有機デバイスの高密度実装に向けた柔軟微細配線の研究開発

• 研究課題/領域番号: 22KJ2167
• 補助金の研究課題番号: 22J13899 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 川端 玲 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 2023年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円); 2022年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
• キーワード: フレキシブルエレクトロニクス / 伸縮配線 / 有機トランジスタ / 光センサ / フレキブルセンサ / ストレッチャブル配線 / 印刷配線板

研究開始時の研究の概要

生体や構造物などの任意表面で動作するフレキシブルデバイス開発において、柔軟配線は基盤技術の1つである。本研究では、フレキシブルデバイスの高伸縮化および高密度化に資する柔軟配線の開発に取り組む。金属ナノ-マイクロ材料を利用した配線材料およびその制御技術の開発によって、柔軟配線の形成技術を構築する。本配線技術に基づき、ポリマー基板や有機トランジスタを用いたやわらかい電子回路を実装し、フレキシブルデバイスの伸縮性などの特性向上を狙う。さらに、有機信号処理回路やイメージングデバイスの開発を通して、フレキシブルデバイスのデモンストレーションを行う。

研究実績の概要

本研究では、伸縮配線と有機回路の研究開発に基づき、超柔軟なシート型光センサを開発した。伸縮配線は、Agマイクロ粒子を含む導電性ペーストに、Agナノワイヤを配合することで作製した。この配線は、Agナノワイヤの配合によって導電率が3.6倍向上し、75%ひずみの繰り返し伸縮に対する耐久性を得た。有機回路の開発では、有機トランジスタのデバイス構造開発および回路設計を行った。先述した伸縮配線を用いて実装した有機電圧増幅器は、75%ひずみ下においても安定した増幅特性を示した。次に、光センサへの有機回路実装に向けて、遮光構造を有する有機トランジスタを新たに開発した。この有機トランジスタは、光照射下においても特性が一定であり、安定したスイッチング動作が可能であった。また、シート型光センサの受光素子として、カーボンナノチューブ薄膜からなる熱検出型のフレキシブル光検出器を開発した。この光検出器は、厚さ5マイクロメートル以下の薄膜基板上に印刷形成することで、厚い基板（厚さ500マイクロメートル以上）上に形成された場合と比較し、出力電圧は約21倍、応答速度は15倍以上に向上した。最後に、有機トランジスタと光検出器からなるセルを集積化したアクティブマトリックスを構築し、可視や赤外の光によって撮像可能なシート型光センサを作製した。このシート型光センサは、機械的柔軟性を有するイメージングデバイスとして機能し、曲げ変形下においても光照射の連続撮像が可能であった。さらに、本デバイスは熱イメージングへの応用も可能であり、熱源、生体、液中化学物質の分析が可能であることが示された。一連の研究成果は、超柔軟な有機デバイスによるユビキタスな検査分析・モニタリング技術の構築を促進することが期待される。以上の研究成果に関して、国際学術論文誌3件および会議発表10件（国際学会4件含む）の対外発表を行った。

研究成果

• [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] 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] 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
• [学会発表] 超柔軟・広帯域イメージャーの開発と赤外撮像への応用 (2024)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 荒木徹平, 阿部岳晃, 植村隆文, 李恒, 河野行雄, 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] 超柔軟赤外イメージャーに向けた薄膜有機アクティブマトリックスの開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 李恒, 荒木徹平, 秋山実邦子, 杉町夏穂, 松岡望, 高橋典華, 酒井大揮, 松﨑勇斗, 越水瞭, 阿部岳晃, 和泉慎太郎, 栗平直子, 植村隆文, 河野行雄, 関谷毅
  • 学会等名: 第30回「エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術」シンポジウム
• [学会発表] Flexible Carbon Nanotube-Based Optical Sensor Sheet Integrated with Ultra-Thin Organic Circuits (2023)
  • 著者名/発表者名: Rei Kawabata, Kou Li, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Norika Takahashi, Daiki Sakai, Yuto Matsuzaki, Minami Yamamoto, Leo Takai, Yuto Aoshima, Nozomi Matsuoka, Naoko Kurihira, Takafumi Uemura, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] Ultraflexible Organic Amplifiers for Highly Sensitive Infrared Imagers (2023)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 荒木徹平, 秋山実邦子, 松岡望, 杉町夏穂, 栗平直子, 植村隆文, 関谷毅
  • 学会等名: 第79回産研学術講演会
• [学会発表] カーボンナノチューブ光検出器と有機回路を用いた 超柔軟・高感度なフレキシブル光センサシート (2023)
  • 著者名/発表者名: 川端玲, 李恒, 荒木徹平, 秋山実邦子, 高橋典華, 酒井大揮, 松﨑勇斗, 山本みな実, 高井怜於, 青嶋祐斗, 松岡望, 栗平直子, 植村隆文, 河野行雄, 関谷毅
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Flexible Light Sensor with Organic Amplifiers for Enhanced Infrared Detection (2023)
  • 著者名/発表者名: Rei Kawabata, Kou Li, Teppei Araki, Mihoko Akiyama, Norika Takahashi, Naoko Kurihira, Takafumi Uemura, Yukio Kawano, Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: Young Researchers Society for Flexible and Stretchable Electronics
  • 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, Tsuyoshi SEKITANI
  • 学会等名: The 26th SANKEN International Symposium
  • 国際学会
• [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, Tsuyoshi Sekitani
  • 学会等名: 2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [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1回大阪大学JSAP学生チャプター講演会
• [備考] 薄くて柔らかいシート型光センサが拓く“やさしい光分析技術”
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2024/20240123_2