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柔らかく伸び縮みする半導体デバイスで世界最高周波数の駆動に成功 ~未来のウェアラブルは伸縮性・ワイヤレス~

 慶応義塾大学は2021年12月9日,同大学理工学部電気情報工学科の久松直司 専任講師,スタンフォード大学化学工学科(米国)のZhenan BAO教授らの研究グループが,柔らかく伸び縮みする半導体デバイスを非接触交通カードで用いられる13.56 MHzの高周波で動作させることに成功した,と発表した.本研究の一部は,独立行政法人 日本学術振興会(JSPS)の海外特別研究員制度,シンガポール科学技術研究庁(A*STAR)などの支援を受けて行われ,成果はNature誌に掲載された(注).
 身体に直接貼り付けて生体情報を取得するウェアラブルデバイスは,健康管理や病気の早期発見に有用で今後一層普及が進むと思われる.現在使用されているデバイスの多くは硬い材料で造られているが,薄いゴムシートのような,柔軟で身体にフィットして長時間装着してもストレスを与えない伸縮性電子材料の開発が望まれている.これまでもさまざまな伸縮性半導体デバイスが開発されているものの,駆動周波数は100Hz程度で,MHz以上の高い周波数で動く現代の電子デバイスへの適用は難しかった.

 本研究において,研究グループは,新たに高周波駆動用に精密にチューニングされたさまざまな伸縮性電子材料を開発した.伸縮性高分子半導体は3,6-di(thiophen-2-yl)-2,5-dihydropyrrolo[3,4-c]pyrrole -1,4-dione(DPP)と5,5'-bis(trimethylstannyl)-2,2'-bithiophene(bT)の共重合物であるが,DPPにはシリコンゴムの構造や長鎖のアルキル基が付加されている.シリコンゴムの構造を組み込むことでヤング率はおおよそ170MPaから70MPaに低下した.その電荷移動度は0.30cm2V-1s-1で伸縮性を付与していないときの0.51cm2V-1s-1に比べてさほど大きく低下せず,MHzレベルの高周波数の作動が可能である.カソード,アノードはともにpoly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate(PEDOT:PSS)に1-Ethyl-3-(3-sulfopropyl)-imidazolium para-toluenesulfonate(ION E)を加えたもので,伸張性向上のため高分子量のPSSが使われている.外部電極は銀ナノワイヤをポリウレタンに分散し,高周波特性を維持しつつ伸縮性を付与した.これらの伸縮性電子材料を組合わせて,高周波で作動する伸縮性ダイオードが開発された.このダイオードはフィルム状で,中心の伸縮性半導体層をそれぞれ伸縮性導電性高分子のカソード層とアノード層で挟み,カソードとアノードの外側に金の極薄膜,その外側に銀ナノワイヤを含むポリウレタン層を配した7層構造である.半導体層の厚みは70nm,半導体とカソードのショットキーバリヤーで整流が行われる.RFID用の高周波(13.56MHz±2V)を印加すると電流密度(Jf)0.2Acm-2,オン-オフ比102で作動する.この高周波伸縮性ダイオードを集積化して,柔らかく伸び縮みするセンサー・ディスプレイ・ アンテナの作製にも成功した.元のサイズが13mm×6.5mm程度のダイオードが20mm×4.3mmに引き伸ばされた写真や,50%まで引き伸ばされた状態で10Hzの伸縮運動に耐える様子,ワイヤレス給電の歪みセンサーとして,20%以上の変形を受けながら作動するデモビデオも公開されている.

 本研究の成果は,次世代ウェアラブルデバイス実用化への一歩になると期待される.
(注)N. Matsuhisa, S. Niu, S. J. K. O'Neill, J. Kang, Y. Ochiai, T. Katsumata, H.-C. Wu, M. Ashizawa, G.-J. N. Wang, D. Zhong, X. Wang, X. Gong, Rui Ning, H. Gong, I. You, Y. Zheng, Z. Zhang, J. B.-H. Tok, X. Chen, and Z. Bao "High-frequency and intrinsically stretchable polymer diodes", Nature, Vol. 600, pages 246-252 (2021), doi: 10.1038/s41586-021-04053-6; Published: 08 December 2021