立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第25号) 2016

立石賞功績賞の受賞記念講演概要

人間と機械を調和する伸縮性エレクトロニクス
東京大学工学系研究科電気系工学専攻

20 世紀における半導体エレクトロニクスのを駆使して実現された

飛躍的発展は，我々の生活を一変させ，人類社

このセンサは，皮膚の会の発展に大きく貢献した。21 世紀になって，ように伸縮自在で，自染 谷 隆 夫

エレクトロニクスは，Internet of Things (IoT)， 由曲面上で温度分布と人工知能 (AI)，ロボットなど高度に発展する圧力分布をリアルタイ

情報社会の基盤を支えることが期待されており，ムで同時に 計測でき，単に演算速度や記憶容量を向上するだけでなく，次世代ロボット用の電地球環境やそこで暮らす人類との調和を同時に子 人 工 皮 膚 (E-skin)

実現することが求められている。その背景の中，として有望視される (図 1 左)。

従来の無機半導体と相補的な有機材料の軽量E-skin を実現するために，ディスプレイの性・柔らかさ・大面積性を活かした新たな応用駆動方式にヒントを得て，フレキシブルな有機分野への期待が高まっている。

トランジスタのアクティブマトリックスを使っこれまで筆者らの研究グループでは，有機半て，膨大な数のセンサからデータを読み出す方導体分子など分子性ナノ材料に着目し，光・電式を考案した。人間の皮膚は 2 m 2 の表面に子デバイスの機械的柔軟性を向上する研究を進

200 万個以上の痛点がある。この規模のセンサめてきた。例えば，有機トランジスタと呼ばれは，個別に実装してそれぞれに配線を施すといる柔らかい電子スイッチは，シリコンなど従来う従来法では実現できない。また，シリコンのの無機材料素子とは違い，低温プロセスで高分ような既存素子は固くて曲面に貼り付け難いた子フィルム上に形成できるため，軽量かつ曲げめ大きな課題となっていた。本手法によって，られる電子機器を作ることができる。また，印各センサに個別の配線を施すことなく，数十本刷技術で製造することができるため，シリコンにまで配線数を減らすことができるようになり，に比べて格段に安い製造コストで大面積シート解決に明確な道筋が示された。

上に作ることが可能である。このような有機デその後も E-skin の研究を皮切りに，シートバイスの優れた特徴 ―― すなわち，大面積・型スキャナー (2004 年)，超薄型点字ディスプ

低コスト・軽量性・柔軟性 ―― を活用して，レイ (2005 年)，ワイヤレス電力伝送シート

筆者らは大面積センサや大面積アクチュエータ(2006 年)，通信シート (2007 年)，超音波シーに応用する研究に取り組んできた [1-5]。

ト (2008 年)，フラッシュメモリ (2009 年) をま ず，2003 年 に，「大 面 積 化 の 容 易 さ」と実現するなど，有機デバイスの様々な新用途を「曲げやすさ」という有機半導体の二大特徴を提案し，フレキシブル大面積エレクトロニクス巧みに捕らえ，世界で初めて「アクティブマトに応用する可能性を示してきた。

リックス方式 (格子状に並べられた薄膜トラン

フレキシブルデバイス分野では，2000 年頃ジスタ) による大面積なフレキシブルセンサ」

から世界中で活発に研究開発がなされてきたが，の開発に成功した。高性能な有機トランジスタ

そのすべてが電子ペーパーのようなフレキシブ― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図1(左) ロボットの手に貼り付けられた電子人工皮膚 (E-skin) のイメージ写真。(右) 厚
さ 1 マイクロメートルの高分子基材の上に作製された超薄型有機トランジスタ集積回路が人の手に貼り付けられている。

ルディスプレイもしくは無線タグ (RFID) のの親和性が高いと期待される。人間がその存在実現を目指した研究，または単体デバイスの基を感じることができないくらい薄くて軽量なエ礎研究であった。一方，筆者らは，世界で初めレクトロニクス (Imperceptible electronics) がてアクティブマトリックスを「フレキシブルセ実現されたことによって，ヘルスケア，医療，ンサ」に応用し，フレキシブルエレクトロニク福祉への応用が促進されると期待される。

スが大きく発展するきっかけとなった。これら

ま ず，皮 膚 の 上 か ら 生 体 情 報 を 取 り 出 すの研究を通じて，「人間と機械の調和を実現す「ウェアラブルエレクトロニクス」への応用がるためには，“人間と親和性の高い柔らかいエ進むと考えられる。例えば，センサーシステムレクトロニクス”が本質的に必要である」といの薄型化や軽量化が進み，身に着けても装着感う認識を確立し，伸縮性エレクトロニクスの実を感じさせないセンサによって，通常の生活を現に向けた開発を進めてきた。

しながら，24 時間ストレスなく生体情報の計

さらに，筆者らは，E-skin の高機能化と高性測ができるようになるであろう。また，耐衝撃能化を進めるため，多様なフレキシブルセンサ， 性に優れるセンサとして応用することにより，伸縮性導体，極薄デバイスなど世界初となる電運動中を含む日常のどのような場面でも生体か子素材や電子部品を開発した。最近では，厚さらの情報 (例えば，体温や心拍数) を計測でき1 ミクロン (キッチンラップの厚さの 1/10) とるようになる。薄型筋電計測シートは，車椅子いう極薄の高分子フィルム上に高性能な有機集や介護ベッドなど福祉機器の入力インタフェー

積回路，有機太陽電池，有機発光デバイスを含スとして有用であろう。

む世界最薄の有機デバイスを実現した (図 1

次に，fMRI，超音波診断装置，内視鏡など

右)。候補者が開発した大面積なフレキシブル

医用画像機器 (モダリティ装置)，カテーテル，センサは，ヒトの表面に貼り付けて装着感なくステントなど医療機器への応用も重要である。

生体情報を計測するシート型システムへと発展

例えば，この高耐熱性の超薄型有機センサを細している。これらは，ウェアラブルエレクトロ径のカテーテルの側面に適応することで，腫瘍ニクスやヘルスケア・医療への応用が期待されや炎症，初期のがんを検出できる新しい薄膜セるなど，人間と機械を調和する新しいエレクトンサの開発が可能となり，医療用デバイスとしロニクス分野を拓いている。

た新たな用途が拡大するものと考えられる。こ

有機デバイスは，柔軟性に優れており生体とのような医療デバイスへの応用には，柔らかさ― 5 ―立石科学技術振興財団に加えて，大面積でかつ電気的特性にも優れてが飛躍的に発展し，今回第 4 回立石賞の功績賞を頂くこいる必要があり，今後の医療用デバイスの開発とになった。立石科学技術振興財団関係者をはじめとしに向けて有機デバイスの重要性が増すと考えられる。て本研究にご理解とご支援を頂いた方々，ならびに本研究に携わった共同研究者全員に厚くお礼を申し上げる。

さらに，体の中に埋め込むことにより直接的に生体情報を取り出す「インプランタブルエレ
クトロニクス」への応用が期待される。体内に

参考文献
[1]

Takao Someya, Tsuyoshi Sekitani, Shingo Iba,
Yusaku Kato, Hiroshi Kawaguchi, and Takayasu

デバイスを埋め込むことで侵襲度が高くなるが，

Sakurai, “A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial

一方で体内埋め込みでなければ計測できない化

skin applications”, Proceedings of the National Acad-

学的情報や，より微弱な信号の時間発展を高空

emy of Sciences of the United States of America,

間分解能で計測できる。

Volume 101, 9966-9970 (2004).

このように「ウェアラブルエレクトロニク[2]ス」「医療機器」「インプランタブルエレクトロ

Hiroshi Kawaguchi, and Takayasu Sakurai, “Con-ニクス」へと段階を経て有機デバイスの用途がformable, flexible, large-area networks of pressure

広がると考えられる。これに伴い，デバイスのand thermal sensors with organic transistor active

複合化や高集積化も進むであろう。今回の研究

matrixes”, Proceedings of the National Academy ofSciences of the United States of America, Volume 102,

開発によって，様々な有機デバイスを，厚さ 1μm 級の高分子フィルムに作製できるように

Takao Someya, Yusaku Kato, Tsuyoshi Sekitani,Shingo Iba, Yoshiaki Noguchi, Yousuke Murase,12321-12325 (2005).
[3] Martin

Kaltenbrunner,

Tsuyoshi

Sekitani,なった。このような薄型化・軽量化技術により，Jonathan Reeder, Tomoyuki Yokota, Kazunori

有機 LED を新しい光源としたユニークな薄型

Kuribara, Takeyoshi Tokuhara, Michael Drack,
Reinhard

センサへの応用が期待される。実際に，最近でSchwoediauer,Bauer-Gogonea,

は，薄型の有機 LED と有機光検出器を集積化

Siegfried

IngridBauer,Graz,SimonaandTakao

Someya, “An ultra-lightweight design for imper-

して，脈波や血中酸素濃度など生体情報の計測

ceptible plastic electronics”, Nature, 499, 458-463に成功している。生体情報を計測するための装(2013).

置が，今後，急速に軽量化・薄型化されるであ[4] Tsuyoshi Sekitani, Hiroyoshi Nakajima, HirokiMaeda, Takanori Fukushima, Takuzo Aida, Kenjiろう。その結果，装着してもストレスなく計測

Hata, Takao Someya, “Stretchable active matrixorganic light-emitting diode display using printable

できる“装着感のないヘルスケア・デバイス”

elastic conductors”, Nature Materials, Volume 8,など伸縮性エレクトロニクスの大きく発展していくものと期待される。

494-499 (2009).
[5]

Tsuyoshi Sekitani, Yoshiaki Noguchi, Kenji Hata,
Takanori Fukushima, Takuzo Aida, Takao Someya,“A Rubberlike Stretchable Active Matrix Using

謝辞
立石科学技術振興財団より平成 15 年度に「情報活用社会に整合するプラスティック高集積回路の試作研究」
で助成を頂いた。多くの方のご支援のお蔭で，その研究― 6 ―Elastic Conductors”, Science, Volume 321, 14681472 (2008).