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2020 年度 実績報告書

弾性グラディエントナノ薄膜を利用した自由変形可能な太陽電池の創成

計画研究

研究領域ソフトロボット学の創成:機電・物質・生体情報の有機的融合
研究課題/領域番号 18H05469
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

福田 憲二郎  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (40613766)

研究分担者 藤枝 俊宣  東京工業大学, 生命理工学院, 講師 (70538735)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワード有機太陽電池 / フレキシブルエレクトロニクス / ストレッチャブルエレクトロニクス / 伸縮性導体 / ナノシート
研究実績の概要

本年度は異種基板上に作製した有機エレクトロニクスを導電接合させる技術の開発に取り組んだ。金の接合が可能となる新たな技術を開発した。厚さ1μmのパリレン基板上の蒸着金(表面粗さ5 nm)表面に水蒸気プラズマ処理を行い、金表面同士を大気中室温で接触させているだけで接合が完了する。従来の表面活性化接合技術では接合が完了しない粗い金表面で接合が完了することを確認した。また、高い解像度、機械歪み安定性、温度安定性を有していることも確認した。以上の内容で特許出願を完了させた。これに加えて球など非展開曲面に貼り付ける技術確立を行った。熱収縮フィルムと超薄型基板を組み合わせ、任意の位置で熱収縮フィルムを収縮させることで非展開曲面への自由な貼り付けを可能にした。このプロセス後でも有機太陽電池の性能がほとんど劣化しないことを見出した。以上の2点の内容について、現在論文執筆中である。
高分子ナノ薄膜の超薄性と柔軟性を利用することで、低電圧で駆動可能な積層構造を有する身体貼付型の誘電エラストマーアクチュエータ(DEA)の開発を進めた。具体的には、スチレンーブタジエンースチレン共重合体(SBS)からなるナノ薄膜上に単層カーボンナノチューブ(SWCNT)層を塗布することで、柔軟性と皮膚貼付性に優れるSWCNT-SBSナノシート(膜厚94 nm)を得た。この薄膜状電極を用いて積層型DEAを作製し、電圧印可時の変位量を測定したところ、誘電エラストマー層と電極層の膜厚を減少させることで、1 kV以下まで印加電圧を低下させることに成功した。今後は、DEAの膜厚構成を最適化することで、駆動電圧の更なる低下や触覚提示(ハプティクス)デバイスへと展開する。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

自由変形する超薄型有機太陽電池という目標に向けて、様々な有効なアプローチが実現しつつあるため、順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

新しく開発したDEAの駆動電圧をさらに低下させることで、弾性グラディエント構造を利用した有機薄膜太陽電池への接続ならびに生体表面上での駆動を目指す。また、接合技術については他の金属材料や異種金属同士、高分子フィルムの接合などへの拡張を目指す。

  • 研究成果

    (33件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (7件) 学会発表 (23件) (うち招待講演 12件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Ultra-thin, transparent, porous substrates as 3D culture scaffolds for engineering ASC spheroids for high-magnification imaging2020

    • 著者名/発表者名
      Suematsu Yoshitaka、Tsai Ya An、Takeoka Shinji、Franz Clemens M.、Arai Satoshi、Fujie Toshinori
    • 雑誌名

      Journal of Materials Chemistry B

      巻: 8 ページ: 6999~7008

    • DOI

      10.1039/D0TB00723D

  • [雑誌論文] A Coupled FEM‐SPH Modeling Technique to Investigate the Contractility of Biohybrid Thin Films2020

    • 著者名/発表者名
      Vannozzi Lorenzo、Mazzocchi Tommaso、Hasebe Arihiro、Takeoka Shinji、Fujie Toshinori、Ricotti Leonardo
    • 雑誌名

      Advanced Biosystems

      巻: 4 ページ: 1900306~1900306

    • DOI

      10.1002/adbi.201900306

  • [雑誌論文] Biopotential Measurement of Plant Leaves with Ultra-Light and Flexible Conductive Polymer Nanosheets2020

    • 著者名/発表者名
      Taniguchi Hiroaki、Akiyama Kazuhiro、Fujie Toshinori
    • 雑誌名

      Bulletin of the Chemical Society of Japan

      巻: 93 ページ: 1007~1013

    • DOI

      10.1246/bcsj.20200064

  • [雑誌論文] Stretchable and High‐Adhesive Plasmonic Metasheet Using Al Subwavelength Grating Embedded in an Elastomer Nanosheet2020

    • 著者名/発表者名
      Kumagai Hayato、Fujie Toshinori、Sawada Kazuaki、Takahashi Kazuhiro
    • 雑誌名

      Advanced Optical Materials

      巻: 8 ページ: 1902074~1902074

    • DOI

      10.1002/adom.201902074

  • [雑誌論文] Efficient differentiation and polarization of primary cultured neurons on poly(lactic acid) scaffolds with microgrooved structures2020

    • 著者名/発表者名
      Otomo Asako、Ueda Mahoko Takahashi、Fujie Toshinori、Hasebe Arihiro、Suematsu Yoshitaka、Okamura Yosuke、Takeoka Shinji、Hadano Shinji、Nakagawa So
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 10 ページ: 6716

    • DOI

      10.1038/s41598-020-63537-z

  • [雑誌論文] An Efficient Ultra‐Flexible Photo‐Charging System Integrating Organic Photovoltaics and Supercapacitors2020

    • 著者名/発表者名
      Liu Ruiyuan、Takakuwa Masahito、Li Ailong、Inoue Daishi、Hashizume Daisuke、Yu Kilho、Umezu Shinjiro、Fukuda Kenjiro、Someya Takao
    • 雑誌名

      Advanced Energy Materials

      巻: 10 ページ: 2000523~2000523

    • DOI

      10.1002/aenm.202000523

  • [雑誌論文] The Future of Flexible Organic Solar Cells2020

    • 著者名/発表者名
      Fukuda Kenjiro、Yu Kilho、Someya Takao
    • 雑誌名

      Advanced Energy Materials

      巻: 10 ページ: 2000765~2000765

    • DOI

      10.1002/aenm.202000765

  • [学会発表] Printed nanofilms for medical and health-care applications2021

    • 著者名/発表者名
      Fujie, T
    • 学会等名
      Joint Workshops between TokyoTech & RWTH Aachen
  • [学会発表] フェニルボロン酸ハイドロゲルと薄膜状キャパシタを用いた高血糖状態の検出機構の開発と無線伝送への応用2021

    • 著者名/発表者名
      藤田 創, 山岸 健人, 田原 優, 橋本 道尚, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      電気化学会第88回大会
  • [学会発表] 超軽量・柔軟な導電性ナノシートを用いた植物葉の生体電位測定2021

    • 著者名/発表者名
      谷口 広晃, 秋山 和広, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      日本農芸化学会2021年度大会
  • [学会発表] 生体貼付型デバイスによるデジタルヘルスケアへの挑戦2021

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      Future Trend in Polymer Science 2020 (FTiPS 2020)
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子ナノシートのバイオ・エレクトロニクス展開2021

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      高分子学会東海支部令和2年度東海シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Printed Nanofilm to Engineer Bioelectronic “Second Skin”, 4th NanoLSI Symposium2020

    • 著者名/発表者名
      Fujie, T
    • 学会等名
      Chemistry-Driven Challenges: from Molecule to Nano/Microscale.
    • 招待講演
  • [学会発表] Self-healing Cell Tactile Sensor Fabricated Using Ultraflexible Printed Electrodes2020

    • 著者名/発表者名
      Shimizu, M., Fujie, T., Umedachi, T., Shigaki, S., Kawashima, H., Saito, M., Ohashi, H.,Hosoda, K
    • 学会等名
      2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS).
  • [学会発表] 高分子ナノ薄膜からなる生体貼付型デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      ナノ学会(ナノ構造・物性-ナノ機能・応用部会合同シンポジウム)
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノシート工学に基づく生体貼付型デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      木原記念横浜生命科学振興財団LIP. YOKOHAMA BIBLIOセミナー, Yokohama Scientists Spotlight
    • 招待講演
  • [学会発表] 高分子ナノシートが拓く医療・ヘルスケア技術2020

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      20-1高分子表面研究会(ヘルスケアと表面・界面)
    • 招待講演
  • [学会発表] 多孔質ナノシートを用いた脂肪組織由来幹細胞のスフェロイド形成制御2020

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣, 末松 良隆, 武岡 真司
    • 学会等名
      第69回高分子討論会
  • [学会発表] グルコース感受性ハイドロゲルと薄 膜状キャパシタからなる無線通信型血糖値測定デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      藤田 創, 山岸 健人, 橋本 道尚, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      第81回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 生体内埋め込みに向けた誘導加熱型薄膜状発熱デバイス2020

    • 著者名/発表者名
      齋藤 優人, 松谷 哲行, 金井 詠一, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      第81回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 非標識神経伝達物質検出に向けた分子インプリント法によるMEMS 光干渉型表面応力センサの作製2020

    • 著者名/発表者名
      高橋 利昌, 太田 宏之, 藤枝 俊宣, 澤田 和明, 髙橋 一浩
    • 学会等名
      第81回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] グルコース感受性ハイドロゲルと薄膜状キャパシタからなる皮膚貼付型デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      藤田 創, 山岸 健人, 橋本 道尚, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      第69回高分子学会年次大会
  • [学会発表] 生体内埋め込みに向けた無線給電式薄膜状発熱デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      齋藤 優人, 松谷 哲行, 金井 詠一, 藤枝 俊宣
    • 学会等名
      第69回高分子学会年次大会
  • [学会発表] メトロノミック光線力学療法に向けた埋め込み型発光デバイスの開発2020

    • 著者名/発表者名
      藤枝 俊宣
    • 学会等名
      第59回日本生体医工学会
  • [学会発表] 超柔軟有機太陽電池を利用したウェアラブルエレクトロニクスの可能性2020

    • 著者名/発表者名
      福田 憲二郎, 染谷隆夫
    • 学会等名
      FMIT研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 有機太陽電池の薄型化と高性能化、その応用可能性について2020

    • 著者名/発表者名
      福田 憲二郎
    • 学会等名
      TIA-EXA広域エレクトロニクス融合セミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] 超薄型有機太陽電池による自立駆動型システム2020

    • 著者名/発表者名
      福田 憲二郎
    • 学会等名
      第29回ポリマー材料フォーラム
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultra-thin organic photovoltaics and sensors for wearable sensors2020

    • 著者名/発表者名
      Kenjiro Fukuda, Tomoyuki Yokota, Zhi Jiang, Sunghoon Lee, Wenchao Huang, Hyunjae Lee1 and Takao Someya
    • 学会等名
      2020 Virtual MRS Spring/Fall Meeting & Exhibit, S.SM04.02.03
    • 招待講演
  • [学会発表] Flexible organic solar cells and integrated systems for wearable electronics2020

    • 著者名/発表者名
      Kenjiro Fukuda, Ruiyuan Liu, Zhi Jiang, Kilho Yu, and Takao Someya
    • 学会等名
      Virtual MRS Spring/Fall Meeting & Exhibit, F.FL03.03.02
    • 招待講演
  • [学会発表] 超薄型有機太陽電池が切り拓くウェアラブルエレクトロニクスへの電源供給技術2020

    • 著者名/発表者名
      福田 憲二郎
    • 学会等名
      第4 4 回ポリマー光部品(POC)研究会
    • 招待講演
  • [備考] 理研 染谷薄膜素子研究室/創発ソフトシステム研究チーム

    • URL

      http://rikensomeya.riken.jp/member/fukuda.html

  • [備考] 東京工業大学生命理工学院 藤枝研究室

    • URL

      https://sites.google.com/view/fujie-laboratory/home

  • [産業財産権] 接合方法および接合体2021

    • 発明者名
      高桑聖仁、福田憲二郎、染谷隆夫
    • 権利者名
      高桑聖仁、福田憲二郎、染谷隆夫
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2021-006995

URL: 

公開日: 2021-12-27  

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