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2019 年度 実施状況報告書

超スマート社会における即時検査を目的としたウェアラブル非破壊検査デバイスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K15002
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

鈴木 大地  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 基礎科学特別研究員 (80823640)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードテラヘルツ / 光熱起電力 / フレキシブルスキャナー / カーボンナノチューブ / 非破壊検査
研究実績の概要

本研究においてカーボンナノチューブ(CNT)を材料とするウェアラブル非破壊検査デバイスの開発を目指す。2019年度の研究では、フレキシブルテラヘルツ(THz)検出器の小型化及び2次元配列化技術の確立に取り組んだ。
まず、検出器の小型化に向け、材料であるCNT膜に0.1mm間隔でドーピング液を塗布する技術の開発に取り組んだ。当初の計画ではニードル式塗布機構やナノインクジェット法を用いてドーピング液の微小量塗布を行うドーパント塗布法により小型化を行う予定であった。しかし、研究を進めるうちに、CNT膜のようなネットワーク材料に微少量のドーピング溶液を塗布しようとすると毛細管現象による吸出しや膜構造の不均一性により狙った位置に再現性良く正確な量のドーピングを行うことが困難であることが判明した。そこで本研究では代替案としてビスマス等ゼーベック係数が負の金属を導入することで、検出器の感度を保持したまま1素子のサイズを0.1 mmまで小型化することを達成した。次に、検出器の材料であるCNT自立膜をマイクロスケールで2次元に配列する技術の確立に取り組んだ。レーザー加工機により2次元状にスリット加工されたポリイミドフィルムを使用することで、CNT自立膜を狙った位置に成膜する自己整合成膜技術を確立した。加えて、フィルムの種類やCNT分散液の濾過量等の成膜条件を明らかにし、100%の歩留まりを達成した。
上記2技術を合わせることで、本研究において100画素のフレキシブルTHzカメラを作製することができ、ウェアラブル非破壊検査デバイスの基盤技術を確立することができた。

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

2019年度の研究ではフレキシブルTHz検出器の小型化及び2次元配列化技術の確立に向け、ドーピング液の微少量塗布技術およびCNT自立膜をマイクロスケールで2次元に配列する技術を確立する予定であった。ドーピング液の微少量塗布技術については、当初の計画ではニードル式塗布機構やナノインクジェット法を用いて小型化を行う予定であったが、研究を進めるうちに、CNT膜のようなネットワーク材料に微少量のドーピング溶液を塗布しようとすると毛細管現象による吸出しや膜構造の不均一性により狙った位置に再現性良く正確な量のドーピングを行うことが困難であることが判明した。そこで本研究では代替案としてビスマス等ゼーベック係数が負の金属を導入することで、検出器の感度を保持したまま1素子のサイズを0.1 mmまで小型化することを達成した。また、CNT自立膜をマイクロスケールで2次元に配列する技術については、当初の予定通りレーザー加工機により2次元状にスリット加工されたポリイミドフィルムを使用することで、CNT自立膜を狙った位置に成膜する自己整合成膜技術を確立した。加えて、フィルムの種類やCNT分散液の濾過量等の成膜条件を明らかにし、100%の歩留まりを達成した。
研究成果としては、学術論文についてはCarbon誌への掲載および2020年4月末時点で1編投稿中、学会発表については8件(うち3件が招待講演)の成果を残すことができた。
以上の点から、2019年度は当初の計画通りおおむね順調に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

2020年度は当初の計画であるウェアラブル非破壊検査デバイスの開発と即時検査応用の実証実験に取り組むとともに、ドーパント塗布法に代わるドーパント蒸着法の確立を目指す。ドーパント蒸着法については、Nドーパントであるジメチルベンズイミダゾール誘導体をシャドーマスク越しにパターン蒸着することで、0.1mm角以下でのCNT膜のNドーピングを実現する。
次に、フレキシブルTHzカメラの電極配線に伸縮性を有する導電性有機樹脂材料を導入することで、ウェアラブル化を目指す。本研究では有機樹脂の塗布方法や検出感度への影響、折り曲げ疲労への耐久性等を調べると共に、金属電極と有機樹脂の併用や、中継ワイヤーを組み込む等、ウェアラブル化に適した電極配線構造を明らかにすることで、指先に装着可能なウェアラブル非破壊検査デバイスを作製する。
最後に、超スマート社会においてどのような非破壊検査応用のニーズがあるのかを検討すると共に、実証実験により検査デバイスに求められる感度、周波数、設置方法等の条件を明らかにすることで、本検査デバイスを使用したロボット等の稼働現場における即時品質検査や、検査デバイスを配管内部に組み込んでの工程内検査等、既存のTHz計測システムでは難しかった検査応用の実現を目指す。

次年度使用額が生じた理由

当初計画ではドーピング塗布法で微細ドープを行う予定だったが、研究を進めるうちにそれが困難であることが判明し、当初購入予定であったディスペンサーを購入しなかったため。来年度はドーパント塗布法に代わるドーパント蒸着法の研究に取り組む予定であり、来年度の助成金と合わせ蒸着器やNドーパントの購入費用に充てる計画である。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Flexible terahertz imaging systems with single-walled carbon nanotube films2020

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Daichi、Kawano Yukio
    • 雑誌名

      Carbon

      巻: 162 ページ: 13~24

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.01.113

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Broadband Bendable Terahertz Camera for Built-in Infrastructure Sensor2019

    • 著者名/発表者名
      Suzuki D.、Ishibashi K.、Kawano Y.
    • 雑誌名

      IEEE conference proceedings

      巻: - ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2019.8874223

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multi-view Terahertz Imagers with Flexible Carbon Nanotube Film Arrays2019

    • 著者名/発表者名
      Li K.、Yuasa R.、Utaki R.、Sun M.、Tokumoto Y.、Suzuki D.、Kawano Y.
    • 雑誌名

      IEEE conference proceedings

      巻: - ページ: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2019.8874273

    • 査読あり
  • [学会発表] カーボンナノチューブ積層膜によるテラヘルツ-赤外フレキシブル撮像デバイス2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      電子情報通信学会電子デバイス研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] テラヘルツ技術の進展と社会実装に向けたデバイス開発2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      九州大学分子・物質合成プラットフォームセミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] テラヘルツ分析技術の進展と社会実装に向けたデバイス開発2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      第55回 X線分析討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Broadband Bendable Terahertz Camera for Built-in Infrastructure Sensor2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      44th International Conference on Infrared, Millimeter and THz waves (IRMMW-THz 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Multi-view Terahertz Imagers with Flexible Carbon Nanotube Film Arrays2019

    • 著者名/発表者名
      李恒
    • 学会等名
      44th International Conference on Infrared, Millimeter and THz waves (IRMMW-THz 2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Flexible terahertz camera with microscale free-standing carbon nanotube film array2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      NT19: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low-Dimensional Materials
    • 国際学会
  • [学会発表] テラヘルツ-赤外帯フレキシブルライブカメラの開発2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      テラヘルツ科学の最先端Ⅵ
  • [学会発表] 任意対象に貼付け可能なフレキシブルテラヘルツライブカメラの開発2019

    • 著者名/発表者名
      鈴木大地
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会

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公開日: 2021-12-27  

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