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デバイス・応用

光を使って回路を操る ~フレキシブル有機電子回路の電気特性制御を実現~

 大阪大学(阪大)と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2021年9月21日,同大学産業科学研究所の植村隆文特任准教授(常勤)(JST 創発的研究支援事業・創発研究者,産業技術総合研究所特定 フェロー兼任)らの研究チームが,オーストリアの Joanneum 研究所の Andreas Petritz博士らの研究チームと共に,光照射によるフレキシブル有機トランジスタ集積回路特性の制御技術の開発に成功したことを発表した.本研究は,JST創発的研究支援事業,産総研・阪大 先端フォトニ クス・バイオセンシングオープンイノベーションラボラトリにおける研究の一環として行われた.成果はドイツ国際学術誌Advanced Materialsに掲載され(注),阪大・Joanneum研究所からの英文リリースは,海外サイトも紹介した.

 フレキシブル電子デバイスは,無意識下のウェアラブル生体計測を実現するためのデバイス技術として,研究開発が行われており,研究グループでも,本質的に高い機械的柔軟性を有するフレキシブル有機トランジスタ回路のデバイスへの応用を進めている.生体信号計測を実現するセンサデバイスでは,構成するスイッチング回路,信号処理回路など,複数の電子回路において,個別のトランジスタの電気特性制御が要求される.従来技術でこれを実現するためには,制御用電極を付与した構造や,複数の界面修飾材料を個別に成膜するなど,複雑な構造や複数の有機材料を使いこなす複雑な製造技術が必要であった.

 今回,研究グループは有機トランジスタのゲート絶縁膜に用いる高分子材料に紫外光を照射することにより分子構造変化を起こさせ,集積回路中の特定のトランシスタの電気特性を制御し,集積回路の機能を操ることを考えた.高分子材料としてJoanneum研究所において開発された PNDPE(poly((±)endo,exobicyclo[2.2.1]hept-ene-2,3-di)を用いた実験で,架橋反応により照射光量0~0.8J/cm2の範囲でトランジスタのしきい値電圧が-1.5~+0.2Vの変化を示し,紫外光(実験では水銀ランプ,波長254nmを使用)によりしきい値電圧を任意に制御できることが分かった.本方式の特徴は,露光のパターニングにより集積回路内の領域を選択的にトランジスタしきい値調整ができることである.実験ではパターン精度は18μmであったが,今後空間分解能は改善が期待できるとしている.また,集積回路上に,インバータ論理回路3段を直列接続して形成したリングオシレータでは,照射光量0~0.8J/cm2の変化に対応して発振周波数が数10Hz~数kHzと変化した.

 本研究成果により,光照射による簡単な工程と,少ない材料使用によって フレキシブル有機電子回路の特性を自在に制御可能であることが示された.本技術が,無意識下のウェアラブル生体計測など,実空間のあらゆる対象物を センシングする技術として活用されることが期待される.

(注)Koki Taguchi, Takafumi Uemura, Naoko Namba, Andreas Petritz, Teppei Araki, Masahiro Sugiyama, Barbara Stadlober, and Tsuyoshi Sekitani, "Heterogeneous Functional Dielectric Patterns for Charge Carrier Modulation in Ultraflexible Organic Integrated Circuits", Advanced Materials, Early View, 210446, DOI: 10.1002/adma.202104446; First published: 21 September 2021