清水メディア戦略研究所　清水 計宏　2019年6月25日

SEMIの主催で、5月22日、23日の両日、東京・品川で開催された、「2019 FLEX Japan / MEMS & SENSORS FORUM」は、NASA(米国航空宇宙局) Ames Research Center(エイムズ研究センター)の宇宙探査技術のチーフサイエンティストのDr. Meyya Meyyappan氏の基調講演で幕が開けた。

セッションチェアを務めた日本航空電子工業 商品開発センター センター長 兼分析・評価室長博士(薬学)の中島伸一郎氏の紹介を受けて、Meyya Meyyappan氏は演台に上がった。

Meyyappan氏は、米カリフォルニア州シリコンバレーにあるNASA Ames Research Centerの探査技術のチーフサイエンティスト。2006年6月まで、Ames Research Centerのナノテクノロジーセンターのセンター長を務めた。米ワシントンD.C.の科学技術政策局(OSTP：Office of Science and Technology Policy)が設立したナノテクノロジーに関する省庁間作業部会" Interagency Working Group on Nanotechnology (IWGN)"の設立メンバーであり、この部会では米国のナノテクノロジーに関する計画"National Nanotechnology Initiative(国家ナノテクノロジー戦略)"を担っていることで知られる。

研究分野は、カーボンナノチューブ、グラフェン(Graphene)のほか、さまざまな無機ナノワイヤーとともに、それらの特性評価およびバイオセンサー、計測機器、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクスにおける応用開発など。電気電子学会（IEEE）、電気化学学会（ECS）、米国真空学会（AVS）、米国材料学会（MRS）、英国物理学会（IOP）、米国化学工学会（AIChE）のフェローでもある。

Made In Space社が無重力対応3Dプリンターを開発

Meyya Meyyappan氏は、"Printed Electronics: Innovative Equipment and Application Development(プリンテッドエレクトロニクス：革新的な機器とアプリケーション開発)"をテーマに、NASAが「In-Space Manufacturing（ISM）Project」として推進している、国際宇宙ステーション(略称ISS：International Space Station)におけるプリンテッドエレクトロニクスのオンデマンド製作について語った。

冒頭、約100年前(1913年)に、T型フォードの製造にベルトコンベアーによるライン生産方式を導入し、モータリゼーションを広めた自動車王ヘンリー・フォードの言葉を引用した。

「当時、ヘンリー・フォードは、『いろいろな人びとに、何が欲しいですかと尋ねたら、すごく速い馬が欲しいと答えた』と語っている。しかし、彼はそうした声を無視して、クルマの大量生産に乗り出したのだ。いま私たちがしていることは、まさにこれと同じようななことだ」

ISSでは、地上のようにUPSとかFedExといった国際宅配便があるわけではない。そのため、宇宙で起きる不測の事態に備えるため、かつては厖大な数のスペア(予備部品)を輸送していた。しかし、1kg当たりの打ち上げコストは約1万4000ドルにもなり、全スペアを宇宙に運ぶだけで14億ドルもの費用がかる計算になる。

「ISSには6人ぐらいのクルーが居住して仕事をしている。普通の家と同じように、宇宙船でも不具合が起これば、修理用のいろいろなスペアパーツやコンポーネントが必要になる。しかし、宇宙に大きな倉庫を持つわけにはいかない。必要なものをその都度、地球から送ることも簡単にできない。それで、ISSでインスペース製造できないかというアイデアが10年ぐらい前に考え出された」

ISSの船内で大半のオブジェクトを必要に応じて作り出すことができれば、重量の節約だけでなく、コスト効率を高め、新しいミッションも可能になる。2014年11月に米カリフォルニア州マウンテンビューに本拠を置くNASA傘下のベンチャー企業であるMade In Space(2010年設立)は、最初の無重力対応3Dプリンターを開発し、その実現の端緒を開いた。

「最初の3Dプリンターでは、修理・補修が必要なときに、だいたい100のコンポーネントのスペアパーツをオンデマンドで製造することができた。船内にはコンポーネントのカタログもあった。素材にポリマーを使っていた。その後、2台目の3Dプリンターが2016年6月に宇宙に持ち込まれて使用された」

最初の2台の3Dプリンターは、FFF方式だった。2代目の3Dプリンターは"Advanced Manufacturing Facility(AMF)"として改良され、ABS樹脂、ポリエーテルイミド、密度ポリエチレンでプリンティングができるようになった。

さらに後継機として次世代3Dプリントシステム"Vulcan"が開発されている。これは、チタン、ステンレス鋼、アルミニウムなどの金属を含むより広範囲な30種類以上の材料に対応できる。つまり、3DプリンティングとCNC(Computer Numerical Control)スライス加工のハイブリッド製造システムとなり、宇宙空間で必要な金属部品を高精度に製造できるようになる。

「3台目は、メタルの機能がつくものになった。これは、2020年にデリバリーされる予定だ。今後5年間のうちに、3Dプリンティングに従来の2Dのプリンティングの機能を加えていこうとしている。つまり、とてもフレキシブルな基板やポリマープラスティック、紙といったものを使って、プリントしていこうと検討している」

Meyyappan氏は、ISSにおける2Dプリンティングを付加する必要性について語った。

「ISSのクルーは宇宙服を着ており、そこに装着されたガスセンサーはキャビンの中の空気のクオリティをチェックしている。二酸化炭素など有害なガスが一定以上増えれば、あまり健康には良くないわけで、空気のモニタリングをして常にチェックしている。この宇宙服のガスセンサーが壊れてしまったときに、オンデマンドでプリントしている。これがポリマーの基板を使ったフレキシブルセンサーである」

インクがプリンテッドエレクトロニクスのボトルネックに

フレキシブルセンサーに代表されるフレキシブルエレクトロニクス製品は、配線やセンサー部分に、プリント(印刷)技術で形成するプリンテッドエレクトロニクスを採用し、信号処理回路はシリコンを使用するハイブリッド手法が多く採用されている。

プリント形成できるセンサーには、バイオセンサー、容量センサー、ピエゾ抵抗（圧力）センサー、温度センサー、湿度センサー、ガスセンサー、オプトエレクトロニクスセンサー、放射能センサーなどがある。

ISSにおいては、このうちガスセンサーやバイオセンサーとともに、放射能センサー(Array of Radiation Sensors)を重視している。このセンサーは、高エネルギーの電子線（ベータ線放射性核種）やX線、ガンマ線といった、いろいろなタイプの放射能を測定できる。

「キャビンの中で、こうしたセンサーをプリントして、継続的にモニタリングすることがとても重要である。このほかにも、さまざまな集積回路をフレキシブルな基板にプリントしている。例えば、RFID(Radio Frequency Identifier)、アンテナがある。ただ、こうしたすべてのセンサーには、バッテリーやキャパシター(コンデンサー)といったものも必要になる」

そのためには、素材が異なるいろんなコンポーネントをフレキシブルな基板上に統合していくことになる。トランジスター回路、メモリーデバイス、RFアンテナ、通信用の無線アンテナ、フレキシブルバッテリー、スーパーキャパシター(電気二重層キャパシター)もしくは太陽電池セル、ガスセンサー、バイオセンサーといったものを集積していく。プリントサイズは、ポストカードサイズや手のひらサイズ、A4サイズ、それより大きな大判でもプリントすることができるという。

スーパーキャパシターでは、電気二重層分の容量だけ蓄えることができるものの、パッテリー(電池)では電気二重層に加えて活物質内に大量の電気エネルギーを蓄えることができるため、容量が大きくなる。フレキシブル基板に素材をプリントする際、最も使われているのがインクジェットプリンターである。

「例えば、富士フイルムが、産業用インクジェットプリンター用ヘッドのトップメーカーであるDimatix(ディマティックス)社を買収し、FUJIFILM Dimatixとしてサンタクララで操業している。また、OPTOMEC(オプトマック)はエアロゾルジェット描画装置でプリントを手掛けている」

FUJIFILM Dimatixのピエゾ駆動方式によるオンデマンド・インクジェットヘッドは産業用途に適した高耐久、高速、高精度の特長を持ち、ワイドフォーマットプリンター（グラフィックス用途）やプリンタブル・エレクトロニクスなどの分野に応用されている。

OPTOMECは、金属、電子機器、センサーなどを製造する設備販売を手掛け、立体物（コンフォーマル）への配線描画及びコーティングにおける技術力が評価されている。

「新たなテクノロジーが次々に出てきている。問題はプラスチック基板用の紙や繊維上にプリントした後に、素材によってはポストプロセスとしてアニーリング(焼き戻し)が必要だということだ。これには200度から400度の熱をかけることになり、この熱に耐えられない基板もある。ほかにも製造上の問題があるが、ここでは割愛したい。最も頻繁に起きる問題はやはり加熱への耐力である」

この問題があるため、それに取って代わるテクノロジーとして、4年ぐらい前にプラズマジェットプリント(大気圧プラズマジェット)を開発した。これを使えば1ステップでプリントができ、焼き戻しのポストプロセスも要らなくなる。

これは、導電性・非導電性を問わず、より強力で均一な表面処理を実現できる。ヘリウムのプラズマであれば室温でもかまわない。不活性ガスの窒素、もしくは水素を使った場合では60度から70度まで温度が上がるものの、最高でもそれぐらいで留まる。このプロジェクトに関わっていた研究者が、開発会社をスピンアウトし、NASAにライセンスをして、3年前にサンノゼSpace Foundryという会社を立ち上げ、プラズマジェットプリンターを製造している。

「プラズマジェットプリンターは、FUJIFILM Dimatixのインクジェットプリンターとまったく同じサイズで、誘導体、半導体、導体といったものを全てプリントできる。ノズルサイズでスループットの高低をコントロールできるし、複数の素材に対応したノズルを持つこともでき、CNT(Carbon Nanotube)のプリントに使われた。プラズマがOFFの場合にはエアロゾルプリンターのように機能する。ナノチューブの密度は低く、導線性も低い。プラズマがオンの場合、CNTの密度が非常に高くなり、併せて電導性も高くなる。このことから、このプリンターはとても価値がある」

Meyyappan氏は、銀のナノワイヤーのナノ粒子が綿の生地の上にプリントされている写真をスクリーンに映し出し、非常に高密度の銀が綿の上にプリントされて様子を示した。

「繊維上でプリントする場合、ベンディングサイクル(曲がりサイクル)を共用しなければならない。通常の銀の導電性では安定するまで、20サイクルぐらいかかり、その後に安定する。プラズマプリンターで、プラスチック、紙、繊維上にプリントすれば非常に柔軟性が高い。インクジェットプリンターでは、3Dオブジェクトにはプリントできないが、プラズマプリンターならどんな3Dの物体上でも3Dプリントができる」

3Dプリンターに、プラズマヘッドをオプションツールとして追加すればプラズマジェットプリントができる。3Dプリンターでプラスチックのプリントが終わったあと、その特性を変えたい場合、プラズマプリンターをオンにして、3Dオブジェクト上に電導性を加えることができる。

「プリンテッドエレクトロニクスが直面している大きな問題の一つはインクで、それが現在、ボトルネックになっている。このテクノロジーがIoT市場に対応するために、良いインクが必要になっている。インクを開発しなければ先に進めない」

Meyyappan氏は直面している問題に話を移した。

「導電的なインクというのは通常では銅を使う。銀のインクは非常に高価なためだ。プラチナインクもあるが、化学企業でこのインクを販売しているところはあまりない。誘電製インクもあまりない」として上で、現在の解決法を示した。

「プラズマジェットプリンターによって、いまのところはインクの問題を解決できる。銅のインクはあまりないが、酸化銅のインクは簡単に入手できるためだ。価格も安い。この場合、キャリアガスとしてヘリウムを使うのではなく、ヘリウムに少量の水素を混ぜる。この水素によって、プラズマの中の酸化銅を減らして、その場で銅のインクを使って、銅のプリントができるわけだ」

エアロゾルプリンターやインクジェットプリンターではできないが、プラズマジェットプリンターでは、とても安い酸化銅のインクから銅のナノ粒子を作ることができる。この方法でつくりだしたガスセンサーは、二酸化炭素、一酸化炭素、アンモニアといったガスのモニタリングをして、空気の状態をチェックするとともに、燃料漏れの検知にも使われる。

「プリントセンサーの一つにアンモニアセンサーがあるが、これで1ppmのレベルでアンモニアを検知ができる。これもとてもシンプルなフレキシブル基板上にプリントをしている。数年後には、ISS内でオンデマンドによるプリントが実現する予定だ。フレキシブルセンサーには機械学習のアルゴリズムも入れており、これにより空気の質を非常に正確に検知することが可能となる。しかも、とてもシンプルで安価につくることができる」

このガスセンサーは、単にISS内だけでなく、室内の空気のモニタリング、屋外の空気汚染のモニタリングにも役立てることができ、ユビキタスのアプリケーションとなる。

摩擦電気で"セルフパワーセンサー"が可能に

Meyyappan氏は、紫外線(UV)センサーについても説明した。紫外線は、肌の老化や皮膚癌の要因になったり、眼病リスクを高めたりする。人間の健康や環境への影響の観点から、とりわけ波長 380?200 nm の近紫外線は、 UV-A (400?315 nm)、UV-B(315?280nm)、UV-C (280 nm 未満) に分類されている。

「UVセンシングでは、通常はGaN（ガリウムナイトライド：窒化ガリウム）とか、酸化スズなどを使うが、私たちはシンプルなCNTインクを使っている。半導体インクや金属インクなどが購入できるので、そうしたものを使っている。まずCNTをプリントし、スズのポリマーをカバーしてエンクロージャーする。そうすると、UVだけがポリマーフィルムを通ることになる。こうすることで、UVの感度が高くなり、検知もスピードも速くなる。このUV-Bセンサーを防水型のリストバンド(Wearable UV-B Sensor)上に作ってみた。もちろん、これを付けたまま泳ぐこともできる」

話題は、さらにセンサーに欠かせない電源の話に移った。

「数多くのセンサーを使う上で、必要となるのがmW(ミリワット)レベルのパワーである。ミリワットレベルのため、すぐに電源につなげなければいけないということはない。ミリワットレベルであれば、モーション(動作)とかバイブレーション(振動)を使ってエネルギーを生み出すということができる」

NASAは、センサー向けのメカニカル・エナジーハーベスト（環境発電）として、摩擦で起こる静電気を利用した摩擦電気(Triboelectricity)の有用性に着目している。

「ウエアラブルデバイスは100mW以下でも作動すると、これぐらいだとスマートフォンのチャージもできる。 冬にドアを開けるときなど、静電気でパチっとするときがあるが、そのとき発生する電気のボルテージはキロワット(kW)レベルになり、けっこうボルテージが高い。この摩擦電気を適切に管理できれば、パワーのソースとして使うことができ、外部電源なしでセンシングができることになる」

一般的に、1mWではワイヤレス・センサー・ネットワーク(WSN)に使うことができ、1-100mW ではウエアラブルデバイスやインプラント型デバイスを動かすことができる。100mW以上あれば、スマートフォンやディスプレイデバイスを作動させることができる。

「ここで詳しくは説明しないが、摩擦電気を起こすには、プラスとマイナスがあり、マイナスの素材としてはプラスチックの可能性が高い。プラスの方はシルクとか、紙といったとても安価な素材でできる。この電気をいろいろなニーズに適用することを検討している」

通電順でいうと、プラスの素材として、シルク、アルミニウム、紙、コットン、製織、ニッケル鋼、銅真鍮、銀、ポリビニル、アルコール、ポリエステル、天然ゴム、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレンポリイミド（カプトン）ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリジメチルシロキサン（PDMS）、ポリテトラフルオロエテン（PTFE）が考えられている。

「摩擦電気を利用できれば、"セルフパワーセンサー"のようなものが可能になり、電源の心配のないセンサーができるわけである」

摩擦電気機能をセンサーの後部につけることができる。電気が余るようであれば、フレキシブルバッテリーやスーパーキャパシティを間に入れて、3つをサンドイッチ状にする。一番上がセンサー、一番下に摩擦電気のジェネレーターがある。Meyyappan氏は、"MARS"という文字がLEDで光っている試作デバイスの写真を見せた。

「ここでは銀のインクを使って、スーパーキャパシター(Supercapacitors)をプリントしている。150F/gという数字が出ているが、これはとても素晴らしい値だ。基板に、ジルコニア、ポリイミド、PETといったものを使っていることもある。プリントは、ロールtoロール方式でするということもできる」

Meyyappan氏は、スピーチの最後にバイオセンサーについて語った。バイオセンサーは、バイオマーカー（生物学的指標）であり、クルーズの尿や血液をチェックして健康状態を把握する。

「バイオセンサーは、プリントされたウエラブルセンサーだが、たとえば汗のマーカーを使い、カリシウム含有量から骨密度の状態も把握できる。つまり、汗の検知するスウェットセンサーでカルシウムを測ることで骨密度が分かるわけだ。ほかに、ストレス測定のバイオマーカー(Biomarkers of Psychological Stress)がある。宇宙空間に3カ月以上もいて地上から離れているとストレスレベルがかなり高くなる。また、硬貨(コイン)と同じぐらいのサイズのバイオセンサーもあり、これは血液を検査することができ、心臓病のバイオマーカーとしても使うことができる」

フィルム、紙、繊維といった柔軟性のある材料を用いるプリンテッドエレクトロニクス(PE)市場は、進展するIoTの中核デバイスとして急成長が予測され、その世界市場は何十億ドルから百億ドル規模の市場になると予測も出ている。

「このプリントエレクトロニクスを使うことで、いろいろなデバイスをフレキシブルな基板上にプリントすることができる。私たちは、Ames Research Centerにおいて、オンデマンドでさまざまなコンポーネントをプリントしている。2、3年後には、この機能がISSで普通に使われるようになるだろう」

Meyyappan氏は、「皆さんからもいろいろなフィードバックをいただき、コラボレーションの機会があれば、ぜひともチームとして進めたいと思う」と語って、スピーチを終えた。

【Meyya Meyyappan氏のプロフィールの補足】