ウェアラブル製品への産業用インクジェット印刷

ウェアラブル製品への産業用インクジェット印刷

「ウェアラブル」「ウェアラブルデバイス」「ウェアラブル技術」はいずれも、消費者が身に着けられる電子技術やコンピューターを指し、健康やフィットネスに関する追跡情報を含むことも多くあります。対象は、リストウェア、ヘッドギア、メガネ、アームウェア、レッグウェア、フットウェア、皮膚パッチ、外骨格、電子テキスタイルで、デバイス市場は巨大です。産業用インクジェットは、機能性・非機能性を問わず、製品への直接カスタム印刷を可能にする唯一のデジタル技術です。

重要ポイント

• インクジェットは、ウェアラブル製品への機能性・非機能性のダイレクトカスタム印刷を可能にする唯一のデジタル技術です。
• 販売を後押しするのは印刷そのものではなくカスタマイズです。ブランドはこれを、ロイヤルティの向上とデザインへのフィードバック収集に活用しています。
• 皮膚接触の認証が今や求められています。2014年に100万台規模のウェアラブル製品のリコールが発生して以降、サプライヤーは材料を皮膚接触規格に適合させて認証しています。
• 長期間の皮膚接触を想定した材料配合では、PPD（p-フェニレンジアミン）などの刺激物質に注意してください。
• インクジェットはアナログ印刷よりも繊細で、プリントヘッド、インク、コントローラー、前処理、硬化を1つのシステムとして統合する必要があります。

カスタマイズへの需要

健康・フィットネス向けのパフォーマンス製品、スマートウォッチ、数百種類に及ぶ代替のインタラクティブバンド製品を問わず、カスタマイズへの需要が販売を牽引しています。IDTechExは最近の記事で、ウェアラブルエレクトロニクス市場が2015年の200億ドルから2025年には約700億ドルに成長すると述べています。1 中心となる分野は引き続きヘルスケア分野で、医療、フィットネス、ウェルネスが融合しています。最も有望な新しい開発の背後には、Apple、Accenture、Adidas、富士通、Nike、Philips、Reebok、Samsung、SAP、Rocheなど、多くの大手企業が名を連ねています。Bain & Companyによると、製品のカスタマイズはブランドの売上向上に役立ち、その機会は大きいとされています。2 買い物客の少なくとも25～30%がカスタマイズのオプションに関心を持っていると推定されています。特定の市場では、これは1分野あたり年間20億ドルに相当します。2つの重要なトレンドが現れています。1つ目は、今日の消費者はより自己表現を重視していること、2つ目は、カスタマイズが新しいロイヤルティであることです。

よくあるご質問

印刷の観点で「ウェアラブル」とは何を指しますか？

消費者が身に着ける電子技術やコンピューターで、健康やフィットネスのデータを追跡することが多いものです。実際には、リストウェア、ヘッドギア、メガネ、アームウェア、レッグウェア、フットウェア、皮膚パッチ、外骨格、電子テキスタイルにわたり、硬質のものも柔軟なものもあります。

パッド印刷やスクリーン印刷ではなくインクジェットが使われるのはなぜですか？

カスタマイズが商業的な原動力だからです。インクジェットはダイレクトカスタム印刷を可能にする唯一のデジタル技術であり、1個ずつ異なる内容を印刷できます。アナログのストップ・スタート方式は比較的生産性が低く、汎用品への多色印刷はほぼコスト面で成り立たなくなります。

ウェアラブル製品のインクにはどのような安全規格が適用されますか？

長期間の皮膚接触を想定した材料は、皮膚接触規格に適合した認証を受けます。この動きは、2014年にあるメーカーが100万台のウェアラブルデバイスをリコールしたことで加速しました。配合では、PPD（p-フェニレンジアミン）などの皮膚刺激物質を避ける必要があります。

インクジェットがアナログ印刷より難しいのはなぜですか？

精度です。インクジェットでは、ノズルが精密なサイズの液滴を正確に打ち出す必要があり、高品質なシステムは、プリントヘッド、インク、電子制御装置、前処理、硬化を同時に統合しなければなりません。これらすべてが連携して初めて、意図した結果が得られます。

UV硬化型インクジェットインクは、他のインクタイプとどう違いますか？

ポリマーが、硬化中にモノマーとオリゴマーの連鎖反応によって形成されます。モノマーは低粘度の液体でインク担体を兼ねるため、水や溶剤が不要になり、UVインクは固形分100%になります。

ウェアラブル製品へのインクジェット印刷

本稿では、成形されたウェアラブル製品へのインクジェット印刷による「カスタマイズ」に焦点を当てます。対象は、インタラクティブな電子デバイスや腕時計から、スポーツ用フットウェアやウェア、3Dプリント製品にまで及びます。最初期の、最もよく知られたウェアラブル製品の1つが、ディズニーのリストバンド「MagicBand」です。各バンドには、2.4 GHzのコードレス電話と同様のRFIDと無線機が内蔵されています。このバンドは、来園者をパーク内の広範で強力なセンサーとモバイルアプリのシステムに接続し、支払い手段、入園パス、客室キーなどの役割を果たします。大半のバンドは（成形のままの）単色です。各バンドの裏側にはレーザーマーキングが施され、識別情報が記載されています（上記参照。写真提供：Disney FCC Filing ID Q3E-MB-R1G1）。あらかじめ加飾されたバンドは小売店で販売されています。しかし、唯一無二の体験を求めて、愛好家は画材店で入手できるアップリケ、デカール、タトゥーシール、カバーバンド、塗料を使い、手間のかかる複数の工程でバンドを手作りしています。

インクジェット印刷は、幅広い用途で、特殊または複雑なパターン、あるいは新しい基材に機能性流体を付着させられる独自の能力によって、先進的な製造プロセスを牽引しています。たとえば、あらゆる技術向けの導電性インクは、多くの分野、特にフレキシブル基材で新境地を開いています。銀、有機導電性ポリマー、グラフェン、カーボンナノチューブのインクは、フレキシブルエレクトロニクス全般の回路やコネクターに使われています。インクジェット印刷により、これらはウェア（例：スキージャケット）上の印刷ボタン（薄膜タッチボタン）とモバイルデバイス、パッシブまたはアクティブのRFIDタグ、LED照明との間をつなぐコネクターとして役立ちます。有機発光ダイオード（OLED）技術はフレキシブルであるだけでなく、インクジェットを用いることで、アウターウェア上の識別、安全、加飾向けにも調整できます。さらにインクジェットでは、異なる材料の複数の層を印刷して、6層以上の明確な層からなる構造体が作られています。

真に伸縮する導電体は、どの技術でもまれです。パデュー大学は、インクジェット印刷可能な液体金属導電体の新しいクラスを発表し、伸縮性のあるゴム状材料に適していることを実証しました。3 これにより、柔軟なロボットや、人がコンピューターとやり取りしたり治療目的で着用したりできる伸縮性ウェアの新たなクラスが実現するかもしれません。

接着剤はウェアラブル製品の要であり、複雑な形状（例：スポーツシューズ）で必要となることがよくあります。ロボット制御の大液滴サイズのプリントヘッドは、増え続ける不規則な構造物に接着剤を塗布し、過不足なく全面をカバーしつつ、少量生産や頻繁な切り替えにも対応します。ラテックスインクジェット接着剤は、従来の配合品に匹敵します。紫外線（UV）硬化型や電子線（EB）硬化型のインクジェット接着剤も利用が広がっており、異種材料への接着と即時硬化への要求に応えています。

UV硬化型インクジェットは、アウターウェア、バッジ、反射材、スポーツ用品、スポーツ用フットウェアで広く使われています。印刷の大半は、トレイや型に治具で正確に配置した品物を、往復動作するプリントヘッドの下を通して行います。高い生産性が求められる場合は、全幅の固定プリントヘッドを備えたシングルパスプリンターが、最大60 fpm（フィート／分）以上の速度でベルト搬送される品物に画像を印刷します。ベルトにはトレイが付いていて品物が常に固定位置にある場合が多く、あるいはプリンターがカメラで品物の位置と向きを検出し、それに合わせて画像を噴射する場合もあります。UV硬化では、プリントヘッドの後方にランプがあります。LEDランプは、長寿命、安定した出力、少ないオゾン発生、低いエネルギー消費から、人気が高まっています。ウェアラブル製品では、最大の価値は低温であること、つまり基材にほとんど熱が伝わらないことです。熱に敏感なプラスチック、布地、フィルムにも、収縮や変形を気にせず印刷できます。エネルギー硬化型インクを使用する方への注意点として、液状のインクは有害であるため、安全性と耐久性の観点から、常に適切に硬化させる必要があります。

UV硬化型インクジェットインク

インクジェット印刷は、アナログ印刷よりもはるかに複雑で繊細です。インクジェットでは、ノズルが精密なサイズの液滴を正確に打ち出す必要があります。高品質なインクジェット印刷システムは、プリントヘッド、インク、電子制御装置、前処理、硬化を同時に統合しなければなりません。これらすべてが連携して初めて、意図した結果が得られます。

UV硬化型インクジェットインクは瞬時に乾燥します。UVインク印刷が他の種類と異なるのは、ポリマーが硬化中にモノマーとオリゴマーの連鎖反応によって形成される点です。モノマーは低粘度の液体であるため、液状のインク担体としても機能し、水や溶剤が不要になります。そのため、UV硬化型インクは固形分100%で、溶剤インクの理想的な代替品です。オリゴマー（より大きな反応性分子）は複数の化学官能基を持ち、バインダーを適切に構築するうえで重要です。

重合は、UV光への短時間の露光によって開始されます。UV光は、可視光よりも波長が短くエネルギーが高い電磁放射です。ほとんどのUV硬化には、近紫外線（波長390～200ナノメートル）が使われます。これはさらに、UV-A（390～320ナノメートル）または長波長、UV-B（320～280ナノメートル）または中波長、UV-C（280～200ナノメートル）または短波長に細分されます。近紫外線のほかに、遠紫外線（200～10ナノメートル）と深紫外線（31～1ナノメートル）というUVの区分もあります。従来の水銀UV硬化ランプで最も一般的なピーク波長は365ナノメートルで、水銀のi線（光スペクトル）とも呼ばれます。

印刷されたウェアラブル製品は、消費者が手に持ち、非常に近くで目視検査されます。英数字テキストは6ポイント以下の場合もあります。目に見える欠陥を避け、判読性を確保するには、高解像度の印刷が必要です。高解像度インクジェット印刷には、基材上のドットの間隔と、ドットを構成する液滴のサイズ（体積）という2つの主要な要素があります。高解像度は、液滴を近接して配置すること（現在は最大1,800×1,800 dpi）で得られますが、一般的な往復動作型ヘッドのプリンターでは、複数回のパスと微小なステップが必要です。

UVに反応する成分は光開始剤で、エネルギーを吸収して分裂し、種類に応じてフリーラジカルまたはカチオンといった反応性の高い化学種を生成する化合物です。それぞれがモノマーまたはオリゴマーの一部と結合し、その活性が別の部分に移り、さらに別のモノマーと反応するという連鎖によって、ポリマーが構築されます。UVインクは顔料の着色剤を使用します。配合とインク製造の進歩により、メーカーはホワイト（W）を提供できるようになり、暗色の基材の下地や、透明基材の背景として特に有用です。インクジェットの原色であるシアン、マゼンタ、イエロー、ブラック（CMYK）を合わせると、広い色域が得られます。

日光による退色は、印刷の耐久性における大きな懸念事項になり得ます。UVインクは染料ではなく顔料を使うため、デスクトップ用インクよりも本質的に日光に対する感度が低くなります。自動車塗料業界の顔料を使ってインクを製造すると、非常に優れた耐退色性が得られます。コストは高くなりますが、プレミアムインクに使われています。日光はポリマーも劣化させ、チョーキングや脆化を引き起こすことがあります。屋外で5年間連続して光曝露に耐えることは、一般的に満たされる期待値です。

添加剤は、あらゆるインク配合に不可欠です。プラスチック印刷用のインクには、一般に密着促進剤が含まれています。インクジェットの中核である吐出と液滴形成には、粘度調整剤と界面活性剤の慎重なバランスが必要です。適切でないと、インクがミスト化したり、ヘッド上で濡れ広がったりし、どちらも好ましくありません。これらの同じ化合物は、基材上でのインクの濡れと流れ、すなわち密着性とドットゲインも制御します。通常は特定の表面化学に合わせて最適化されますが、限界があります。たとえば、低表面エネルギーの基材を濡らせるインクは、プリントヘッドから漏れてしまいます。このため、多くの表面は、インクが機能する範囲に収めるために処理が必要です。

インクジェットインクは低粘度・低表面張力であるため、アセタール、ポリオレフィン、ポリウレタンなどの多くのポリマー基材で、接着接合上の課題が生じます。こうした化学的に不活性なプラスチックは疎水性で、自然には濡れにくい性質があります。一般的な目安として、基材の表面エネルギーが液体の表面張力よりおよそ8～10 dyne/cm高いときに、許容できる接着密着性が得られます。

印刷機の速度も、インクの実効表面張力に影響を与えることがあります。静的に測定した表面張力が25 dyneのインクは、高速プレスでは、動的に表面張力40 dyneのインクのように振る舞う場合があります。インクジェットのプリントヘッドや印刷システムが吐出する流体に及ぼす作用は、吐出時や印刷面、他のインク層またはコーティング層との相互作用の際に、流体成分が再配列する仕方に大きな影響を与えることがあります。

処理の程度や品質は、プラスチック表面の清浄度に左右されます。最適な前処理とその後のインク密着性を得るには、表面が清浄でなければなりません。シリコーン離型剤、汚れ、ほこり、グリース、油、指紋などの表面汚染は、処理を阻害します。材料の純度も重要な要素です。

結論：トータルソリューションの手法

ウェアラブル製品向けのポリマー材料の開発とインクジェット印刷には、トータルソリューションの手法が不可欠です。消費者の要求や機能が進化するにつれ、長期間の皮膚接触を想定した材料への要求も高まります。2014年にFitBitが100万台のウェアラブルデバイスをリコールして以降、サプライヤーは材料を皮膚接触規格に適合させて認証しています。インクジェット印刷のプロセス管理も同様に重要です。主な要因は次のとおりです。

• PPD（p-フェニレンジアミン）など、皮膚を刺激しない材料配合（皮革、ゴム、熱可塑性ポリウレタン、コポリエステルエラストマー、添加剤を含む）。
• 耐久性、耐薬品性、耐UV性、耐擦傷性などの材料要件。
• 毒性に関する国際適合規格。例：ISO 10993-10:2010「医療機器の生物学的評価 第10部」。
• 優れたインク密着性。表面へ移行する低分子量化合物を最小限に抑えること。
• インクの流体化学と吐出性能。
• 製造現場だけでなく、キオスクにも設置できる堅牢なプリンターシステム。

参考文献

• www.idtechex.com
• www.bain.com
• www.purdue.edu

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工（レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、製品セキュリティ）を専門とするエンジニアリング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。Sabreenは30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は電話972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.plasticslasermarking.comをご覧ください。

Dene Taylor博士は、印刷・包装業界向けにSPF-Inc.を2000年に設立し、デジタル印刷を新たな市場や用途へ適応させることに注力しています。ナノ化学者としての経歴を持ち、米国特許25件のうち約半数がデジタル印刷に関するものです。SGIA、TAPPI、RadTechの会員です。連絡先は[email protected]です。

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