理化学研究所（理研）専任研究員の福田憲二郎氏らの研究グループは2021年12月23日、早稲田大学と共同で、接着剤を用いずに高分子フィルム上に成膜された金同士を電気的に直接接続する技術を開発したと発表した。次世代のウェアラブルデバイスでの配線技術や、フレキシブルエレクトロニクスの集積化に向けたフレキシブルな実装技術への応用が期待できる。
研究グループは今回、水蒸気プラズマを用いる新しい接合技術を開発。2μm厚の高分子材料パリレン基板上に蒸着した金電極（表面粗さRMS＝約7nm）に対して、水蒸気プラズマを照射し、大気中で金電極同士を接触させることで、金属結合が生じることを発見し、「水蒸気プラズマ接合（WVPAB：Water Vapor Plasma-assisted Bonding）」と名付けた。
水蒸気プラズマ接合（WVPAB）を用いた薄膜金電極の接合方法
この技術を用いると、異なる薄膜基板上の金電極同士を配線する際に、接着剤を介さず、電極同士を直接接合できる。走査型透過電子顕微鏡（STEM）でWVPABで接合した金電極の断面を観察したところ、上下別々の基板上に蒸着された2つの金電極の一部がWVPABによって一体化（境界線が消失）し、強固に接合していることが確認できた。
WVPABを用いて接合した金電極の断面のSTEM画像
WVPABを用いて接合した薄膜サンプルと、これまでの接合手法である異方導電性テープ（ACF）で接合した薄膜サンプルの接合部の柔軟性を比較したところ、ACF接合の最小曲率半径は1mm以上だったが、WVPABの最小曲率半径は0.5mm未満だった。WVPABで接合した薄膜には接着層がなく、優れた柔軟性を持つことがわかった。
また、WVPABによる直接接合は、機械的耐久性と熱安定性にも優れていることがわかった。電気抵抗の変化は曲げ半径2.5mmで1万回繰り返し曲げた後でも1％未満で、大気中、100℃で500時間加熱しても電気抵抗の上昇は観察されず、むしろ金属同士の結合が促進され、電気抵抗が8％減少した。
さらに、WVPABにより、厚さ約3μmの超薄型有機太陽電池と超薄型有機LED、複数の超薄型配線を相互接続することに成功した。WVPABによって素子や基板に損傷はなく、実際に太陽電池に光を照射し、発電した電力で有機LEDが発光することを確認。WVPABが超薄型フレキシブルエレクトロニクスシステムに応用できることが実証された。
WVPABを用いた超薄型フレキシブルエレクトロニクスシステム
生体継続モニタリングに向けたウェアラブルデバイスの実用化には、複数の電子素子を集積化できる配線技術や実装技術が重要となるが、これらの技術には、金属のような導電性とデバイスの柔軟性を損なわない十分に低い剛性の実現、デバイスの損傷を防ぐために低温のプロセスでの配線が必要となる。
しかし、これまでの電子素子同士の配線方法は、導電性接着剤層の厚みによって接合部の剛性が増加する課題があった。十分な接着力と高導電性を確保するため、加熱と加圧工程が必要となることから、プラスチックフィルムを用いた電子素子の配線は困難だった。
一方で、これまでの金属の直接接合技術は、接合面の許容表面粗さRMSが1ナノメートル（nm）未満と非常に高い平坦性が必須となるため、フレキシブル基板上の金属同士の接合に適応しなかったという。
今回開発した技術は、大気中室温で加圧することなく、1つのシステムとして複数のフレキシブルエレクトロニクスを集積することを容易にする。今回は金電極とパリレン基板のみを対象としたが、プラズマ条件や接合用電極の表面粗さRMSの調整により、幅広い素材に対応できる汎用的な集積技術となる可能性がある。
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