研究紹介

丸文研究奨励賞 受賞者
関谷 毅

大阪大学 産業科学研究所 教授

超薄・超柔軟性
有機エレクトロニクス素子の開発と集積化
柔らかいエレクトロニクスの可能性を求めて我々のグループでは、有機材料の「優れた電気的・イバー空間）へデータ転送できるようになったことを背と、ゲート絶縁膜には二酸化ケイ素（SiO2）が用いられ機械的特性（フレキシビリティー）」、「自己組織化現景として、ハードウェアーとソフトウェアーの両面からこており、チャネル（伝導）層のみ有機半導体が用いられ象」、「 低エネルギー加工性」を応用したフレキシブルれらの研究開発が進められている。て作製されていた。そのため、有機トランジスタの機械エレクトロニクスの基礎材料・物性研究および応用研

日々の生活が多様化している中、人々の生活の中的特性（フレキシビリティー）は定量的には調べられてい究を行ってきた。特に、有機ナノ分子積層技術、有機で活躍しているエレクトロニクスも多様化している。現代なかった。研究グループでは、世界に先駆けて、基材に半導体/絶縁体界面制御技術、有機分子材料物性

社会を支えるシリコンテクノロジーはフォトリソグラフィーポリイミド高分子フィルム、ゲート絶縁膜にもポリイミドを制御技術、評価技術、有機回路設計技術といった有技術による微細化に伴って「高度集積化、超低消費用いることで、真に折り曲げられる有機トランジスタの作機材料特有の技術開発を広範な領域において行う電力化、高速動作化」を実現し、猛烈な進化を遂げてき製に成功し、注目を集めた【1】。特に限界の折り曲げ半ことで、有機材料を主材料としたフレキシブルトランジた。その一方で、生活スタイルが多様化した近年では、径は1mmより小さく、有機トランジスタが真にフレキシブスタの高度集積化を実現してきた。このフレキシブルこれらの高性能化とは異なる性能指標、すなわち「軽ルトランジスタであることを実証した。この当時、有機トラ集積回路を用いることで柔らかいセンサを開発し、医い、丈夫、人々に使いやすい」、など新たな要求性能がンジスタの実用化において最大の課題は、その高い駆療などさまざまな分野への展開が可能であることを実生まれ、人々の生活に浸透し始めている。このようにシ動電圧であった。実際に、フレキシブル高分子絶縁膜証してきた。

リコンテクノロジーが苦手とする大面積性、機械的な柔の信頼性を確保するため、500nmの厚みでゲート絶縁軟性（フレキシビリティー）という性能を補完する新しい膜を作製しており、結果的に40〜100Vもの高電圧を技術が プリンテッドエレクトロニクス技術 、フレキシブ印可し有機トランジスタを駆動していた。この高い駆動

ルエレクトロニクス技術 である。我々の研究グループで電圧が、実用化の大きな障害となっていた。

背景と動機
少子高齢化社会、災害、エネルギー、食料など社は、室温近くの低温で成膜可能なトランジスタ 有機ト

2007年に、私はドイツへ短期出張の機会をもらい、会における課題を最適な答えにより解決へと導くことランジスタ に着目し、これを用いて大規模なフレキシブ共同研究者であるマックスプランク固体物理研究所のを目的とした電子デバイス「ソーシャル・デバイス」が注

ル集積回路、特にフレキシブルセンサの開発を行ってきHagen Klauk博士の元、2nmの厚みで高い絶縁性を目を集めている。あらゆるものをインターネットにつなぎ、た。

持つリン酸系自己組織化単分子膜の成膜技術を学んクラウドコンピューティングにより最適解を導くことからだ。帰国後に、この技術を大面積の範囲で利用できる「Internet of Things（IoT）」技術という名前でも知ら研究の成果ようにするためのプロセス開発を行い、2009年にはこ位置づけられており、盛んな研究が行われている。イン

私は2003年に東京大学 染谷隆夫准教授（当時）駆動で動作する大規模有機集積回路【2】や、世界初とターネット技術の普及に伴い、容易に情報を得ることの元に助手として着任し、有機トランジスタの研究を開なるフレキシブル有機フローティングゲート型不揮発性ができるようになっただけでなく、シリコンテクノロジーの始した。有機トランジスタの研究に着手した当初、有機メモリトランジスタの開発【3】に成功した。

発展により膨大な情報をクラウドコンピューティング（サトランジスタはシリコンウエハーやガラスなど硬い基材れている。次世代の社会基盤を支える重要な技術との自己組織化単分子膜を用いたゲート絶縁膜で、2V2010年には、3V駆動において限界折り曲げ半径100μmを実現し、これを用いた新しい医図1 柔軟性の高いエレクトロニクス素子の開発遍歴

図2 さまざまな機能を有するウルトラフレキシブルエレクトロニクス群

療電子デバイス「インテリジェント医療用カテーテル」を開発した【4】。我々は、フレキシブル技術のみならず、電子デバイスをゴムのように自由自在に伸縮させることのできるストレッチャブルエレクトロニクス技術に関しても世界に先駆けて実践し、その有用性を実証してきた【5, 6】。
さらに、共役系高分子型の有機電界発【7】、光デバイス（OLED）
バルクヘテロ型の有機光電変換デバイス（太陽電池、フォト図3 ゴムのように伸縮自在なエレクトロニクスの開発とその要素技術

図4 フレキシブルかつ低電圧駆動を可能にした自己組織化単分子膜を用いた有機トランジスタの断面模式図と断面TEM写真【8】、ディテクタ：OPD）
トランジスタ集積回路【9】、生体の応用が期待されている。例えば、装着感のないウェア

また、最近では、IoT技術に注目が集まり、実世界の親和性の高いゲルを搭載した歪みセンサ【10】、磁気ラブルセンサがその一例である。実際、最近のウェアラ

さまざまな情報を的確に計測するためのセンサ技術がセンサ【11】を1ミクロン厚みのプラスティックフィルム

ブルエレクトロニクスの活発な開発動向からも見て取れ求められている。本研究で取り組んできた有機エレクト上に作製することで、感知することができない新しいエるように、生体情報を違和感なく計測することを目的としロニクスは、将来的には印刷で作製できる可能性を有レクトロニクスの概念「Imperceptible Electronics」

た生体計測用センサへの期待は極めて高いものになっしており、シリコンテクノロジーでは実現が困難であったを創出し、新しいエレクトロニクスの姿を示した。このよている。ところが既存のシリコンテクノロジーを基盤とし「大面積センサシステム」を実現できる。実世界の情報

うな装着感のない薄いセンサは次世代ヒューマンイン

た生体センサは、硬く、折り曲がらないため、生体との親を的確に捉え、さまざまなデバイスが連携する中で新しターフェースとして期待されている。実際に、このような和性が低いことが大きな課題になっている。このようない機能を発現する ソリューション型エレクトロニクス に世界最薄膜、最軽量、最柔軟性を持つセンサフィルム

状態で正確な生体情報を得るためには、センサを体において、シリコンテクノロジーを補完する技術として期待を用いて、次世代の装着感のないウェアラブルエレク

強く押し当てるか、吸着させなければならないため、違和されており、今後ますます研究を推し進めていきたい。

トロニクスなど、次世代医療・福祉・ヘルスケアへの応感や装着感が生じ、実用化や多くの国民への普及の用研究を医師とともに進めている。ソフト材料である有妨げになっている。我々の研究グループでは、医師との機物を用いた電子デバイス、光デバイス、機能性材料

緊密な共同研究によが、情報通信技術から医療福祉分野まで広範な領域り、大面積かつ薄膜なにおいて新しい科学を創出するとともに、新しい応用筋電計測シート、心電展開が可能であることを実証し、社会に示してきた。

計測シートなどを開発し、しなやかに生体に将来の展望
このように柔らかい薄膜センサは、さまざまな分野へ

図5 自己組織化単分子ゲート絶縁膜を用いた
厚み1ミクロンの有機トランジスタの基本特性密着するシート型のセンサの有用性を検証している。

References（参考文献 ）【1】Tsuyoshi Sekitani, Shingo Iba, Yusaku Kato, Yoshiaki Noguchi, Takao Someya andTakayasu Sakurai, Applied Physics Letters 87（2005）173502.
【2】Tsuyoshi Sekitani, Makoto Takamiya, Yoshiaki Noguchi, Shintaro Nakano, Yusaku Kato,Takayasu Sakurai, and Takao Someya, Nature Materials 6（2007）413-417.
【3】Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki Yokota, Ute Zschieschang, Hagen Klauk, Siegfried Bauer,Ken Takeuchi, Makoto Takamiya, Takayasu Sakurai, and Takao Someya, Science 326（2009）1516-1519.
【4】Tsuyoshi Sekitani, Ute Zschieschang, Hagen Klauk, and Takao Someya, Nature Materials
9（2010）1015-1022.
【5】Tsuyoshi Sekitani, Hiroyoshi Nakajima, Hiroki Maeda, Takanori Fukushima, Takuzo Aida,Kenji Hata, and Takao Someya, Nature Materials 8（2009）494-499.
【6】Tsuyoshi Sekitani, Yoshiaki Noguchi, Kenji Hata, Takanori Fukushima, Takuzo Aida, andTakao Someya, Science 321（2008）1468-1472.
【7】Martin Kaltenbrunner, Matthew S. White, Eric D. Głowacki, Tsuyoshi Sekitani, Takao
Someya, Niyazi Serdar Sariciftci, and Siegfried Bauer, Nature Communications 3（2012）
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【8】Matthew S. White, Martin Kaltenbrunner, Eric D. Głowacki, Kateryna Gutnichenko,
Gerald Kettlgruber, Ingrid Graz, Safae Aazou, Christoph Ulbricht, Daniel A. M. Egbe,Matei C. Miron, Zoltan Major, Markus C. Scharber, Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya,
Siegfried Bauer, and Niyazi Serdar Sariciftci, Nature Photonics 7（2013）811-816.
【9】Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani, Jonathan Reeder, Tomoyuki Yokota, Kazunori
Kuribara, Takeyoshi Tokuhara, Michael Drack, Reinhard Schwödiauer, Ingrid Graz, Simona
Bauer-Gogonea, Siegfried Bauer, and Takao Someya, Nature 499（2013）458-463.
【10】Sungwon Lee, Yusuke Inoue, Dongmin Kim, Amir Reuveny, Kazunori Kuribara, Tomoyuki
Yokota, Jonathan Reeder, Masaki Sekino, Tsuyoshi Sekitani, Yusuke Abe, and Takao
Someya, Nature Communications 5（2014）5898 doi:10.1038/ncomms6898.
【11】Michael Melzer, Martin Kaltenbrunner, Denys Makarov, Dmitriy Karnaushenko,Daniil Karnaushenko, Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya & Oliver G. Schmidt, Nature
Communications 6（2015）6080 doi:10.1038/ncomms7080.