銅炭酸水酸化物コーティングによるシリコーン上の導電パターンのレーザー誘起選択的金属化

次世代ウェアラブル機器のための伸びる配線

スマートウォッチから医療用パッチまで、多くの新しい機器には折れずに曲がり伸びる柔らかく肌に優しい配線が求められます。しかし、シリコーンのような弾性材料に金属回路を作るのは意外に難しく、金属は付着しにくく、伸張で亀裂が入りやすく、製造には高温や有害な化学物質が必要になることが多いです。本論文は、一般的な柔らかいシリコーンゴム上に室温でやさしく直接銅配線を“描く”方法を示し、より信頼性が高く快適なウェアラブル／埋め込み型エレクトロニクスへの道を開きます。

ソフトエレクトロニクスが作りにくい理由

ウェアラブル機器やフレキシブルセンサーは体に密着し、関節に応じてねじれ、何千回もの伸縮に耐えながら安定した電気信号を伝える必要があります。Ecoflexなどのシリコーンゴムは非常に柔らかく伸縮性があり生体適合性も高いため理想的です。しかし、表面エネルギーが非常に低いため金属薄膜や導電性インクが濡れにくく付着しにくいという問題があります。金ナノ粒子インクの印刷や液体金属の埋め込みといった既存手法は、高温での焼結や複雑な表面処理、酸化や剥離、皮膚刺激の可能性がある材料を必要とすることが多いです。純粋なシリコーン上に頑丈な金属配線を、材料を硬く損なうことなく単純かつ低毒性でパターニングする手法はこれまで不足していました。

ソフトシリコーン上でのレーザー“描画”法

研究者らは、硬化済みのEcoflexシリコーン上で直接機能する「レーザー誘起選択的金属化」と呼ぶ改良プロセスを開発しました。まず、緑色の粉末——炭酸銅水酸化物の薄い層をシリコーン表面に穏やかに噴霧します。次に近赤外レーザーで目的の回路経路だけを走査します。レーザーエネルギーがコーティングとシリコーン表面の上層を局所的に加熱し、表面を粗化させ、小さな炭素に富む領域を生成し、銅イオンを部分的に金属銅ナノ粒子に変換します。こうして形成された銅の種が微細にテクスチャ化したシリコーンに埋まり、後の金属成長のためのアンカーとして働きます。未使用の粉末は洗い流して回収・再利用できるため廃棄を減らし、シリコーン内部に顆粒が恒久的に残るのを避けます。

頑丈で低抵抗の銅配線を育てる

レーザー処理で「活性化」パスが定義された後、試料を化学浴に浸して種が存在する箇所にのみ薄い銅層を堆積させます。この無電解めっき工程で連続だが比較的脆い金属膜が形成されます。これを強化するため、研究チームは低温の電気めっき工程を追加し、銅を約30マイクロメートルの厚さまで増強しました。顕微鏡観察と元素分析により、最初は滑らかだったシリコーンが粗くなり、次第に密な銅層で覆われていく様子が示されます。力学試験では、銅トラックがシリコーンにしっかりロックされており、多くの一般的なフレキシブル電極よりもはるかに高いはく離強度を示しました。銅配線を蛇行形状に設計することで、約125%のひずみまで伸縮性を確保し、数百回の伸縮サイクルでも電気抵抗の変化を非常に小さく抑えられます。

心電信号から柔軟アンテナまで

プロセスの実用性を示すため、研究チームはいくつかのデモ機器を作製しました。透明なEcoflex上に銅トレースをパターニングして、追加の接着剤なしで快適に皮膚に貼れる柔らかい心電図（ECG）パッチを作成しました。被験者が装着したところ、安静時と軽い運動時の両方で、臨床的に解釈可能な明瞭な心波形を30分間記録できました。また、シリコーンを曲げ伸ばししても点灯を維持する青色LEDアレイを駆動する伸縮回路や、円筒に巻き付けながらも電力を送れる柔軟なワイヤレス充電アンテナも作製しました。これらの例は、本手法がウェアラブルな健康モニタ、柔らかい照明、通信ハードウェアの実運用を支え得ることを示唆しています。

日常技術への意義

簡単に言えば、本研究は、リサイクル可能な粉末、走査レーザー、控えめな化学浴だけを用いて非常に柔らかいシリコーン上に頑丈な銅配線を“印刷”する方法を示しています——マスクも高温処理も高価で毒性の高い金属も不要です。得られる回路は良好な電気特性、強い付着性、高い伸縮性を兼ね備えており、体表や体内で使う快適なデバイスに不可欠な要素を満たします。銅の長期酸化防止や他のプラスチックへの適用を進めれば、この手法は将来のウェアラブルをより薄く柔らかく信頼性の高いものにし、医療グレードのセンシングや無線機能を日常の衣類や肌に近いパッチへと近づける可能性があります。

引用: Wei, Y., Yang, X., Tian, H. et al. Laser-induced selective metallization of conductive patterns on silicone via copper carbonate hydroxide coating. Microsyst Nanoeng 12, 96 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01207-2

キーワード: フレキシブルエレクトロニクス, 伸縮性電極, レーザー加工, 銅めっき, ウェアラブルセンサー