JP6773332B2 - 電子デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は電子素子を構成要素として含む電子デバイスに関し、特に貼付対象物に貼り付けることが可能なフレキシブルな電子デバイスおよびその製造方法に関する。
超高齢社会を迎えたあるいは迎えつつある、我が国を含む各国にとって、健康寿命を維持管理する医療機器の開発は極めて重要である。近年、生体情報の連続的計測を目的としたウェアラブルエレクトロニクスの開発が進み、腕時計型心拍計や血糖値センサなどのウェアラブルデバイスが実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。
腕や脚等に電子デバイスを直接固定する方法として柔軟性を有する基板を用いる技術も開発されつつある。例えば、湾曲変形可能な電子デバイスとして、複数の突出部からなる櫛状部を備えた樹脂フィルムを用いて形成されるフレキシブル基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、封止樹脂層に発光ダイオード素子を埋設し、その上側にバリアフィルム層を設けて封止シートを形成し、封止シートを基板に平板プレスすることで熱圧着させる発光ダイオード装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
さらに発展した形態として、皮膚のような伸縮性の高い生体組織にシールのように貼り付けることができるデバイスの研究も行われている。表皮と同等の伸縮率を持つ薄膜を用いることで、皮膚に違和感なくデバイスを固定することが可能との指摘がある（例えば、非特許文献２参照）。
また、薄膜を用いたデバイスの例として、例えばポリビニルアルコール、ポリエチレンナフタレート、パリレン−Ｃ等の数μｍ厚の薄膜を利用した回路基板の作製事例が報告されている（例えば、非特許文献３〜５参照）。
総務省，平成２６年版情報通信白書，２０１４ Bauer, S. Nature Mater., 2013, 12, 971-872. D. Kim, et al., Science, 2011, 333, 838-843. M. Kaltenbrunner, et al., Nature, 2013, 499, 458-463. K. Fukuda, et al., Nat. Commun., 2014, 5, 1-8.
特開２０１２−６９６７３号公報 特開２０１３−２５８２０９号公報
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されたフレキシブルデバイスでは、電子素子を封止保持する樹脂層の厚みは例えば３００μｍ以上と厚く、皮膚のような伸縮性の高い生体組織に貼り付けることはできない。
また、上述の非特許文献２〜５では、フレキシブルな基板薄膜の材料として、ポリイミドやポリビニルアルコール、ポリエチレンナフタレート、パリレン−Ｃ等を用いることが記載され、膜厚は１μｍから３０μｍ程度の薄膜を用いることが記載されるのみであり、膜厚を１μｍ未満に薄くすることやその効果については何も触れられていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面が平滑かつ構造が柔軟で、膜厚が１μｍ未満の薄膜を用い、皮膚等の生体組織を含む貼付対象物に対して追従性が高くかつ密着性が良い電子デバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。
さらに、電子素子と導電配線とを、高分子ナノシートを物理的に密着させることにより電気的に接合することで、電子素子と導電配線との接続にハンダ付け等を一切用いることなく形成される電子デバイスおよびその製造方法を提供することを課題とする。
かかる課題を解決するため本発明による電子デバイスは、電子素子と、前記電子素子に密着した高分子ナノシートとを含むことを特徴とする。
また、本発明による電子デバイスの製造方法は、基板上に第１高分子ナノシートを形成するステップと、前記第１高分子ナノシート上に導電配線を形成するステップと、前記導電配線に電子素子の電極が接するように前記電子素子を配置するステップと、第２高分子ナノシートを、前記電子素子および前記導電配線を前記第１高分子ナノシートとの間に挟み込むようにして前記第１高分子ナノシートに密着して貼り合わせ、前記電子素子および前記導電配線を電気的に接続するステップと、前記第１高分子ナノシートから前記基板を分離するステップとを含むことを特徴とする。
本発明の電子デバイスによれば、高分子ナノシート上に電子素子を分子間力によって接着することにより、特に皮膚等の生体組織を含む貼付対象物に糊等を用いずに貼付可能なフレキシブルな電子デバイスを提供することができる。
本発明の電子デバイスの製造方法によれば、簡易な工程により、電子素子を構成要素として含む電子デバイスであり、特に貼付対象物に貼り付けることが可能なフレキシブルな電子デバイスを製造することができる。
本発明の高分子ナノシートを用いた電子デバイスを、腕の内側に貼付けた使用例の一例を示す概念図である。 本発明の実施の形態１の電子素子を有する電子デバイスを示す斜視図である。 同上、電子素子および導電配線を有する電子デバイスを示す斜視図である。 同上、電子素子、導電配線および電源を有する電子デバイスを示す斜視図である。 同上、高分子ナノシート基体を形成する工程を示すものであり、図５Ａは、その上に高分子ナノシート等を製膜するための基板、図５Ｂは、高分子ナノシートを製膜後に高分子ナノシートから基板を分離するために製膜された犠牲層、図５Ｃは、犠牲層上に高分子ナノシートを製膜して形成された高分子ナノシート基体を示す図である。 同上、高分子ナノシートへの導電配線の印刷から電子デバイスの完成までの工程を示す図であり、図６Ａはインクジェットにより導電材料を吐出する工程、図６Ｂは導電配線が形成された高分子ナノシート基体を形成する工程、図６Ｃは図６Ｂの高分子ナノシート基体を水に浸漬させる工程、図６Ｄは犠牲層を溶解して基板が高分子ナノシートから分離された電子デバイスを形成する工程を示す図である。 同上、導電配線を印刷する前に、高分子ナノシート上に形成されたインク受容層を示す図である。 同上、高分子ナノシート両側に紙を接着させ、高分子ナノシートをピンセットで伸長させた様子を示す写真である。 同上、ＬＥＤと導電配線とを高分子ナノシート上で接続し、ＬＥＤを点灯した様子を示す写真である。 同上、ＬＥＤを配置した側とは反対側からＬＥＤと導電配線との接続の様子を示す写真である。 本発明の実施の形態２の電子素子および導電配線を有する電子デバイスを示す斜視図である。 同上、電子デバイスの製造工程を示すものであり、図１２Ａはインクジェットにより導電材料を吐出する工程、図１２Ｂは第１高分子ナノシート上に導電配線を形成して高分子ナノシート基体を形成する工程、図１２Ｃは導電配線が印刷された第１高分子ナノシート上に電子素子を配置して第２高分子ナノシートで覆う工程、図１２Ｄは高分子ナノシート貼合基体を形成する工程、図１２Ｅは図１２Ｄの高分子ナノシート貼合基体を水に浸漬させる工程、図１２Ｆは犠牲層を溶解して基板が第１高分子ナノシートから分離した電子デバイスを形成する工程を示す図である。 同上、銀ナノ粒子からなる導電配線を示す図である。 同上、銀ナノ粒子からなる導電配線のＳＥＭ写真である。 同上、導電配線を所定の温度で熱処理をしたときの、時間と抵抗値の減少率との間の関係を示すグラフである。 同上、導電配線を所定の温度で２５分間熱処理したときの、温度と抵抗値の減少率との間の関係を示すグラフである。 同上、導電配線を伸長させた場合および戻した場合の歪みと抵抗値の変化との間の関係を示すグラフである。 同上、導電配線を印刷した第１高分子ナノシート上にＬＥＤを配置し、その表面を別の第２高分子ナノシートで被覆することで、ＬＥＤを物理的かつ電気的に固定した様子を示す写真である。 同上、導電配線がＬＥＤの電極部に柔軟に追従する様子を示す裏側からの写真である。 同上、ＬＥＤが発光する様子を示す写真である。 同上、発光したＬＥＤと導電配線との接続の様子を示す裏側からの写真である。 同上、ＬＥＤを取り付けた高分子ナノシートで形成した電子デバイスを皮膚表面へ貼付けた写真である。 同上、導電配線が皮溝の内部まで追従している様子を示す写真である。 本発明の実施の形態３のジャンパー配線の製造工程を示すものであり、図２４Ａは非導電性の高分子ナノシートを水中に浸漬させた様子、図２４Ｂは導電糸の両端をピンセットで摘みながら水中の高分子ナノシートに近づけた様子、図２４Ｃは高分子ナノシートが導電糸の周囲に巻き付くようにして導電糸を被覆する様子、図２４Ｄは導電糸の周りに高分子ナノシートが被覆されたジャンパー配線を示す図である。 同上、銀繊維からなる導電糸を示す写真である。 同上、導電糸にポリ乳酸からなる高分子ナノシートを被覆したジャンパー配線を示す写真である。 同上、ジャンパー配線により複数の電子デバイスを電気的に接続して形成した複合電子デバイスを示す写真である。
以下、本発明に係る電子デバイスおよびその製造方法について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の後述する高分子ナノシートを用いた電子デバイス１を、貼付対象物２たる腕の内側に貼付けた、使用例の一例を示すものである。当該電子デバイス１は、皮膚等の貼付対象物２に貼付けることで、脈拍数やスキンコンダクタンスを測定したり、汗感知を行ったりすることができ、生体医療用の電子デバイスとして使用することができる。本発明に用いる高分子ナノシートは膜厚を１μｍ未満とすることで、電子デバイス１を非常に薄型化することができ、かつ、糊等を用いずに貼付可能であることから、不快な装着感を感じさせずに使用することができる。なお、貼付対象物２は、人の皮膚に限定されるものではなく、臓器や人以外の動物や昆虫、食品、エラストマー表面等であってもよい。
次に、図２から図１５を基に本発明の実施の形態１について説明する。図２は、本発明の実施の形態１の電子デバイス１を示す斜視図である。電子デバイス１は、電子素子４と、電子素子４に密着した高分子ナノシート３を含む。ここでは、高分子ナノシート３が電子素子４の１面全体を覆うように密着している。電子素子４は、１個であってもよいし、複数個設けられてもよい。
電子素子４は、高分子ナノシート３上に分子間力によって接着される。また、高分子ナノシート３を用いているので、皮膚等の貼付対象物２に糊等を用いずに貼付可能である。また、高分子ナノシート３が電子素子４の一面全体を覆うように密着することで、高分子ナノシート３が電子素子４に追従し、これらの間の接着性を高めることができる。
図３は、図２の電子デバイス１に対して、高分子ナノシート３上に、電子素子４と電気的に接続された導電配線５がさらに形成されている電子デバイス１を示すものである。高分子ナノシート３が電子素子４に対して物理的に密着し、追従するので、電子素子４は高分子ナノシート３に分子間力で強く接着される。この際、高分子ナノシート３上の導電配線５上に電子素子４の電極８が配置されるようにすると、導電配線５と電極８が圧着されて、導電配線５と電極８との間の分子間力も強められる。これにより、導電配線５を電子素子４の電極８に強い接着力で接続することができ、ハンダ付け等を一切行わずに、導電配線５を電子素子４に電気的に接続することができる。
電子素子４としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子や、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ等の能動部品、および、抵抗やインダクタ、コンデンサ等の受動部品を挙げることができる。また、歪センサ等の各種センサや、ＲＦＩＤタグを高分子ナノシート３に密着させて電子デバイス１を作製することもできる。
図４は、図３の電子デバイス１に対して、高分子ナノシート３上に、電子素子４たる能動部品６に電力を供給する電源７がさらに配置されている電子デバイス１を示すものである。このようにして、能動部品６に対して電力を供給する電源７を一体に備えた電子デバイス１を提供することができる。電源７としては、太陽電池や大容量キャパシタを使用したキャパシタ電池等の電池を使用することができる。また、電源７は、非接触ＩＣカードで用いられるような誘導用コイルで電子素子４に電力を供給するものであってもよい。
本発明で用いる高分子ナノシート３としては、例えば、合成高分子や天然高分子、ゴム、エラストマー等の高分子を材料とすることができる。より具体的には、高分子ナノシート３が、ポリスチレンイソプレンスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、キトサン、アルギン酸、酢酸セルロース、ヒアルロン酸、ゼラチン、および、コラーゲンのうちのいずれか一つからなることが好ましい。こうした材料を用いることで、皮膚等の貼付対象物２への密着性や伸縮性の高い電子デバイス１を提供することができる。なお、高分子ナノシートについては、一例として以下の文献を参考に挙げることができる。
T. Fujie and S. Takeoka, in Nanobiotechnology, eds. D. A. Phoenix and A. Waqar, One Central Press, United Kingdom, 2014, pp. 68-94.
図５および図６を基に本実施の形態にかかる電子デバイスの製造工程について説明する。初めに、図５Ａで、その上に高分子ナノシート３等を製膜するための基板11を準備する。基板11は、電子デバイス１を皮膚等の貼付対象物２に貼り付ける際に高分子ナノシート３から分離される。基板11としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰ（ポリプロピレン）やＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＣＯＰ（シクロオレフィン）、ＰＩ（ポリイミド）、アルミ箔、導電性高分子膜、紙、多糖膜、シリコーン樹脂、オブラート（ゼラチン）、シリコンウェハ、ガラス等を用いることができる。本実施の形態では、ＰＥＴフィルム（Ｌｕｍｉｒｒｏｒ２５Ｔ６０，パナック社製）を使用した。
図５Ｂで、犠牲層12を基板11上に製膜する。この犠牲層12は高分子ナノシート３を製膜後に高分子ナノシート３から基板11を分離するために用いられる。製膜方法は、グラビアコータ（図示せず）を用いたロールツーロール技術によるものであってもよいし、スピンコータ（図示せず）を用いるものであってもよい。ロールツーロール技術では、スピンコータを用いた場合より、大きな面積で製膜することができる。本実施の形態では、グラビアコータ（ＭＬ−１２０，廉井精機社製）を用いて製膜を行った。製膜条件の一例として、回転数は３０ｒｐｍ、線速は１．３ｍ／ｍｉｎ、乾燥温度は１００℃とした。犠牲層12の材料としては、水溶性のポリビニルアルコール（ＰＶＡ、関東化学社製、２ｗｔ％ ｉｎ ｗａｔｅｒ）を使用した。
図５Ｃで、犠牲層12上に高分子ナノシート３を製膜して、基板11、犠牲層12および高分子ナノシート３からなる高分子ナノシート基体13を形成する。高分子ナノシート３の厚さは１μｍ未満であることが好ましい。高分子ナノシート３の厚さが１μｍ未満であると、皮膚等の貼付対象物２への追従性が高く、密着性を高めることができる。特に、膜厚が２５０ｎｍ以下であると追従性がより高く、密着性も高まる。膜厚が１μｍ以上であると電子素子４や貼付対象物２に対する追従性が劣る。高分子ナノシート３は、上述した犠牲層12と同様に、グラビアコータ（図示せず）を用いたロールツーロール技術やスピンコータ等の製膜方法を用いて製膜することができる。本実施の形態では、ポリスチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ，Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ Ｊａｐａｎ社製，３ ｗｔ％ ｉｎ ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）を使用した。製膜方法はグラビアコータを用いたロールツーロール技術を使用し、製膜条件として、回転数は３０ｒｐｍ、線速は１．３ｍ／ｍｉｎ、乾燥温度は１００℃とした。
続いて、図６Ａに示すように高分子ナノシート３上にインクジェットにより導電材料23を吐出し、図６Ｂに示すように、高分子ナノシート３上に導電配線５を形成する。本実施の形態では、インクジェットプリンタ（ＤＣＰ−Ｊ５４０Ｎ，ブラザー工業社製）（図示せず）を用いて、銀ナノ粒子21（Ｄｒｙｃｕｒｅ Ａｇ−Ｊ ４ｍＰａ・ｓ，コロイダル・インク社製，粒径１５ｎｍφ）からなる配線パターンを、高分子ナノシート３の表面に描画した。
なお、導電配線５を形成する材料としては、例えば、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、導電性高分子、および、ナノ炭素材料のうちの少なくとも一つを用いることができる。特に、銀、金、銅またはニッケル等の金属ナノ粒子を用いることで、比較的入手が容易で抵抗率の低い材料を用いることができるので好ましい。また、配線パターンの形成方法として、前述したインクジェット印刷の他、オフセット印刷、スクリーン印刷等の簡便な方法を用いて、高分子ナノシート３上に導電配線５を印刷して形成することができる。
続いて、図６Ｃに示すように、図６Ｂの導電配線５を印刷した高分子ナノシート基体13の周囲に紙テープからなるフレーム22を設け、例えば水からなる剥離液16に浸漬させる。この工程により、犠牲層12が溶解して基板11が高分子ナノシート３から分離される。
続いて、図６Ｄに示すように電子素子４を高分子ナノシート３に密着させると共に導電配線５と電気的接続を行うことで、電子デバイス１を作製することができる。
なお、図７に示すように、導電配線５を印刷する前に、高分子ナノシート基体13上に、インク受容層14をさらに形成してもよい。インク受容層には、キトサン、ポリ酢酸ビニル、酢酸セルロース、ゼラチン、シリカ、および、カチオン性アクリル共重合体が望ましい。インク受容層14上に導電配線５を印刷することで、導電材料23を含むインクが弾かれることなく、微細な導電配線５をより精確に形成することができる。本実施の形態では、インク受容層14として、カチオン性アクリル共重合体（ＮＳ−６００Ｘ，高松油脂社製）を使用した。製膜方法は、上述した犠牲層12および高分子ナノシート３と同様に、グラビアコータを用いたロールツーロール技術を使用し、製膜条件として、回転数は３０ｒｐｍ、線速は１．３ｍ／ｍｉｎ、乾燥温度は１００℃とした。
なお、犠牲層12は必ずしも形成する必要はない。例えば、基板11と高分子ナノシート３とを密着性がそれほどよくない組み合わせとし、高分子ナノシート基体13の周囲に形成した紙テープからなるフレームを使用するなどして、犠牲層12を設けることなく、高分子ナノシート３を基板11から分離することも可能である。
図８に、上述した高分子ナノシート基体13を水16に浸漬させて犠牲層12たるＰＶＡ層を溶解し、基板11たるＰＥＴフィルムを分離することで形成した、自己支持性を有する高分子ナノシート３たるＳＢＳナノシート15の写真を示す。同図は、ＳＢＳナノシート15両側に紙17を接着させ、ＳＢＳナノシート15をピンセットで伸長させた様子を示している。ＳＢＳ溶液の濃度を変えてＳＢＳナノシート15を作成し、剥離したＳＢＳナノシート15を平滑なシリコン基板上に貼付けて原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて膜厚を測定したところ、ＳＢＳの濃度依存的に膜厚が増加することが確認された。調製したＳＢＳナノシート15は、高い伸縮性を示し、ＳＢＳの構成ユニットの一つであるポリスチレンからなるナノシートと比べて約２０倍低い弾性率（４０ＭＰａ，膜厚２１２ｎｍ）を示した。
図９および１０は、導電配線５を印刷した高分子ナノシート３上に、電子素子４たる表面実装型ＬＥＤ26（１．５ｍｍ×３．０ｍｍ×０．６ｍｍ）を配置して、ＬＥＤ26を物理的かつ電気的に固定し、ＬＥＤ26が発光することを示した写真である。図９はＬＥＤ26が配置された側から観察した写真であり、図１０はその裏面側から観察した写真である。これらの写真から、導電配線５がＬＥＤ26の電極部27に柔軟に追従する様子が確認された。
なお、通常は、電子素子４を配置した側をおもて面として、高分子ナノシート３を貼付対象物２に貼付けるのに対し、電子素子４を配置した側を貼付対象物２側にして貼付けるようにしてもよい。このような構成にすることにより、電子素子４が高分子ナノシート３で覆われた面がおもて面になるので、電子素子４を外部から保護することができる。
次に、図１１から２３を基に、本発明の実施の形態２を説明する。なお、上記実施の形態１と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図１１は本実施の形態の電子デバイス１の概略図であり、図１２は電子デバイス１の製造工程の一例を示す概略図、図１３〜１７は本実施の形態で作製した銀ナノ粒子21からなる導電配線５を有する高分子ナノシート３の特性評価結果を示す図、図１８〜２３は実際に製造した電子デバイス１を示す写真である。
本実施の形態では、高分子ナノシート３に電子素子４や導電配線５、電源７を配置する基本構成は実施の形態１と同じである。ただし、実施の形態１とは、当該電子素子４等を第１高分子ナノシート31上に配置し、第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32とが密着して貼り合わされた構造からなり、電子素子４等が、第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32との間に挟み込まれている点で相違する。
図１１および１２では、第１高分子ナノシート31上に電子素子４および導電配線５が配置されているが、実施の形態１と同様に、電子素子４のみ、または、電子素子４、導電配線５および電源７が配置されてもよい。このように電子素子４等を２枚の第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32で挟み込むことにより、高分子ナノシート（第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32）と電子素子４との間の密着性を高め、さらに電子素子４を外部から物理的に保護することができる。
なお、第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32の厚さも、それぞれ１μｍ未満であることが好ましい。
また、第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32の材料も、それぞれポリスチレンイソプレンスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、キトサン、アルギン酸、酢酸セルロース、ヒアルロン酸、ゼラチン、および、コラーゲンのうちのいずれか一つからなることが好ましい。
次に、図１２を基に、本実施の形態にかかる電子デバイス１の製造工程について説明する。ここで示す製造工程において、図１２Ａおよび図１２Ｂに示す工程は、実施の形態１の図６Ａおよび図６Ｂに示す工程と同様であり、図１２Ａはインクジェットにより導電材料23を吐出する様子を示し、図１２Ｂは高分子ナノシート基体13の第１高分子ナノシート31上に導電配線５が形成されたものである。
図１２Ｃで導電配線５が印刷された第１高分子ナノシート31上に電子素子４を配置し、電子素子４を第１高分子ナノシート31に密着させると共に導電配線５と電気的接続を行う。続いて第１高分子ナノシート31と貼り合わせるための第２高分子ナノシート32を準備する。このとき、第２高分子ナノシート32には周囲に紙テープからなるフレーム17を設けている。そして、図１２Ｄに示すように、第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32とを貼り合わせ、高分子ナノシート貼合基体33を作製する。
図１２Ｅおよび図１２Ｆに示す工程は、実施の形態１の図６Ｃおよび図６Ｄに示す工程と同様である。図１２Ｅで、図１２Ｄの高分子ナノシート貼合基体33を、例えば水からなる剥離液16に浸漬する。この工程により、犠牲層12が溶解して、基板11が第１高分子ナノシート31から分離され、図１２Ｆに示す電子デバイス１を作製することができる。
なお、実施の形態１と同様に、犠牲層12を形成する工程を省略することができる。例えば、基板11と第１高分子ナノシート31とを密着性がそれほどよくない組み合わせとし、第２高分子ナノシート32の周囲に形成した紙テープからなるフレームを使用するなどして、犠牲層12を設けることなく、第１高分子ナノシート31を基板11から分離することも可能である。
以上のように、本実施の形態の電子デバイス１は、電子素子４を第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32で挟む構造となっており、上述したような電子デバイス１の製造方法によれば、簡易な工程により高分子ナノシート３を用いた電子デバイス１を製造することができる。
また、実施の形態１で述べたように、第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32の少なくとも一方の高分子ナノシート上にインク受容層14をさらに備え、導電配線５をインク受容層14上に印刷するようにしてもよい。
次に、本実施の形態で作製した銀ナノ粒子21からなる導電配線５を有する高分子ナノシート３の特性評価の一例について説明する。まず、基板11たるＰＥＴフィルム上に製膜した第１高分子ナノシート31たるＳＢＳナノシート15（膜厚：３８３±２１ｎｍ）の表面に、カチオン性インク受容層14（膜厚：１１５±２６ｎｍ）を製膜した。次に、図１３に示すように、インクジェット印刷を利用して、銀ナノ粒子21からなる導電配線５（厚さ１５９±５５ｎｍ、線幅：＞０．３７ｍｍ）を形成した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により導電配線５を観察したところ、図１４に示すように、導電配線５は銀ナノ粒子21の集積体であることが認められた。
また、導電配線５を形成したＳＢＳナノシート15に熱処理を施したところ、図１５に示すように、抵抗値が３桁以上低下した。特に、８０℃以下における熱処理と比較して、１００℃以上の熱処理では、抵抗値の減少が顕著である。図１６に示すように、２５分間以上の熱処理を施した場合に、シート抵抗が、熱処理前の１．２２×１０４Ω／ｓｑから１０．５Ω／ｓｑまで低下することが明らかになった。
さらに、ＳＢＳナノシート15の伸縮性を利用して、ＳＢＳナノシート15を伸長させた場合および戻した場合の導電配線５の抵抗値変化を計測したところ、図１７に示すように、１８０％以上伸長させた場合でも、可逆的な抵抗値変化を示した。以上より、導電配線５を有するＳＢＳナノシート15は、導電性と伸縮性に優れていることが確認された。こうした特性から、導電配線５を有するＳＢＳナノシート15は、例えば回路基板や歪ゲージといった電子デバイス１としての応用が期待される。
なお、上記した抵抗値測定は、本実施の形態に沿った形で、導電配線５を第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32（第１高分子ナノシート31と同様なＳＢＳナノシート）で挟みこんだ試料を用いて行っている。しかし、前述した回路基板や歪ゲージなどとして用いる場合に、実施の形態１のように単層のナノシートを用いることも可能である。
図１８は、導電配線５を印刷したＳＢＳからなる第１高分子ナノシート31上に、実施の形態１と同様の表面実装型ＬＥＤ26を配置し、その表面をＳＢＳからなる別の第２高分子ナノシート32で被覆することで、ＬＥＤ26を物理的かつ電気的に固定したものである。これらの密着されたＳＢＳからなる高分子ナノシート３の裏側から導電配線５およびＬＥＤ26を観察したところ、図１９に示すように、導電配線５がＬＥＤ26の電極部27に柔軟に追従する様子が確認された。第１高分子ナノシート31および第２高分子ナノシート32に挟まれたＬＥＤ26は、図２０および２１に示すように、ハンダ付け等の化学的接合がなくても発光した。
さらに、ＬＥＤ26を取り付けた高分子ナノシート３で形成した電子デバイス１を用いて、貼付対象物２たる皮膚表面への貼付性、および、ＬＥＤ26の動作性について検証した。図２２に示すように、高分子ナノシート３の周囲に紙テープからなるフレーム22を設けることで、ひび割れを生じることなく電子デバイス１を皮膚表面に貼付けることができた。さらに、電子デバイス１から導電線37を引き出して、３Ｖの電池を接続したところ、２箇所のＬＥＤ26が皮膚上で点灯することを確認できた。また、図２３に示すように、導電配線５は皮溝36の内部まで追従しており、ＳＢＳからなる高分子ナノシート３の高い追従性が示された。
次に、図２４〜２７を基に本発明の実施の形態３を説明する。なお、上記実施の形態１あるいは２と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略して詳述する。図２４は本実施の形態の高分子ナノシート41を用いたジャンパー配線47の製造工程を示す概略図であり、図２５〜２７は実際に製造したジャンパー配線47および複合電子デバイス50等の写真である。
始めに、図２４Ａで、非導電性の高分子ナノシート41を水42の中に浸漬する。続いて、図２４Ｂに示すように、導電糸43の両端を例えばピンセット44で保持しながら水42の中の高分子ナノシート41に近づける。このことにより、高分子ナノシートを、図２４Ｃに示すように、導電糸43の周囲に巻き付くようにして導電糸43を被覆することができる。このようにして、図２４Ｄに示すように、導電糸43の両端部分の導電領域45と、導電糸43の周りに高分子ナノシート41が被覆された非導電領域46とに分けられたジャンパー配線47を作製することができる。
本実施の形態では、導電糸43として、銀繊維からなる導電糸（ＡＧＰＯＳＳ撚糸，三ツ冨士繊維工業社製）を使用した。図２５は高分子ナノシートで被覆する前の導電糸43を、図２６は、当該導電糸43にポリ乳酸からなる高分子ナノシート３を被覆した非導電領域46を示すものである。
このジャンパー配線47は、例えば実施の形態１および２の導電配線５を有する高分子ナノシート３上に接合することが可能である。図２７は、高分子ナノシート３にＬＥＤ26を搭載した第１電子デバイス48と、高分子ナノシート３上に導電配線５を有する第２電子デバイス49とを、ジャンパー配線47により電気的に接続し、電圧を印加することで、ＬＥＤ26の点灯を確認し、導通することを実証したものである。これにより、物理的および電気的に分離して配置された複数の電子デバイス48，49を、高分子ナノシート41で被覆したジャンパー配線47で電気的に接続し、複合電子デバイス50を形成することができる。
上記に説明したような実施の形態１の電子デバイス１およびその製造方法によれば、膜厚が１μｍ未満の高分子シート３上に電子素子４を分子間力によって接着した状態で、皮膚等の貼付対象物２に糊等を用いずに高い追従性で貼付可能な電子デバイス１を提供することができる。
また、導電配線５および電源７を高分子ナノシート３上に形成することで、ハンダ付け等を一切用いることなく、能動部品６を搭載した電子デバイス１を実現することができる。
さらに、導電配線５をインク受容層14上に印刷することで、導電材料23を含むインクが弾かれることなく、微細な導電配線５をより精確に形成することができる。
また、実施の形態２の電子デバイス１およびその製造方法によれば、第１高分子ナノシート31と第２高分ナノシート32との間に電子素子４等を挟み込むことで、高分子ナノシート３と電子素子４との間の密着性を高め、さらに電子素子４を外部から物理的に保護することができる。
また、実施の形態３のジャンパー配線47によれば、導電糸43を非導電性の高分子ナノシートで41被覆して、導電領域45と非導電領域46とを有するジャンパー配線47を形成し、物理的および電気的に分離して配置された複数の電子デバイス48，49を、当該ジャンパー配線47で電気的に接続することで、複数の電子デバイス48，49で形成された複合電子デバイス50を形成することができる。
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は種々の変形実施をすることができる。例えば、高分子ナノシート３の材料は上記実施例で例示したものに限られず、分子間力で電子素子４等を接着可能な高分子ナノシート３であれば種々の材料が適用可能であり、導電配線５の材料も、導電性の材料であれば、種々の材料が適用可能である。また、導電配線５の形成方法も、印刷によるものに限定されるものではない。さらに、電源７は、高分子ナノシート３上または第１高分子ナノシート31と第２高分子ナノシート32との間に形成されるのが好ましいが、電子デバイス１の外部に設け、電子デバイス１内部の導電配線５と接続するようにしてもよい。
本発明に係る電子デバイス１は、皮膚や臓器等の貼付対象物に貼付けることで、脈拍数やスキンコンダクタンスを測定したり、汗感知を行ったりすることができ、高齢者や患者向けの生体医療用の電子デバイス１として、および、スポーツアスリートの生体モニタリング用の電子デバイス１として使用されることができる。また、例えば、電子素子４としてＲＦＩＤタグを使用することで、皮膚等に電子デバイス１を貼付けた入場者に対して、入場ゲートでチェックを行い、チケットの機能を代替することもできる。さらに、本発明は、電子デバイス１を臓器や人以外の動物や昆虫に取り付けて、その位置情報等を追跡することにより、生態調査に応用されることができる。また、本発明は、生産地や生産者等の情報を記憶した電子デバイス１を食品等の商品に貼付けることで、商品のトレーサビリティに応用されることもできる。
１ 電子デバイス
３ 高分子ナノシート
４ 電子素子
５ 導電配線
６ 能動部品
７ 電源
８ 電極
11 基板
12 犠牲層
14 インク受容層
21 銀ナノ粒子
31 第１高分子ナノシート
32 第２高分子ナノシート

Claims (11)

  1. 電子素子と、
    前記電子素子の電極が形成されている１面全体を覆うように、かつ分子間力により前記電子素子と密着した厚さが１μｍ未満の高分子ナノシートと、
    前記高分子ナノシート上に形成され、前記電子素子の電極と分子間力により密着し、電気的に接続する導電配線と、
    を含むことを特徴とする電子デバイス。
  2. 前記高分子ナノシート上にインク受容層をさらに備え、前記導電配線が前記インク受容層上に印刷されて形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
  3. 前記電子素子は能動部品であり、前記能動部品に電力を供給する電源が、前記高分子ナノシート上にさらに配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイス。
  4. 前記高分子ナノシートが、ポリスチレンイソプレンスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、キトサン、アルギン酸、酢酸セルロース、ヒアルロン酸、ゼラチン、および、コラーゲンのうちのいずれか一つからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子デバイス。
  5. 前記高分子ナノシートに厚さが１μｍ未満の他の高分子ナノシートが密着して貼り合わされており、前記電子素子は、前記高分子ナノシートと前記他の高分子ナノシートとの間に挟み込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイス。
  6. 前記電子素子は能動部品であり、前記能動部品に電力を供給する電源が、前記高分子ナノシートと前記他の高分子ナノシートとの間にさらに挟み込まれることを特徴とする請求項５に記載の電子デバイス。
  7. 前記高分子ナノシートおよび前記他の高分子ナノシートが、それぞれポリスチレンイソプレンスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、キトサン、アルギン酸、酢酸セルロース、ヒアルロン酸、ゼラチン、および、コラーゲンのうちのいずれか一つからなることを特徴とする請求項５または６に記載の電子デバイス。
  8. 前記導電配線が、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、導電性高分子、および、ナノ炭素材料のうちの少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子デバイス。
  9. 前記金属ナノ粒子が、銀、金、銅、および、ニッケルのうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項８に記載の電子デバイス。
  10. 基板上に厚さが１μｍ未満の第１高分子ナノシートを形成するステップと、
    前記第１高分子ナノシート上に導電配線を形成するステップと、
    前記導電配線に電子素子の電極が接するように前記電子素子を配置するステップと、
    厚さが１μｍ未満の第２高分子ナノシートを、前記電子素子および前記導電配線を前記第１高分子ナノシートとの間に挟み込むようにして前記第１高分子ナノシートに密着して貼り合わせ、前記電子素子を前記第１高分子ナノシートに分子間力で接着し、前記電子素子の電極と前記導電配線とを分子間力で密着して電気的に接続するステップと、
    前記第１高分子ナノシートから前記基板を分離するステップと
    を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  11. 前記第１高分子ナノシートを形成するステップにおいて、前記基板上に前記第１および第２高分子ナノシートを溶解しない溶剤で溶解可能な犠牲層を形成した後に、前記犠牲層上に前記第１高分子ナノシートを形成し、前記基板を分離するステップにおいて、前記犠牲層を前記溶剤で溶解して前記第１高分子ナノシートから前記基板を分離することを特徴とする請求項１０に記載の電子デバイスの製造方法。
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