有機薄膜トランジスタにおける高精度しきい値電圧制御技術の確立

• 研究課題/領域番号: 22K18975
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分29:応用物理物性およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 植村 隆文 大阪大学, 産業科学研究所, 准教授 (30448097)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: フレキシブルセンサ / 有機トランジスタ / しきい値電圧制御 / フレキシブルエレクトロニクス / 相補型回路技術

研究開始時の研究の概要

本研究では、フレキシブル有機電子回路における高精度の特性制御技術を確立し、次世代センサ回路技術に求められる「高精度アナログ信号処理」と「超低消費電力駆動」を両立する事を目的としている。具体的な研究方法としては、独自に開発した光制御によって同一基板上のp/nトランジスタを高精度に制御する「しきい値電圧制御技術」を応用することによって研究目的を達成する。

研究成果の概要

本研究では、フレキシブル有機電子回路における高精度の特性制御技術を確立し、次世代センサ技術に求められる高精度アナログ信号処理と超低消費電力駆動を両立する事を目的として研究を実施した。本研究を通して、p型/n型フレキシブル有機トランジスタのしきい値電圧を0.1Vの高い精度で任意に制御することに成功し、nW級の超低消費電力回路駆動を実現した。加えて、しきい値電圧の制御だけではなく、金属半導体接合部の接触抵抗を低減する技術を新たに開発し、デバイスの高速動作にも本技術が有効であることが示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究を通して、同一基板上の任意の場所において、p型/n型のフレキシブル有機トランジスタのしきい値電圧を自在に制御可能な技術を実現した。またこれにより、3V程度の低電圧で駆動する相補型回路の駆動を実証し、消費電力や動作速度などを自在に制御できる事を示した。以上の研究成果はウェアラブルセンサ等に組み込まれるアナログ電子回路技術への応用において重要な技術であり、フレキシブル有機トランジスタの産業応用を加速する成果である。

研究成果

• [国際共同研究] JOANNEUM RESEARCH(オーストリア)
• [国際共同研究] JOANNEUM RESEARCH(オーストリア)
• [雑誌論文] Mid-Infrared Photothermal Imaging of Photochemically Patterned Polymer Gate Dielectrics for Organic Thin-Film Transistors (2024)
  • 著者名/発表者名: Kato Ryo、Taguchi Koki、Uemura Takafumi、Yano Taka-aki、Petritz Andreas、Stadlober Barbara、Sekitani Tsuyoshi、Tanaka Takuo
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 6 号: 4 ページ: 2584-2593
  • DOI: 10.1021/acsaelm.4c00161
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultraflexible Wireless Imager Integrated with Organic Circuits for Broadband Infrared Thermal Analysis (2024)
  • 著者名/発表者名: Rei Kawabata, Kou Li, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Kaho Sugimachi, Nozomi Matsuoka, Norika Takahashi, Daiki Sakai, Yuto Matsuzaki, Ryo Koshimizu, Minami Yamamoto, Leo Takai, Ryoga Odawara, Takaaki Abe, Shintaro Izumi, Naoko Kurihira, Takafumi Uemura, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 36 号: 15 ページ: 2309864-2309864
  • DOI: 10.1002/adma.202309864
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ultraflexible Organic Active Matrix Sensor Sheet for Tactile and Biosignal Monitoring (2023)
  • 著者名/発表者名: Karner‐Petritz Esther、Petritz Andreas、Uemura Takafumi、Namba Naoko、Araki Teppei、Sekitani Tsuyoshi、Stadlober Barbara
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 9 号: 9 ページ: 2201333-2201333
  • DOI: 10.1002/aelm.202201333
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Biosignal Amplifiers Based on Low‐Noise Organic Transistors with Printed Electrodes (2023)
  • 著者名/発表者名: Kimura Tomoharu、Uemura Takafumi、Shibafuji Yayoi、Suyama Takeshi、Ueno Hiroyuki、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: Advanced Electronic Materials 巻: 9 号: 9 ページ: 2201279-2201279
  • DOI: 10.1002/aelm.202201279
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Broadband Photodetectors and Imagers in Stretchable Electronics Packaging (2023)
  • 著者名/発表者名: Araki Teppei、Li Kou、Suzuki Daichi、Abe Takaaki、Kawabata Rei、Uemura Takafumi、Izumi Shintaro、Tsuruta Shuichi、Terasaki Nao、Kawano Yukio、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: - 号: 20 ページ: 2304048-2304048
  • DOI: 10.1002/adma.202304048
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Carrier-Type Switching with Gas Detection Using a Low-Impedance Hybrid Sensor of 2D Graphene Layer and MoOx Nanorod 3D Network (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugahara Tohru、Hirose Yukiko、Nakamura Jun-ichi、Ono Takao、Uemura Takafumi、Karakawa Makoto、Itoh Toshio、Shin Woosuck、Yang Yang、Harada Nobuyuki、Suganuma Katsuaki
  • 雑誌名: ACS Applied Engineering Materials 巻: 1 号: 4 ページ: 1086-1092
  • DOI: 10.1021/acsaenm.2c00178
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stretchable printed circuit board integrated with Ag-nanowire-based electrodes and organic transistors toward imperceptible electrophysiological sensing (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawabata Rei、Araki Teppei、Akiyama Mihoko、Uemura Takafumi、Wu Tianxu、Koga Hirotaka、Okabe Yusuke、Noda Yuki、Tsuruta Shuichi、Izumi Shintaro、Nogi Masaya、Suganuma Katsuaki、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: Flexible and Printed Electronics 巻: 7 号: 4 ページ: 044002-044002
  • DOI: 10.1088/2058-8585/ac968c
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fine-Tuning the Performance of Ultraflexible Organic Complementary Circuits on a Single Substrate via a Nanoscale Interfacial Photochemical Reaction (2022)
  • 著者名/発表者名: Taguchi Koki、Uemura Takafumi、Petritz Andreas、Namba Naoko、Akiyama Mihoko、Sugiyama Masahiro、Araki Teppei、Stadlober Barbara、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 4 号: 12 ページ: 6308-6321
  • DOI: 10.1021/acsaelm.2c01444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fully Transparent, Ultrathin Flexible Organic Electrochemical Transistors with Additive Integration for Bioelectronic Applications (2022)
  • 著者名/発表者名: Takemoto Ashuya、Araki Teppei、Nishimura Kazuya、Akiyama Mihoko、Uemura Takafumi、Kiriyama Kazuki、Koot Johan M.、Kasai Yuko、Kurihira Naoko、Osaki Shuto、Wakida Shin‐ichi、den Toonder Jaap M.J.、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: Advanced Science 巻: 10 号: 2 ページ: 2204746-2204746
  • DOI: 10.1002/advs.202204746
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Skin‐Like Transparent Sensor Sheet for Remote Healthcare Using Electroencephalography and Photoplethysmography (2022)
  • 著者名/発表者名: Araki Teppei、Yoshimoto Shusuke、Uemura Takafumi、Miyazaki Aiko、Kurihira Naoko、Kasai Yuko、Harada Yoshiko、Nezu Toshikazu、Iida Hirokazu、Sandbrook Junko、Izumi Shintaro、Sekitani Tsuyoshi
  • 雑誌名: Advanced Materials Technologies 巻: 7 号: 11 ページ: 2200362-2200362
  • DOI: 10.1002/admt.202200362
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] フレキシブルエレクトロニクスを活用した生体計測システムの研究開発と将来展望 (2024)
  • 著者名/発表者名: 植村隆文, 関谷毅
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultraflexible Low-Noise Organic Circuits for Wearable Sensors (2023)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Uemura
  • 学会等名: 12th imec Handai International Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultraflexible Low-Noise Organic Circuits for Wearable Soft Sensors (2023)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Uemura
  • 学会等名: 7th International Conference on Advanced Electromaterials (ICAE 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultraflexible Active-Matrix Sensor System and Low-Noise Circuits for Biosignal Monitoring (2023)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Uemura
  • 学会等名: The 23rd International Meeting on Information Display (IMID2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 超軽量・超薄型の生体センシングデバイスの研究開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 植村隆文
  • 学会等名: フレキシブルエネルギーデバイスコンソーシアム, 2023年度 第3回講演会
  • 招待講演
• [学会発表] ウェアラブルバイオセンシングデバイスのためのフレキシブル信号処理回路 (2023)
  • 著者名/発表者名: 植村隆文
  • 学会等名: 第33回 日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Environmentally Friendly Flexible-Sensor System with Organic Thin-Film Transistors (2023)
  • 著者名/発表者名: Mihoko AKIYAMA, Takafumi UEMURA, Teppei ARAKI, Shusuke YOSHIMOTO, Naoko NAMBA, Yuko KASAI, Toshikazu NEZU, and Tsuyoshi SEKITANI
  • 学会等名: The 26th SANKEN International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Thin-Film Organic Amplifiers for Stretchable Light Sensor Sheet (2023)
  • 著者名/発表者名: Rei KAWABATA, Teppei ARAKI, Mihoko AKIYAMA, Kou LI, Norika TAKAHASHI, Naoko KURIHIRA, Takafumi UEMURA, Yukio KAWANO, and Tsuyoshi SEKITANI
  • 学会等名: The 26th SANKEN International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Organic Electrochemical Devices with Sub-1V Operation for Electrophysiological Monitoring (2023)
  • 著者名/発表者名: Shohya MATSUDA, Teppei ARAKI, Kazuki KIRIYAMA, Mihoko AKIYAMA, Takafumi UEMURA, Naoko KURIHIRA, Yumi HIROSE, and Tsuyoshi SEKITANI
  • 学会等名: The 26th SANKEN International Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] フレキシブルエレクトロニクスによる微小信号計測IoTプラットフォームの構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 住野稜太, 植村隆文, 荒木徹平, 関谷毅
  • 学会等名: 令和4年度ライフォミクス融合研究推進グラント報告会
• [学会発表] ウェアラブル汗センサ実現に向けたNa,Kイオン選択電極の構築 (2023)
  • 著者名/発表者名: 碇本修佑, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 原友輝, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • 学会等名: 令和4年度ライフォミクス融合研究推進グラント報告会
• [学会発表] Ultraflexible Organic Circuits for Low Noise Wearable Sensors (2022)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Uemura and Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 12th International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Stretchable Printed Circuit Board and Organic Circuit for Ultra-Flexible Biosignal Sensor (2022)
  • 著者名/発表者名: Rei Kawabata, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Tianxu Wu, Yusuke Okabe, Hirotaka Koga, Takafumi Uemura, Masaya Nogi, Katsuaki Suganuma, and Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Ultra-Stretchable and Transparent Biocompatible Electrodes Toward Remote Acquisition of Multimodal Physiological Signals (2022)
  • 著者名/発表者名: Teppei Araki, Shusuke Yoshimoto, Takafumi Uemura, Naoko Kurihira, Yuko Kasai, Toshikazu Nezu, Hirokazu Iida, Junko Sandbrook, Shintaro Izumi, and Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Photopatternable Control of Threshold Voltage in Organic Transistors for Complementary Ultraflexible Circuits (2022)
  • 著者名/発表者名: Koki Taguchi, Takafumi Uemura, Andreas Petritz, Naoko Namba, Teppei Araki, Masahiro Sugiyama, Barbala Stadlober, and Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Ultraflexible and Bio Conformable Organic Circuits for Healthcare Applications (2022)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Uemura, Naoko Namba, Masahiro Sugiyama, Koki Taguchi, Mihoko Akiyama, Teppei Araki, and Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Imperceptible Strain Sensors Based on Ultraflexible Or Stretchable Ferroelectric Polymer Transducers (2022)
  • 著者名/発表者名: Barbara Stadlober, Andreas Petritz, Philipp Schaffner, Krzysztof Krawzcyk, Esther Karner-Petritz, Jonas Groten, Markus Selig, Manfred Adler, Takafumi Uemura, Teppei Araki, Tsuyoshi Sekitani, Sandra Schlogl,Inge Muhlbacher
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] フレキシブルエレクトロニクスの研究開発とシート型 IoT センサへの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 植村隆文
  • 学会等名: センサ＆ IoT コンソーシアムセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 超柔軟な生体電位センサ創出にむけたストレッチャブル配線板の開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 荒木徹平, 秋山実邦子, 呉天旭, 岡部祐輔, 古賀大尚, 植村隆文, 能木雅也, 菅沼克昭, 関谷毅
  • 学会等名: 第32回マイクロエレクトロニクスシンポジウム
• [学会発表] フレキシブル有機回路のセンサー実装に向けて (2022)
  • 著者名/発表者名: 田口剛輝, 植村隆文, Andreas Petritz, 難波直子, 秋山実邦子, 杉山真弘, 荒木徹平, Barbala Stadlober, 関谷毅
  • 学会等名: 2022年度第1回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] 単一基板内フレキシブル有機相補型回路の性能変調:光化学反応を利用した有機薄膜トランジスタの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田口剛輝, 植村隆文, Andreas Petritz, 難波直子, 秋山実邦子, 杉山真弘, 荒木徹平, Barbala Stadlober, 関谷毅
  • 学会等名: 第17回有機デバイス・物性院生研究会
• [学会発表] ウェアラブル生体信号計測に向けた伸縮配線・回路の開発と評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂東勇希，植村隆文，難波直子，井上由美，荒木徹平，関谷毅
  • 学会等名: 第20回 産総研・産技連LS-BT合同研究発表会
• [学会発表] ウェアラブル汗センサ実現に向けたNa, Kイオン選択電極の構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原友輝, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • 学会等名: 2022年度第一回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [学会発表] 運動時の汗中電解質を連続計測するウェアラブルイオンセンサの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 原友輝, 植村隆文, 脇田慎一, 井波敬, 秋山実邦子, 箕嶋朋子, 住野稜太, 笠井夕子, 荒木徹平, 関谷毅
  • 学会等名: 産業科学研究所第78回学術講演会・第7回ホームカミングデイ
• [学会発表] フレキシブル光センサにむけた有機増幅回路の周波数特性とノイズの評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 荒木徹平, 秋山実邦子, 栗平 直子, 植村隆文, 関谷毅
  • 学会等名: 2022年度第一回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [図書] フレキシブルエレクトロニクスを開拓するシート型センサ (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒木徹平, 植村隆文, 関谷毅
  • 総ページ数: 6
  • 出版者: 設計工学, 日本設計工学会
• [図書] 第3章・第2節・生体情報計測向け自己発電・蓄電機能付きシート型センサの開発, スマートヘルスケア：生体情報の計測・評価・活用とウェアラブルデバイスの開発・製品事例 (2023)
  • 著者名/発表者名: 植村 隆文, Andreas Petritz, Esther Karner-Petritz, Philipp Schaffner, 荒木 徹平, Barbara Stadlober, 関谷 毅
  • 総ページ数: 9
  • 出版者: 株式会社 エヌ・ティー・エス
• [図書] 柔軟・透明な導電性材料の開発と生体信号計測センサシートへの応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 荒木徹平, 植村隆文, 関谷毅
  • 総ページ数: 10
  • 出版者: CMC出版