有機デバイスの生体・医療応用横田知之

ングすることが可能となっている．また，ウェアラブルデバ

.

は じめにイスの装着負荷をさらに減らすために，センサ部分のフレキシブル化や小型化の研究も進んでいる．従来の固いセンサと半導体を用いたイメージング技術の進歩とともに，医療診比較して，フレキシブルなセンサは，材料自身がやわらかい断用の機器は発展を遂げてきた． X 線や超音波などの電磁ために，生体曲面に追従するように貼り付けることができ波を用いたイメージングは，生体内の情報を非侵襲に取得する．その結果，センサと肌の密着性が向上し，脈拍や血中酸ることが可能である．実際，これらの電磁波を利用したイメ素濃度といった生体信号を，日常生活の中で精度よく測定すージング技術である，磁気共鳴画像診断( MRI )やコンピュることが可能になる．

ータ断層撮影(CT )などが，病気の診断などにおいて必要不可欠な技術となっている．

本稿では，我々が近年開発したフレキシブル有機イメージ
ャー技術について紹介をする(1)．我々の開発した有機イメー

これらの生体イメージングの重要な応用先として，大きくジャーは，これまでのフレキシブルイメージャーとは異な2 つに分類することができる． 1 つ目は， X 線や CT などをり，高解像度と高速撮像を同時に実現することに成功した．

用いた体内の静的な生体情報を撮像するイメージング応用．

その結果，指紋や静脈といった静的な生体情報と，脈波など

もう 1 つは，脈拍や血中酸素濃度，血圧といった時間と共の動的な生体情報を 1 枚のセンサで同時に計測することがにダイナミックに変化する動的な生体情報を撮像するイメー可能である．

ジング応用である．静的な生体情報のイメージングでは，ダイナミックな変化が少ないために，イメージングする速度は.

フレキシブル有機イメージャー求められない．一方で，多点かつ細かなイメージの撮像を行う必要があるために，高解像度や高感度といった特性がデバ

我々の開発したフレキシブル有機イメージャーのデバイスイスに求められる．その一方，動的な生体情報のイメージン構造図とデバイス写真を図に示す．フレキシブル有機イメ

グでは，1 点もしくは数点での測定が求められること多く，

ージャーは，近赤外光に高感度を有する有機フォトダイオー

高解像度を必要としない．しかし，血流のように常に変化をドを光センサに，低温ポリシリコン(LTPS)薄膜トランジスしているものを撮像するため，高速での撮像がデバイスに求タをセル選択のためのバックプレーンに用いている(図 1)．

められる．

フレキシブル有機イメージセンサは，実効的な受光総面積が近年，目覚ましい半導体デバイスの小型・軽量化が進むこ

12.6 × 12.8 mm2 で あ り ， セ ル ピ ッ チ が 50 mm ， 解 像 度 がとで，スマートウォッチを代表としたウェアラブルデバイス508 dpi となっており，総ピクセル数が252×256である．光に集積可能なイメージング素子の開発が行われてきている．

センサ部である有機フォトダイオードは，近赤外光領域の既に製品化されている，スマートウォッチやリストバンド型

850 nm が最大感度波長であった．また，有機フォトダイオのデバイスには，小型の LED 素子と光センサが実装されてードには大気安定な逆型構造を用いており，大気中での高いおり，光センサが皮膚に直接接触することで，脈拍や血圧，信頼性を実現している．

血中酸素濃度といった生体情報を，連続的に長期間モニタリ

フレキシブル有機イメージャーに光が照射されると，有機東京大学大学院工学系研究科准教授(〒1138656 東京都文京区本郷 731)
Bio Medical Applications of Organic Devices; Tomoyuki Yokota(School of Engineering, The University of Tokyo, Tokyo)
Keywords: organic electronics, flexible sensor, flexible imager, fingerprint, organic photodetector
2022年 6 月30日受理[doi:10.2320/materia.61.769]

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japanた，酸化インジウムスズ(ITO)を透明電極として用い，ITOの表面に酸化亜鉛(ZnO)層を形成することで，電子輸送層を形成した．有機層は，ドナー材料として PMDPP3T ，アクセプタ材料として PCBM を用いており，この 2 種類の材料を混合したバルクヘテロ構造を用いている．上部電極としては， PEFOT  PSS と銀を用いた．有機フォトダイオード
は，厚さ 1 mm の高分子膜で封止を行っている．最後に，レーザーリフトオフプロセスを用いることで，ポリイミド基板を支持基板として用いていたガラス基板から剥離することで，フレキシブルなイメージャーを実現した．


イメージセンサの基礎特性

これまでに報告されている近赤外光に応答するフレキシブ
ルな有機フォトダイオードは，暗電流が高いために，検出感度が低いといった課題があった(2)(3)．また，暗電流を低く抑えた有機フォトダイオードも報告はされているものの，光感度が低く生体イメージングには用いるのが難しかっ
図1

フレキシブル有機イメージャー．(オンラインカラー)

た(4)(6) ．今回，我々の開発したフレキシブル有機フォトダ
イオードは，ドナー材料とアクセプタ材料の混合率，有機層の膜圧を最適化することで，近赤外領域における高い光感度半導体層が光を吸収することで，光電変換により光電流が発と，低い暗電流を同時に実現することに成功した．分光感度

生し，電荷が各セルのセンサ素子のキャパシタに蓄積されは，静脈認証などで用いられる 850 nm の波長において，る．この蓄積された電荷量を信号として読み出すことで，イ0.57 A/W を示した．この分光感度は，従来のイメージャーメージングを行うことができる．この読み出し・信号処理をなどに用いられているシリコンフォトダイオードと比較して行う回路部分は，フレキシブルケーブル上に実装を行っていも同等の感度となっている．また，作製した有機フォトダイるために，フレキシブル有機イメージャーのシステム全体がオードの暗電流密度は 10－7 A / cm2 以下と低く，波長 850高いフレキシブル性を有している．

nm で出力が 2.9 mW/cm2 の近赤外光を照射した時の光電流フレキシブルイメージャーの作製プロセス

密度は 1.7 × 10－3 A / cm2 を示しており， 4 桁近い ON / OFF比を実現した．

次にフレキシブルイメージャーの作製方法について簡潔に

今回，開発したイメージャーは，高解像度と高速動作を実説明する．フレキシブルイメージャーは， 10 mm のポリイ現するために，移動度の高い LTPS トランジスタをバックミドを基板として用いており，ポリイミド上に LTPS のトプレーンに用いている．実際，LTPS トランジスタの移動度ランジスタバックプレーンをはじめに作製している．トランは 10 cm2 / Vs 以上あり，有機トランジスタやアモルファス

ジスタは，チャネル長が 4.5 mm，チャネル幅が 2.5 mm，移シリコンの薄膜トランジスタの平均的な移動度 1 cm2/Vs と動度が約 40 ～ 70 cm2 / Vs であり，各セルにおいて，このト比較して，高い移動度を有している．また，LTPS はドープランジスタを 2 個直列に接続している．LTPS 薄膜トランジ

材料を変えることで，PMOS と NMOS の両方を簡便に実現

スタは，SiO, SiN, SiO, aSi の 4 層を成膜した後に，エキシすることができ， CMOS 回路を形成することができるといマレーザーによってアニールを行い， a Si を結晶化させるう利点を有している．また，トランジスタの ON/OFF 比にことによりポリシリコンを形成する．

関しても， 104 ～ 106 である有機トランジスタやアモルファポリシリコンを形成した後，ホウ素とリンをドーピングすスシリコントランジスタと比較して，107 以上と大きな ON/ることで，それぞれ PMOS と NMOS の電極を形成した．

OFF 比を実現している．今回作製した LTPS トランジスタ電極を形成後，絶縁膜として 70 nm の SiO ，ゲート電極とは， PMOS と NMOS 共に移動度が 40 ～ 70 cm2 / Vs ， ON /して 250 nm の MoW を成膜した．その後，有機フォトダイ

OFF 比も 7 桁以上であり，非常に良好な特性を実現するこ

オードをバックプレーン上に形成するために，厚さ 2 mm のとができていた．

平滑層と封止膜を成膜した．バックプレーンと有機フォトダ作製した LTPS トランジスタのバックプレーンは， 60 ms

イオードは，封止膜にドライエッチングを用いて形成したビという高速で 1 セルを読み出すことができる．これは，従アを通じて接続した．

来報告されてきた有機トランジスタや IGZO，アモルファス

次に，有機フォトダイオードをバックプレーン上部に形成シリコンを用いたトランジスタと比較して，移動度が 5～10した．有機フォトダイオードのアクティブ層には，近赤外光倍と高いためである(7)(9) ．さらに，移動度が高いためにセ領域( 850 nm )に高い感度を持つ有機半導体を用いた．まルを微細化することもでき，従来のフレキシブルイメージャ



特集

ーよりも高精細な 508 ppi という解像度で設計されている．

センサを用いており，指先や耳たぶなどの特定の位置でしかこの高精細，高速動作する LTPS トランジスタと高感度を計測できなかった．一方で，フレキシブルなセンサは，指先有する有機フォトダイオードを集積化することで，4.7 mW/のみならず，手首や額等にも貼り付けることができ，脈波のcm2 という非常に強度の低い光を高速に検出することができ計測が可能である．実際，フレキシブル有機イメージャーをた．

用いて脈拍の測定を行った結果を図に示す．開発したフレ

フレキシブル有機イメージャーの評価

キシブルイメージャーを用いて測定した結果と市販の脈拍計を用いて測定した結果を比較したところ，どちらのセンサで我々の開発したフレキシブル有機イメージャーの特徴としも，1 分間当たり77拍と同じ心拍数を示していた．さらに，て，光学系を用いずに，皮膚に直接イメージャーを接触させ脈波のピーク位置の平均時間差を評価したところ，市販の脈るだけで，指紋を撮像することができる点がある．実際に，拍計と比較して 30 ms と非常に小さい値を示しており，市有機イメージャーを用いて指紋を撮像した結果を図に示

販の脈拍計と同等の性能で計測することができることが確認す．撮像した指紋の画像は，隆線の数，分岐点，端点といっできた．

た特徴点のみならず，汗腺の位置まで検出できており，生体一般的に用いられるフレキシブルな脈波計は，センサが一認証を行ううえで重要な指紋情報が撮像できている．先ほど点のものがほとんどであった．手首などで脈波を計測する場

述べたように，光学系を用いずに，高精細な指紋像を撮像できるため，システム全体を容易に小型化かつフレキシブル化することが可能である．
さらに，フレキシブル有機イメージャーと光学レンズを組みあわせることで，静脈を撮像することもできる．図にフレキシブル有機イメージャーを用いて，指の静脈像を撮像した結果を示す．静脈を撮像するために，指の上部から近赤外の LED を用いて光を照射し，指を透過した光をレンズで集光することで，静脈の撮像を行った．今回撮像した静脈像は，静脈認証を行う上で一般的に用いられる，静脈の分岐点や分岐角度，本数などの特徴的な情報が明確に取得できている．また，有機イメージャーで撮像した静脈像は， CMOSイメージセンサを用いて撮像した静脈画像と比較したところ，ほぼ同等の像を所得できていた．
今回開発したフレキシブル有機イメージャーは，前述した通り，高速撮像も可能である．そのため，指紋や静脈といった静的な生体情報を撮像できるのみならず，脈拍などの動的な情生体報を計測することができる．従来の脈波計は，固い

図2

フレキシブル有機イメージャーで撮像した指紋画像．
個人保護のために一部に加工を施している．

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図3

フレキシブル有機イメージャーで撮像した静脈像．個
人保護のために一部に加工を施している．

図4

フレキシブル有機イメージャーで撮像した脈波． (オンラインカラー)

合，センサの貼り付け位置によって脈波の信号強度が大きくあった．そこで，図に示すようなウェアラブル型のイメー変わってしまう．これは，血管の近くにセンサがある場合ジャーの開発を行った．開発したウェアラブル型イメージャ

は，脈波が安定して計測できる一方で，血管がない場所でーは，フレキシブルイメージャーの周辺に，光源として 16は，生体内部で反射・散乱される光が小さいために，信号強個の近赤外光の LED チップを集積化している．さらに，静度が小さくなってしまうためである．一方で，今回作製した脈の撮像を行うために，光学系としてフレキシブルルーバー

有機イメージャーは，高解像度と高速撮像を実現しているたをイメージャー上に集積化している． LED チップは，フレめに，各セルごとに脈波を計測することができる．そのた

キシブル基板上に実装することで，曲げることが可能となっめ，センサの貼り付け箇所がずれた際にも，セルごとの振動ており，腕などの曲面にも追従することが可能である．

強度を計測することで，最も安定して脈波を計測できる素子

このウェアラブル型イメージャーを用いて静脈の撮像を行を選択することができる．その結果，長期的に脈波を計測すった結果を図に示す．ウェアラブル型イメージャーは，シることが可能となる．

ステム全体としてフレキシブルであるために，手首の部分に巻き付けることができていることがわかる．ウェアラブル型

ウェアラブル型有機イメージャーイメージャーでは，イメージャー部分のサイズを 3 cm × 4

上述した有機イメージャーは，光源やレンズなどの光学系cm まで大きくするために，解像度を落とした素子を用いてが集積化されておらず，ウェアラブルデバイスとして用いるいる．そのため，図 3 で示した静脈像と比較して，静脈のためには，これらの素子をイメージャーに集積化する必要が境界部分が若干ぼやけていることがわかる．一方で，静脈の分岐の形などはきちんと撮像できており，生体認証などに用いるには十分な画像であることが確認できた．
開発したウェアラブル型のフレキシブルイメージャーは，
図 6 に示すように，光学系や光源を含めても十分に薄く，曲げることが可能である．そのため，血圧計やリストバンド型のデバイスとの集積化が容易に行うことができる．そのため，生体計測と生体認証が同時に可能な医療機器への応用が期待される．


血流イメージング

開発したフレキシブルイメージャーを用いた応用例の 1
つに血流の可視化があげられる．今回，開発したフレキシブ
図5

ウェアラブル型有機イメージャー．(オンラインカラー)

ルイメージャーを用いて撮像した静脈像の時間変化に関する画像に対して特異値分解を用いて解析することで，血流の可視化を行った．特異値分解は，画像解析に古くから用いられている手法で，画像の時間変化などから特徴量を抽出することが可能である(図)．
図に，実際の特異値分解についての概略図を示す．まず，イメージャーを用いて指の静脈像の時間変化を撮像する．今回の解析で用いた画像は 18 秒で 1000 枚撮像した静脈像である．この画像データを 2 次元の行列に変換し，その行列をもとに特異値分解を行った．すると，得られた画像は特異値ごとに異なる情報を含んでいることが分かった．例え

図6

ウェアラブル型有機イメージャーを用いて撮像した手首の静脈像．(オンラインカラー)

図7



ば，特異値によっては，脈波の情報を含んでいるものであったり，体動ノイズを含んでいるものであったりすることがわ

特異値分解を用いた画像解析手法．(オンラインカラー)

特集

図8

撮像した静脈像に特異値分解を行った結果．(オンラインカラー)

かる．この中から，生体情報を含む特異値のみを用いて画像を再変換すると，雑音信号を低減した画像を得ることができた．このような画像を解析することで，静脈内のコントラストが時間的に変化する画像を得ることに成功した．

.

お わりに

今回我々の開発したフレキシブル有機イメージセンサは，軽量かつ薄型で，曲げることができる．そのため，ウェアラブル医療機器に容易に組み込むことができる．ウェアラブル
医療機器にイメージセンサを組み込みことができれば，ユーザの生体認証を行いながら，同時に健康状態を測定することが可能となるため，近い将来，セルフケアにおけるなりすましの防止や病院における患者の取り違え防止が可能になると( 4 ) B. Siegmund, A. Mischok, J. Benduhn, O. Zeika, S. Ullbrich, F.
Nehm, M. B äohm, D. Spoltore, H. Fr äob, C. K äorner, Karl Leoand K. Vandewal: Nat. Commun., 8(2017), 15421.
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336.
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Meskers, R. A. J. Janssen and G. H. Gelinck: Adv. Mater., 30(2018), 1802359.
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Roose, D. Cheyns, J. Genoe,W. Dehaene, P. Heremans and G.
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期待される．

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ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan横田知之

2013年 東京大学大学院工学研究科博士課程修了
2013年 4 月2016年 3 月
東京大学大学院工学研究科電気系工学専攻特任助教
2016年 4 月2019年 5 月
東京大学大学院工学研究科電気系工学専攻講師
2019年 6 月現職
専門分野フレキシブルエレクトロニクス◎有機半導体を用いたフレキシブルなセンサの研究に従事．
デバイス物性などの基礎研究から医療デバイス応用まで幅広い研究を行っている．

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