劣化する電子スキン!NTUチームは、魚の鱗で製造される透過率91.1%の柔軟なオプトエレクトロニクス基板を開発しています

プラスチック粒子やナノ粒子が環境に与える影響がますます明らかになる中、特に劣化性のウェアラブル電子製品の開発における光電子デバイスにおけるプラスチック薄膜の影響は徐々に人々の注目を集めています。中国の南京工業大学の研究チームは、魚鱗材料を使って劣化性フィルム基板を作るという可能な答えを示しています。
 
「エレクトロニック・スキン」

南京理工大学のチームは、透明プラスチックフィルムを用いた柔軟な交流電気発光装置(ACEL)という特殊な光電子製品に注力しました。

ACELデバイスは、薄く柔軟な透明基板とその上にある配線および発光材料で構成されています。現在の製品はすでに均一な光放射を実現し、一定の電力処理効率を持っています。さらに、これらの製品は熱発生も少なくて済みます。これらの特性により、このデバイスはウェアラブル電子製品の開発に非常に魅力的です。開発者は、光る一時的なタトゥーや使い捨てフィルムストップウォッチなど、劣化した「電子皮膚」の使い捨て用途を多く想定しています。アスリートは試合前に皮膚にストップウォッチを作り、試合終了時に簡単に外すことができます。
 
持続可能性の危機

この表示技術は非常に便利ですが、多くの人が心配しています。これらのウェアラブルディスプレイデバイスの主要部品は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)などの薄く柔らかいプラスチック基板です。持続可能性の観点からは、これらの素材の使用には問題があります。一方で、再生不可能な化石燃料の原材料で作られており、その生産過程が地球規模の気候変動に大きな影響を与えています。

一方で、廃棄物プラスチック自体がゴミという形で生活環境にも影響を及ぼします。最近の『地球物理学研究ジャーナル』のレビューで指摘されているように、マイクロプラスチックやナノプラスチックは巨大な海洋「ゴミベルト」の形成に重要な役割を果たしています。
 
放置された原材料

このことを踏まえ、研究者たちは電子スキンアプリケーションの代替として使える基質材料を探しています。これらの材料は環境への影響がほとんどないことが条件です。現在、候補としては樹木のセルロースやシルクタンパク質が挙げられます。その中でも、セルロースの取得自体は持続可能性の観点からは満たされず、シルクタンパク質は使い捨て太陽光製品の大規模生産にはコストが高すぎます。
 
南京理工大学の余海東、劉居清、黄偉が率いるチームは、魚の鱗中のゼラチンという別の材料に注目しました。研究者たちは、この材料に一定の潜在能力と優れた光電特性があると考えています。さらに重要なのは、原材料の供給が問題ではないということです。論文の著者によると、これらの食用不能な魚の鱗は「年間魚生産量70.5百万トンの3%を占めている」とのことです。一方、スケールゼラチンは生分解性であり、つまりこの物質は廃棄後も自然に環境に組み込まれることがあります。
 
魚のスケールから発光装置まで

これらの考えを検証するために、南京工業大学のチームはまず魚の鱗を洗浄し、化学的前処理を行って前駆体溶液を作り、その後ペトリ皿に入れて魚の鱗ゼラチンフィルムを作りました。テストによると、透明フィルムは可視光スペクトルで最大91.1%の透過率を持ち、現在使用されているPETフィルム(透過率90.4%)よりも優れています。このフィルムは非常に柔軟性があり、逆に折りたたむこともできます。研究者たちは、この膜がリサイクルが容易(60°Cの水に数秒間溶かせる)であり、また生分解(土壌中でわずか24日で完全に分解)できることを発見しました。
 
次に、研究チームはこの魚の鱗ゼラチン膜を複数の発光装置の基板として用いました。彼らはまず、この魚鱗ゼラチン膜に銀ナノワイヤーの電極層をコーティングし、さらにスピンコーティングによって発光物質を含む発光層を作り、最後に発光層フロアに銀ナノワイヤーを用いた別の電極を作りました。研究チームは、交流を応用した場合、千回の曲げと緩和サイクルを経ても、この発光装置は明るい光を放出し、「光の強度は著しく低下していない」ことを発見しました。
 
南京工業大学の研究者たちは、この方法について「製造過程で有害な副産物や電子廃棄物を発生させることなく、より環境に優しいオプトエレクトロニクス製品を生産できる」と結論づけています。彼らは、魚の鱗で作られたフィルムがウェアラブル技術の分野だけでなく、フレキシブルディスプレイの分野でも大きな応用可能性があると考えています。