Printing Processes for Industry

Processing rules and materials of high resolution printing and device applications

微細印刷プロセスのエレクトロニクス応用を目指して

新規印刷技術の材料・プロセス開発と各種デバイスへの応用展開をサポート

Our goal is to provide next-generation printing technologies to industry. With process integration know-hows, newly developed materials and experience working with partners in private sector, we commit to realize industry-relevant printing fabrications.

Our printing technology backed by scientific knowledge enables a facile but high-resolution patterning of various functional wet materials down to single-micrometer-level. The scope of applications we explore includes optics, sensors, components, fine-pitch interconnections, milli-wave metamaterials, printed etching-resist, printed memory, thin-film transistors, etc., but not limited.

Keywords: High-resolution printing, electronic devices, ink formulation, process design, high-aspect traces, printed electronics, flexible electronics, in-mold electronics, wearable

一桁ミクロンにも及ぶ微細印刷技術をはじめ、各種印刷プロセスを産業応用に結びつけるべく、インク材料の開発からプロセス、デバイス試作まで幅広く研究開発を進めています。

我々が開発を進めている微細印刷技術は、金属材料、有機材料、酸化物材料等、様々なインクを緻密にパターニングでき、光学素子、センサ、受動電子部品、実装、高周波応用、印刷エッチングレジスト、印刷メモリや印刷トランジスタなどその応用範囲は多岐に渡ります。

民間企業や公的機関とのコラボレーションも多く、ボトルネックとなる本質的な課題の抽出・解決から、 産業応用が見込める魅力ある製造プロセスづくり、プロトタイプ実証まで、それぞれの開発フェーズに沿った技術開発を行なっています。

Keywords: 印刷エレクトロニクス、プリンテッドエレクトロニクス、フレキシブルエレクトロニクス、インモールドエレクトロニクス、ウエアラブルエレクトロニクス、高精細印刷、パターニング、電子デバイス、インク処方、ナノ材料科学、ナノ微粒子

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Research Highlights

From liquid to semidry, from wet to fracture

主な研究と開発技術

液体から半乾燥固化, 濡れから破壊へ

Fluidic inks have a strong advantage in their free-forming property and thus have been played a primary role in conventional printing methods; however, the difficulty in its precise handling and shaping owning to surface tension and viscosity, limits achievable resolution. We have thus stopped clinging to liquids and started focusing on the semi-solidification of inks. This transforms inks into solid states where elsticity, fracture, adhesion and friction govern the patterning mechanism. With such a technique, we have been developing high resolution printing techniques where single- to sub-micron resolution patterns with excellent rectangular cross-sections and thickness uniformity can be generated.

Progress Review (invited in Special Issue of SSDM 2019): Kusaka et al 2019 Jpn. J. Appl. Phys.

従来の印刷技術では、液状のインクやペーストを液体のままパターニングされてきました。液体は自由に形状を変えられるという優れた特徴がある一方、ラプラス圧や濡れ・はじきなどが避けられず、パターン解像性や形状均一性等の課題が顕在化してきました。 我々はインク薄膜を半乾燥固化させてからパターニングを施すことで、濡れに支配される領域から、膜の付着・変形・破断によるパターン形成原理へとシフトし、簡便かつ解像性が飛躍的に高い印刷パターニングを実現しています。

この新しい印刷プロセスで生じる様々な界面現象を理解し、応用プロセスやプロセス信頼性の向上へと展開しています。またこのような印刷に適したインク特性を理解し、その処方技術の開発も進めています。

最近の総説(invited): Kusaka et al 2019 Jpn. J. Appl. Phys.

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Ink formulation and modeling

The ink formulation technology for high-resolution printing is provided. The optimal drying state of ink layers for reverse offset printing is revealed on the basis of its rheology and fracture properties.

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インクの設計・開発

微細印刷向けインク処方技術を開発しています。様々な材料のインク指針や印刷解像性向上につながる知見を提供します。生乾きインク膜のレオロジー等、印刷に関与するナノメカニカル特性とインク設計技術の統合を目指します。

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Magical printing by Adhesion

Latent image of adhesivness is a legitimate way to generate fine patterns. Adhesion contrast planography is contributing to a facile but high-definition printed electronics.

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付着力コントラスト印刷

付着力の異なる潜像を平版表面に一括露光により形成。簡便に1桁ミクロンにも及ぶ微細印刷を実現できるようになりました。パターン設計の自由度が高いことも特徴で、様々な材料のパターニングに成功しています。

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In-situ observation of printing process

Our mini-printer can visualize the patterning step of reverse offset printing and microcontact printing directly.

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印刷の可視化

顕微鏡やハイスピードカメラで印刷プロセスを可視化する装置を開発、反転オフセット印刷中の転写挙動や座標精度、シリコーンゴムの表面段差追従性能の評価を行なっています。

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Patterning simulation

The patterning process of high-resolution printing is simulated by a discrete element method. Together with this theoretical modelling, criteria for successful patterning are proposed.

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印刷メカニズム

生乾きインクに求められる特性を理解するために、印刷過程で生じるインク膜内部の力バランスや歪みを離散要素法と理論モデルにより評価して、良好なパターン形成に求められる膜質条件を調べています。

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PDMS deformation modeling

The contact mechanics of PDMS in high-resolution printing techniques give a clear insight on pattern reproducibility, process recipes for uneven surfaces, etc.

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PDMSの接触力学

シリコーンゴムの接触変形は微細印刷で特に重要です。刷版やパターン形状の最適化に必須となるゴム変形のモデルを構築しました。理論は無次元化され、変形特性をすぐに見積もることができます。

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Vapor annealing for taper formation

While most of devices are multistacked structures, the elemental process of taper formation is lacking in printed electronics. Thanks to Laplace pressure, vapor annealing can add tapers at the sidewall of ink layers.

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印刷パターンへのテーパ付与

反転オフセットや付着力コントラスト印刷で形成されたパターンは断面矩形性に優れる一方、後続層の断線の原因になることがあります。そこで蒸気アニールによって簡単にテーパ付与できる技術を開発しました。溶媒アニール機構を組み合わせた印刷装置も開発中。

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Pattern integrity in printing

The design rule is a key for the commercialization of printed electronics. The underpinning mechanism that regulates the patterning integrity is unveiled.

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印刷寸法インテグリティ

印刷パターンが設計パターンに対して忠実であること。信頼できるプロセスを実現するために避けて通れない問題です。微細印刷プロセス特有の現象やプロセスパラメータとの関連性を解明し、その解決策に取り組んでいます。

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Printed contact vias

The optimization rule for attaining the fully-printed conformal ink-filling of contact holes with resolution down to 10 μm is established.

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層間接続

積層電子デバイスを印刷で作ろうとすると、多くの場合コンタクトビアが必要になります。半乾燥化したインクは流動性を失っているため、単純に印刷してもホールに充填されません。ここではシリコーンゴムの変形挙動をうまく利用してホール直径10μmの層間接続技術を開発しました。

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High-speed reverse offset printing

How does the contact interface form between PDMS and substrate? Air trapping phenomena at initial contacts were found. A defect problem in high-speed reverse offset printing is resolved.

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高速反転オフセット印刷

印刷タクトを早めることはコスト削減に直結し、適用可能なアプリケーションの範囲を広げることにもなります。印刷時の接触不安定性に伴うエア噛み現象が高速印刷時に生じる欠陥と関係していること、PDMSやプロセス条件を最適化することで抑制できることが明らかになってきています。

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Printing Accuracy

A fitting model is developed to extract distortion factors from bivariate data of printed mark positions. Origins of distortions are identified and processing parameters are optimized with them.

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印刷座標精度と歪み

印刷パターンの座標誤差の要因分離モデルを開発しました。印圧や平行度、周速差、基板の厚みムラに起因する座標誤差を切り分けて解析できるようになりました。

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Wet-on-Wet Overlay

Overlaying multiple functional ink layers without thermal sintering is enabled by promptly drying ink layers. In this Wet-on-Wet process, the solvent uptake feature of PDMS plays a key role.

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Wet-on-Wetプロセス

転写時にインク膜が半乾燥固化していることを利用して、焼成レスの積層プロセスや電極の埋込平坦化プロセスを印刷で実現しています。

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Printed oxide devices

Patterning metal complex precursors by reverse offset prinitng enables thin film, oxide-based electronic devices.

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印刷酸化物デバイス

酸化物前駆体を半乾燥固化可能なインク処方を開発。酸化インジウムの半導体層や酸化モリブデンの導体層など様々な金属種を均一薄膜かつ微細にパターニングできるようになりました。

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High-aspect traces

Highly conductive traces with an aspect-ratio exceeding 3 are realized by a bimodal Ag ink specially designed for a hybrid printing technique.

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高アスペクト配線の印刷

アスペクト比3を超える大電流向けフレキ印刷配線技術を開発しました。基板上の濡れ広がりに左右されず、焼成時にインクの膜べりもおこならないため、優れた形状保持性を示す導電性配線をパターニングすることができます。

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