & Suo,Z. : “Stretchable wavy metal interconnects”,

提案手法によるストレチャブル配線を用いて，腕輪型のストレッチャブル回路を作製した(図 10)．作製した回路はLED を点灯させることができたことからも，提案手法はストレッチャブル回路の作製に利用できると期待される．

J. Vac. Sci. Technol. A Vacuum, Surfaces,Film, No. 22, pp. 1723–1725 (2004)
5） 唐澤 龍, 高松 誠一, 伊藤 寿浩 : “コルゲート加工による微小波構造を利用したストレッチャブル配線の検討”, 第 34 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, (2017).
6） Lacour, S. P., Jones, J., Suo, Z. & Wagner,
S. : “Design and Performance of Thin Metal
Film Interconnects for Skin-Like ElectronicCircuits”, IEEE Electron Device Lett., No. 25,
pp. 179–181 (2004).

図 10

提案手法を用いて作製した腕輪型伸縮性デバイス．

7） Gray, D. S., Tien, J. & Chen, C. S., : “HighConductivity Elastomeric Electronics”, Adv.
Mater., No. 16, pp. 393–397 (2004).

５．考察

8） Brosteaux, D., Fabrice Axisa, Gonzalez, M. &本研究では，コルゲート加工とプリストレッチ法を組み“Design and Fabrication ofVanfleteren, J. :合わせることにより，伸長率 220%を超えるストレッチャ

Elastic Interconnections for Stretchable

ブル配線を作製することができ，50%ひずみのサイクル試

Electronic Circuits”, IEEE Electron Device

験では引張回数が 100 回を超えても破断しなかった．

Lett., No. 28, pp. 552–554 (2007).
9） Marchiori, B., Delattre, R., Hannah, S.,

６．結論

Blayac, S. & Ramuz, M :本研究ではコルゲート加工によって縦波構造を作製し，“Laser-patterned

metallic interconnections for all stretchable

プリストレッチした基板に張り付けることで，高い伸長率organic electrochemical transistors”, Sci.

(100%以上)をもつ縦波状の金属配線を安定して作製した．

Rep., No. 8, pp. 8477 (2018).

先行研究に比べてより伸長率が高く，サイクル試験も良好

10） Jeong, J., Kim, S., Cho, J. & Hong, Y, :な結果（50%ひずみで破断まで 100 回以上引張可能）を示“Stable Stretchable Silver Electrode Directly

し，かつ抵抗値の低い（<1Ω/cm）配線を作製できた．実

Deposited on Wavy Elastomeric Substrate”, IEEE

際に LED を点灯させることが出来たことからも，ストレElectron Device Lett., No. 30, pp. 1284–1286

ッチャブル配線として有用であると考えられる．

(2009).
11） Z. Shen, et al. : “A Soft Stretchable Bending

謝 辞

Sensor and Data Glove Applications”, 2016

本研究は，公益財団法人天田財団 2019 年度 一般研究

IEEE International Conference on Real-Time開発助成 AF-2019017-B2 により行われたものである．支援

Computing and Robotics, 2016, Proceedingsに感謝します．

Paper 88-93 (2016).