セルロースを用いた印刷型フレキシブル湿度センサの開発
山形大学
有機エレクトロニクス研究センター
プロジェクト研究員 吉田 綾子
2022年08月02日© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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本日の紹介内容

背景（センサの重要性と印刷技術）

特許の紹介（湿度センサ）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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背景（センサの重要性と印刷技術）

特許の紹介（湿度センサ）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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IoT(Internet of Things)社会
Society5.0︓ サイバー空間とフィジカル空間の融合で社会課題を克服⇒ IoT社会︓
あらゆるモノ・人をクラウドネットワークに接続© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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トリリオンセンサユニバース
J. Brysek氏の提唱
年間１兆個の⼤規模センサーネットワークを使用する社会が到来し、革命的な社会変革が起こる。
これら膨⼤なセンサは高性能であることと、低コスト、⼩型、省電⼒であることが要求される。

日経BP

センサ市場予測
９兆円（2025年）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

5印刷プロセスの特徴
Vacuum Deposition & Patterning

フォトリソグラフィープロセス
 Subtractive Multi-step

Vacuumdeposition

Photoresist
coating

Exposure

Development
Photomask Etching

Photoresist
RemovalMetal，Dielectrics
Substrate

印刷プロセス
印刷技術の特⻑ 製造設備投資額を低減できる
 材料使用効率が高い
 製造プロセスが省エネルギー
 ⼤面積，低コスト生産
 新しいデバイスの創出

フレキシブル，ウエアラブル

Additive Process

インクジェット

スクリーン印刷

Ink
Ink
Substrate

ScreenSubstrate© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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有機デバイスとはシリコンや⾦属からなる“硬い”無機材料からなるデバイスに対し、比較的“柔らかい”有機材料からなるデバイスをいう

特徴・フレキシブル性（軽い・薄い・曲げられる・伸びる）
・印刷法での作製が容易（低コストな簡易プロセス）・材料・機能の多様性■有機デバイス実用化事例
有機ELディスプレイ

Samsung

ポリマーリチウム電池

有機太陽電池Panasonic

三菱化学© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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本日の紹介内容

背景（センサの重要性と印刷技術）

特許の紹介（湿度センサ）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

8湿度センサの適⽤分野
ヘルスケア

× ×H2O

呼吸モニタリング

農業⛅

発汗モニタリング

おむつモニタリング

物流

天候や植物の蒸散のモニタリング© Yamagata University 2022. All rights reserved.

9湿度センサの種類
静電容量変化型
デバイス
構成

上部電極

抵抗変化型
感湿層

感湿層
電極

下部電極
基板

基板

原理

静電容量の変化を利用

抵抗値の変化を利用

回路

静電容量の変化が少ない為
比較的複雑でハイコスト

比較的簡単で安価

層構成

３層構成必要２層でOKなため安価

その他特徴

定期的な校正必要
比較的応答速度早い

定期的な校正必要なし
応答速度に課題© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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本提案特許湿度センサ原理
湿度感知材料

セルロースナノファイバー
(CNF)

導電材料
カーボン(CB)

印刷性向上
界面活性剤
（TX-100）

湿度変化によりCNF体積が変化 ☛ CBパスが増減 ☛ 抵抗値変化
ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 4, 5721 (2022)
Carbon Trends, 7, 100166-100172（2022）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

11セルロースナノファイバー[1]・⽊材パルプなどのセルロース原料を微細化。
・資源として豊富な材料。
・生分解性であり、⾃然由来の環境にやさしい材料。
[1] 第一工業製薬HP© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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導電材料
従来の湿度センサ

本提案

カーボンナノチューブ(CNT)・高価・インク化に複雑なプロセス必要

カーボンブラック(CB)・安価・インク化が簡単

安価で豊富© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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■インク作製

作製プロセス
界面活性剤

TritonX-100

CBCNF（カーボンブラック）（セルロースナノファイバー）機能性インク■デバイス作製（ステンシル印刷）
スキージ

基板(PEN)

マスク

Ag電極印刷130 ℃ 焼成

感湿層印刷

120 ℃ 焼成

湿度センサ

材料を混ぜて、印刷し、焼成するだけの、非常にシンプルなプロセス© Yamagata University 2022. All rights reserved.

14感湿層のモフォロジー
CB/CNF：0.2/1.0

CNF
(a)

(c)

100µm

100µm
(b)

(d)

CNF

1µm

CB1µm

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CBの添加量による特性
TX:0.5

導電率変化

センシング特性変化

CB/CNF=0.2(CB-0.2)で最⼤感度（ΔR/R）120%© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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ヒステリシス特性と応答速度
ヒステリシス

CNF:CB:TX＝1：0.2：0.5

応答速度

ヒステリシスは非常に小さい

応答/回復ともに10秒以下© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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その他パフォーマンス
CNF:CB:TX＝1：0.2：0.5

フレキシブル性

温度に対する安定性

曲げに対し安定

温度変化に対し安定© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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アプリケーション例■呼吸モニタリング
遅い早い

鼻口5cm

■おむつモニタリング© Yamagata University 2022. All rights reserved.

19アプリケーション例■近接センサWithout glove

With glove

ApproachAway■近接センサ(アレイ）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

20従来技術とその問題点
湿度センサは既に実用化されており、幅広い分野で使用されている技術であるが、その多くは静電容量変化型であり、・回路的に複雑・定期的な校正が必要などの課題がある。

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新技術の特徴・従来技術との比較• 本技術は、回路やデバイス構成がシンプルである抵抗変化型を採用し、材料として豊富に存在し自然由来であるセルロースとカーボンを用いることにより、低コストで環境にやさしい湿度センサを実現した。
• これまでに、導電材料のカーボンとしてカーボンナノチューブが報告されているが、カーボンブラックを用いることにより安価になるだけでなく、簡単に製造できることを見出した。
• 本技術を用いることで、材料を混ぜて印刷するだけの非常に簡単なプロセスで、高性能な湿度センサが実現できる。
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想定される用途• この湿度センサは優れた湿度検知特性も併せ持ち、30%RH～90%RHの範囲で感度よく安定的に湿度を検知できる。応答速度も10秒以下と早い。
• また、デバイスは軽くて薄くフレキシブル性もあるため、ウェアラブルデバイスに装着することも可能と思われる。
【想定される応用分野】
・ ヘルスケア応用（ウェアラブルデバイス）
・ 農業分野への応用
・ 物流関係への応用
・ インフラ監視への応用（漏水検知など）© Yamagata University 2022. All rights reserved.

23実用化に向けた課題• 低湿度側での感度が低い為、アプリケーションによっては改善が必要と考える。
• 現在は手づくりのため素子間のばらつきや、長期信頼性まで評価できていないが、大量生産に向けては確認していく必要があると考える。

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24企業への期待• 本技術のセンサの特徴を活かした、これまでにない新しい応用方法の提案を期待する。

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：抵抗体及び湿度センサー：特願2021-088262：国立大学法人山形大学：吉田綾子、ワン イーフェイ、時任 静士© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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お問い合わせ先
山形大学
知的財産本部
ＴＥＬ 0238-26-3034
ＦＡＸ 0238-26-3633
e-mail yu-yu-chizai@jm.kj.yamagata-u.ac.jp© Yamagata University 2022. All rights reserved.

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