PET・TPU電極基材の比較：フレキシブル／ストレッチャブル印刷電極の選び方

PET・TPU電極基材の比較では、微細な位置合わせを維持し、主な変形が曲げである回路には熱安定化PETを、皮膚やテキスタイルに追従して能動部が伸び、元に戻る必要がある回路には印刷適性を持つTPUを第一候補とする。ただし、TPUに一般的な銀インクを印刷しても配線が自動的に伸縮性を得るわけではなく、PETも曲げられるからといって面内引張に耐えるわけではない。医療機器チームは、フィルム、インク、配線形状、硬化、粘着材、接続部を一つの積層構造として選び、実使用時の動きと接触条件で完成構造を検証する必要がある。

1. 結論：形状安定性ならPET、伸縮追従ならTPU

印刷位置、導体形状、打ち抜き位置、硬化後の寸法変化が引張変形より大きなリスクになる場合、PETが製造上の第一候補になる。皮膚、布地、関節などの柔らかい面に沿って回路自体を伸ばす必要がある場合はTPUが有利である。製品内に両方の変形領域があるなら、役割を分けたハイブリッド構造も検討対象となる。

したがって、ウェアラブル・バイオセンサーパッチの構造は、樹脂名ではなくひずみ分布から決める。導電路に曲げは生じても軸方向の伸びがほぼないなら、PETの方が工程をまとめやすい。導電路を伸ばす必要があるなら、TPUは伸縮対応の導体と配線形状を組み合わせた場合にのみ有力になる。

2. フレキシブル印刷電極の基材は、自動的にストレッチャブルになるわけではない

「フレキシブル」は曲面に沿って曲げられることを示し、「ストレッチャブル」は面内方向に長さが増えた後も、必要な電気・機械機能を保って回復できることを示す。薄いPETは十分に曲げられるが、通常はエラストマーではなく形状を安定させるフィルムとして使う。TPUは室温で弾性を示すものの、印刷導体、誘電体、封止材、粘着材、コネクタまで自動的に同じ伸縮性を持つわけではない。

この違いによって設計問題も変わる。回路を半径25 mmの筐体に一度巻き付ける場合と、膝上の皮膚パッチが15%伸びる場合では、ひずみ場が異なる。前者では厚さと中立軸位置が支配的であり、後者ではインクのバインダー、配線形状、基材弾性率、ひずみ方向、回復量、サイクル条件が支配的になる。

Cahnらは、ポリマーフィルム上に印刷した2種類のDuPont銀インクで界面の問題を示した。報告された構造に35%のひずみを加えたとき、一般的なフレキシブル用5025インクの正規化抵抗は初期値の約15倍、ポリウレタンバインダーを使うPE874は約5倍となった。差を生んだのは単純な「TPUの優位性」ではなく、ひずみ集中とインクの機械特性である。

基材選定は、次の連鎖をまとめて扱うための略称にすぎない。

動き → 基材ひずみ → インク／配線ひずみ → 抵抗変化 → 信号または電力への影響

医療センサーパッチの基材は、さらに積層構造の一部である。皮膚粘着材、必要に応じたハイドロゲル、誘電体被覆、スナップまたはテールの遷移部、封止材、ライナー、筐体が、ひずみを狭い領域へ集中させることがある。積層を定義せずにフィルムだけを選んでも設計は完結しない。

3. PET・TPU電極基材の比較：グレード別データ

以下は樹脂一般の物性表ではなく、追跡可能な市販グレード同士の参照表である。Mylar Specialty FilmsのMelinex ST506は熱安定化・印刷処理済みPET、CovestroのPlatilon U 4201 AUはポリエーテル系TPUフィルムを代表する。サプライヤーの試験方法が異なるため、数値を同一試験の合否基準として直接比較してはならない。

Melinex ST506のMD収縮率0.10%は、サプライヤー条件である150°C・30分の試験において、基準長1,000 mm当たり1.0 mmに相当する。「安定した」フィルムでも、回路、カバーレイ、粘着材開口、打ち抜き形状を合わせるには、版補正と実測フィデューシャルが必要である。

Platilon U 4201 AUの破断ひずみ500%を回路設計値にしてはならない。Covestroは、DIN EN ISO 527-3に基づく50 µm参照フィルムの代表値として掲載し、製品ばらつきも注記している。導電路は、基材が破断するよりはるかに小さいひずみで許容抵抗範囲を外れる可能性がある。

インクデータも同じ境界を示す。PET向けLOCTITE EDAG 725A（6S61）は、120°Cで15分、乾燥膜厚25 µmにおけるシート抵抗0.008～0.017 Ω/sqを規定する。伸縮性LOCTITE ECI 1014は、120°Cで15分後に0.010 Ω/sq/25 µm、100°Cで5分後に0.013 Ω/sq/25 µmを示す。配合と試験条件が異なるため、これらは工程検討の開始点であり、材料の絶対順位ではない。

4. PETが有利になる条件

印刷、硬化、加工を通した位置合わせ

熱安定化PETは、幾何学的な基準面として扱いやすい。近接した電極、多層印刷、誘電体開口、コネクタ接点、回路特徴に合わせた打ち抜き外形を持つフレキシブル印刷電極では、この特性が重要になる。ST506のグレード別収縮データは測定の出発点になるが、実際のラインでMD、TD双方の移動量を確認する作業は省けない。

工程全体では、次の各段階で熱と張力がウェブを動かす。

フィルム調湿 → 第1層印刷 → 乾燥／硬化 → 第2層位置合わせ → ラミネート → 打ち抜き → 最終抵抗マップ

PETは一般に、支持されていないエラストマーより移動を管理しやすい。このため、ストレッチャブル電極フィルムでも、選択した加工工程が終わるまで安定したキャリアを残す場合がある。

微細で再現性のある導体形状

平滑で安定したウェブは、版と基材の位置、および印刷線形状を保ちやすい。電極アレイでは、能動面積、間隔、接続幅が測定機能に影響するため、形状再現性がバルクのシート抵抗と同じくらい重要になることがある。合否特性は顧客図面の機能寸法と電気マップで定義し、根拠のない万能線幅を掲げるべきではない。

一方、実装後の配線が実際の引張領域を横切る場合、PETは第一候補ではない。薄いPETは曲面に巻き付き、管理された反復曲げに耐え得るが、厚さが増すほど、また曲げ半径が小さくなるほど曲げひずみは増える。折り目、複合曲面、支持のない遷移部ではひずみが集中する。安定した印刷工程でも、実装状態の機械設計が不適切なら補えない。

確立されたポリエステル用インク条件

LOCTITE EDAG 725Aは、具体的なポリエステル工程例になる。Henkelは120°C・15分の乾燥、25 µmで0.008～0.017 Ω/sq、乾燥後ポリエステル上で5Bの密着結果を掲載している。 フィルムとインク双方に温度関連データがあるため、工程計画には有用である。

ただし、そのまま量産レシピにはできない。炉内風量、投入量、実ワーク温度、溶剤除去、付着膜厚、ウェブ拘束によって結果は変わる。密着性は初期試験だけでなく、誘電体印刷、ラミネート、切断、保管、実使用時の動きの後にも維持されなければならない。

5. ストレッチャブル電極フィルムでTPUが有利になる条件

引張追従性と身体へのなじみ

電極が取付面に沿って曲がるだけでなく、その面と一緒に伸びる場合、TPUが有力になる。CovestroはPlatilon U 4201 AUを25～1,000 µmで提供し、50 µm参照フィルムの破断ひずみを500%としている。 これはフィルム自体の大きな伸長範囲を示すが、印刷回路の使用可能ひずみは積層全体で決まる。

2016年のScientific Reports論文では、50 µm TPU上に銀ポリマー導体をスクリーン印刷し、平均初期シート抵抗36.2 mΩ/sqを測定した。30試料の半数は単調引張で約74%まで導通し、同実験では50%より前に破断した試料はなかった。 これは一つの構造に対する実現可能性の結果であり、繰返し設計限界、装着時間、JASPERの工程能力を示すものではない。

柔軟積層・テキスタイルへのラミネート

CovestroはPlatilon TPUフィルムを印刷可能な基材とし、スマートテキスタイルやウェアラブル構造へ熱ラミネートできる層として説明している。 柔らかい衣服やパッチと回路の間に生じる機械的不連続を小さくできる可能性がある。グレードに応じ、TPUは基材、封止材、接着フィルム、または共押出構造の一層として使われる。

柔らかいフィルムだから身体装着パッチに自動的に適するわけではない。静荷重下のクリープ、伸長後の応力緩和、硬化時の変形、剛性コネクタへの荷重伝達が起こり得る。皮膚粘着材とライナーが取扱性を支配する場合もある。水分、模擬汗液、洗浄薬品、端部形状、閉塞状態による変化は、実際の全積層で評価する。

インクと基材の弾性率整合

ストレッチャブルインクは通常、エラストマー基材と共に変形するポリマーバインダーを使う。HenkelはLOCTITE ECI 1014を熱可塑性ポリウレタンバインダーの伸縮性銀充填インクとし、主要基材にTPUを挙げている。 バインダーの組合せは有力な開始条件だが、すべてのTPU表面への密着を保証しない。

Cahnらの研究では、一般的なフレキシブル用アクリル系インクが、PE874のポリウレタンバインダー系より強いひずみ集中を示した。 蛇行配線は有効軸ひずみを下げ、誘電体はひずみ分布を変えられるが、脆いインクをあらゆる運動条件から救えるわけではない。

6. 印刷性、硬化条件、インク密着をどう比較するか

印刷試作では、次の4点を一続きで確認する。調整済みフィルム上でインクが濡れ広がり、必要な解像を得られるか。基材を位置許容値以上に動かさず、必要抵抗まで硬化できるか。加工後も界面を保てるか。指定運動中と回復後に導電路が許容範囲内に残るか、である。

2種類のHenkel参照インクからも、硬化を一つの温度だけで語れないことが分かる。EDAG 725Aはポリエステル工程として120°C・15分を示す。 ECI 1014は100°C・5分より120°C・15分で低い抵抗を示すが、短時間・低温条件は弾性ウェブへの熱負荷を減らせる可能性がある。 抵抗差が機能上重要か、より高温の条件が寸法、密着、回復に影響するかを判断する必要がある。

表面処理には有効期間と取扱規則も必要である。Hassanらは、PET、PI、TPUに50 W・1分の酸素プラズマ処理を行ってからスクリーン印刷した。 TPUは300 µm、PETとPIは25 µmであり、同じ厚さの材料比較ではない。この研究が支えるのは表面処理を管理する原則であって、論文のプラズマ条件を量産へそのまま移すことではない。実グレードで濡れ、表面損傷、処理効果の減衰、密着を確認する。

試験方法の計画には、IEC 62899-202-5:2018が絶縁基材上の印刷導電層に対する反復曲げと電気特性評価を扱う。 IEC 62899-202-7:2021はフレキシブル基材上の印刷層について90°剥離を定義し、同等の基材・厚さ条件で比較するよう制約している。 プロジェクトでこれらを採用または補足する場合も、試験片形状、前処理、速度、半径またはひずみ、サイクル数、測定時点、故障判定を明記する。

7. ウェアラブル電極の3つの積層構造

基材は一層にすぎない。次の簡略図は、PET、TPU、または両方がどの機械的役割を受け持つかを示す。

PET中心：安定回路、変形は曲げのみ

患者／使用環境側

機器設計で定義した界面層

処理済みPET上の印刷電極＋誘電体

指定の感圧粘着材／スペーサー

剥離ライナーまたは筐体接着層

コネクタテールは引張領域の外へ配置

表面に沿って曲がるが伸びない回路に適する。配線は折り目、急な粘着材端部、支持のないコネクタ遷移部から離す。

TPU中心：追従する能動領域

患者／テキスタイル側

検証済みの界面／粘着層

伸縮対応の導体と誘電体

印刷可能なTPU基材

必要に応じたTPU封止層または熱接着層

選択した加工工程まではキャリアを保持

剛性電子部への遷移にひずみ緩和を設置

インク、誘電体、コネクタ遷移部を伸縮上の重要部として扱う。TPUフィルムが伸びても、最大ひずみ領域を横切る剛性銀配線は正当化できない。

ハイブリッド：安定島と追従領域

安定したコネクタ島 追従するセンシング領域

PET支持＋接点パッド · 重なり／遷移 · TPU＋伸縮配線

ひずみ緩和／補強板 皮膚または布地の動き

ハイブリッド型の医療センサーパッチ基材では、コネクタや高精度位置合わせ領域の下にPETを置き、動くセンシング領域にTPUを使える。ただし重なり部は無負荷領域ではない。粘着材のせん断、段差、導体終端、封止端でひずみが集中し得るため、専用クーポンと検査基準が必要になる。

8. 故障連鎖と試作検証マトリクス

有効な検証計画は、各要求を故障メカニズム、測定可能な兆候、判定へ結び付ける。「屈曲試験合格」だけでは材料リリースの根拠にならない。

以下はプロジェクト用の雛形であり、JASPERがすべての試験を実施するという主張ではない。OEMと製造パートナーは試作前に担当を割り当て、試験・サンプル承認計画に生データ、試験片方向、ロット、破壊位置を残す。

医療用途でも、基材とインクの選定は部品設計の範囲である。FDAは、関連する加工、製造助剤、残留物、滅菌を含む最終完成形の機器全体で生物学的評価を行うとしている。 ISO 14971:2019は医療機器のライフサイクルを通したリスクマネジメントを定め、ISO 10993-1:2025は生物学的安全性評価をそのリスクプロセス内に位置付ける。 いずれもPET、TPU、印刷電極、サプライヤーを完成医療機器として自動的に「承認済み」または生体適合にするものではない。

9. 用途別の基材・積層選定マトリクス

PETがすべての印刷電極に「優れる」わけでも、TPUが「上位材料」なわけでもない。変形を曲げとして設計できるならPET、伸長が避けられず導電積層も追従させるならTPU、一つの製品に両方の機械領域があるならハイブリッドを選ぶ。

必要な硬化温度、薬品曝露、動的疲労、高温動作が検証済みPET／TPU構造の範囲外なら、どちらも第一候補ではない。PI、PEN、シリコーン、SEBS、テキスタイル、リジッドフレックス構造を別途比較する。これは新しい選定問題であり、試験なしに材料群を置き換える根拠にはならない。

10. 基材選定とサンプル承認の前に必要な入力

見積条件と試作結果を比較できるよう、すべての製造候補へ同じ入力を渡す。JASPERはこの情報を用いて印刷電極部品を検討できるが、本稿は万能工程限界や完成医療機器の承認を主張しない。

図面・工程チェックリスト

• 電極形状、能動面積、配線幅、間隔、テール、接点パッド、打ち抜き外形
• 印刷、誘電体開口、粘着材、コネクタ、打ち抜きを結ぶ基準座標
• フィルム候補のサプライヤー、グレード、厚さ、処理面、色／透明性、巻方向
• 導電・誘電インク候補、乾燥膜厚目標、許容硬化上限
• 実装曲げ半径、曲げ軸、引張ひずみマップ、最大ひずみ、速度、保持、回復時間、サイクル条件
• ラミネート粘着材、封止材、界面材、剥離ライナー、裏打ち、剛性部品
• コネクタ／リード接続方法、補強板、遷移形状、組立順序
• 温度、湿度、模擬汗液／流体、洗浄剤、保管、包装、必要な場合の滅菌条件
• 初期抵抗と、各曝露中・曝露後に許容する変化
• 検査方法、サンプル数、故障定義、トレーサビリティ、変更管理

サンプル承認の完了条件

1. 購買記録とロット記録でフィルム、インクの品番を確認する。
2. 最終加熱・加工後に印刷から打ち抜きまでの位置を測定する。
3. 指定機械負荷の前、負荷中、負荷後に抵抗をマッピングする。
4. 単なる合否ではなく、密着試験の破壊位置を記録する。
5. 遷移部、切断端、誘電体終端、コネクタ島を検査する。
6. 量産想定の工具と積層材料で再現する。
7. 部品承認と完成機器の検証・規制申請を分けて管理する。

複数のセンシング点や配線案が必要な場合は、カスタム印刷電極アレイ向けに同じ入力を図面化する。初期工程を学習する試作では、量産想定プロトタイピングで何を証明するかを先に定義する。関連する製品範囲は電極パッド製品群で確認できる。

次のアクション： 「PETかTPUか」だけでなく、曲げ・伸び・工程要求を共有する。ひずみマップ、硬化温度上限、全積層、コネクタ遷移、電気的合否基準を同じ資料にまとめる。

出典

1. Cahn, G. et al., “The Role of Strain Localization on the Electrical Behavior of Flexible and Stretchable Screen Printed Silver Inks on Polymer Substrates,” Materialia 10 (2020) 100642
2. Mylar Specialty Films, Melinex ST506 Film Product Information , 2024年6月27日改訂。参照先（プレーンテキスト）：
3. Covestro, Platilon U 4201 AU Product Data 。参照先（プレーンテキスト）：
4. Henkel, LOCTITE EDAG 725A (6S61) E&C Technical Data Sheet , 2019年12月。参照先（プレーンテキスト）：
5. Henkel, LOCTITE ECI 1014 E&C Technical Data Sheet , 2024年11月。参照先（プレーンテキスト）：
6. Suikkola, J. et al., “Screen-Printing Fabrication and Characterization of Stretchable Electronics,” Scientific Reports 6 (2016) 25784
7. Covestro, Platilon — Powering Printed Electronics with TPU Films 。参照先（プレーンテキスト）：
8. Hassan, M. F. ul et al., “Electrical Characterization of Cost-Effective Screen-Printed Sensors Based on Thermoplastic Polyurethane, Polyimide, and Polyethylene Terephthalate,” Micromachines 16 (2025) 319
9. IEC 62899-202-5:2018, Mechanical bending test of a printed conductive layer on an insulating substrate
10. IEC 62899-202-7:2021, Measurement of peel strength for printed layer on flexible substrate by 90° peel method
11. U.S. FDA, Basics of Biocompatibility: Information Needed for Assessment by the FDA
12. ISO 14971:2019, Medical devices — Application of risk management to medical devices
13. ISO 10993-1:2025, Biological evaluation of medical devices — Part 1

よくある質問

印刷電極にはPETとTPUのどちらが適していますか？

主な要求が安定した位置合わせと曲げであればPET、電極自体を皮膚や布地とともに伸ばす必要があればTPUが適します。ただし最終判断は、フィルムのグレードと厚さ、インクのバインダー、配線形状、硬化条件、粘着積層、接続部、実測ひずみプロファイルを合わせて行います。

PET・TPU電極基材の最も重要な違いは何ですか？

PETは曲げられても寸法を保ちやすいフィルムで、TPUは伸びて回復できるエラストマーです。PETは印刷と加工の位置管理を簡素化しやすく、TPUは引張運動に追従できますが、張力、回復、位置ずれ、インクとの機械特性整合をより厳密に管理する必要があります。

一般的な銀インクをTPU上で伸ばせますか？

安定して伸ばせるとは限りません。Cahnらの35%ひずみ試験では、フレキシブル用アクリル系銀インクの方が、ポリウレタンバインダーの伸縮性インクより強いひずみ集中と抵抗変化を示しました。TPUグレード、インク、膜厚、形状、硬化、封止、サイクル条件を実構造で検証します。

薄いPET製フレキシブル印刷電極は皮膚上で使えますか？

主な変形が曲げで、積層全体が局所ひずみを管理できる用途では候補になります。回路が皮膚の動きとともに伸びる領域には適しにくく、粘着、水分、端部、装着感、完成機器の生物学的評価もフィルムとは別に確認する必要があります。

TPUの破断ひずみから電極の許容伸びを決められますか？

決められません。Covestroは50 µmのPlatilon U 4201 AU参照フィルムについて破断ひずみ500%を示していますが、印刷導体はそれよりはるかに早く抵抗許容値を超える可能性があります。用途のひずみマップと電気的合否基準を使い、反復試験で決定します。

医療センサーパッチにPETとTPUを併用できますか？

併用できます。PETでコネクタや高精度位置合わせ領域を安定させ、TPUで追従するセンシング領域を構成できます。ただし重なり部は重要設計領域であり、粘着材のせん断、段差、導体終端、封止端、キャリア剥離を量産想定の組立と運動条件で試験します。

PETとTPUでインク密着をどう比較しますか？

比較可能な範囲で、印刷層の形状、厚さ、前処理、界面試験法をそろえます。IEC 62899-202-7:2021は、フレキシブル基材上の印刷層に対する90°剥離の枠組みを示します。破壊位置を記録し、硬化、ラミネート、機械サイクル、関連環境曝露の後にも再測定します。

ウェアラブル医療電極では何を検証すべきですか？

寸法、抵抗、密着、曲げ・伸び応答、加工、コネクタ遷移、環境、包装、意図する使用状態の機能を完成構造で検証します。完成機器メーカーはISO 14971に基づくリスクマネジメントと、適用される生物学的・規制評価も担当します。フィルムのデータシートや部品サンプルだけでは完成機器を承認できません。