報道関係者 各位

２０２１.１２．２０＜配信枚数３枚＞
立命館大学
千葉大学
科学技術振興機構（JST）

荷電処理不要のエレクトレット型ＭＥＭＳ環境振動発電素子を開発～無線ＩｏＴ端末の自立電源として期待～
立 命 館 大 学 理 工 学 部 の山 根 大 輔 准 教 授 と千 葉 大 学 先 進 科 学 センターの田 中 有 弥 助 教 らは、
荷 電 処 理 が一 切 不 要 の自 己 組 織 化 エレクトレット（SAE） 注 １） をマイクロ機 械 構 造 に集 積 したエレクト
レット 注 ２） 型 MEMS 注 ３） 環境振動発電素子の開発に成功しました。提案技術を用いることで、これまで未踏であったエレクトレット型 MEMS 環境振動発電素子と電子回路のモノリシック集積化（ワンチップ化）が可能になります。本成果により、エネルギーハーベスティング技術 注 ４） のキーテクノロジーである MEMS 環境振動発電素子の小型化・高性能化・生産性向上がより加速し、電池・配線・利 用環
境フリーの次世代自立電源として無線 IoT 注 ５） 端末などへの導入が期待されます。本研究成果は、2021 年 12 月 20 日 14 時（日本時間）に米国物理学協会が発行する学術雑誌「Applied PhysicsLetters」に掲載されました。
【本件のポイント】


荷電処理不要のエレクトレット型ＭＥＭＳ環境振動発電素子を実現

常温の成膜プロセス（真空蒸着法）のみでエレクトレットを形成可能

MEMS と電子回路のモノリシック集積も可能【研究支援】
本研究は JST 戦略的創造研究推進事業「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出（CREST・さきがけ複合領 域）（研究総 括：谷口 研二 、副研究総 括：秋永 広 幸）」の研究 課 題「多層エレクトレット集積型 CMOS-MEMS 振動発電素子の創製（研究者：山根 大輔）」、「極性分子 配 向 薄 膜 を備 えた新 規 振 動 発 電 器 の創 生 （研 究 者 ：田 中 有 弥 ）」、日 本 学 術 振 興 会 （JSPS）科
学研究費基盤研究（C）「セキュア IoT デバイスに向けた MEMS 自壊設計技術の開発（研究代表者 ：山 根 大 輔 ）」、同 基 盤 研 究 （B）「アモルファス有 機 薄 膜 の自 発 的 配 向 分 極 現 象 の機 構 解 明 と応 用 （研 究 代 表 者 ：石 井 久 夫 ）」、同 基 盤 研 究 （C）「補償 電 荷 測 定 法 による極性 分 子 配 向 薄 膜 の光 誘 起 脱 分 極 機 構 の解 明 と長 寿 命 化 （研 究 代 表 者 ：田 中 有 弥 ）」などの支 援 を受 けて行 われました。

【研究の背景】
MEMS 技 術 を利 用 した小 型 の環 境 振 動
発電素子は、電池フリー、夜間・暗所でも発電可能であるため、小型無線 IoT 端末向けの次 世 代 電 源 を目 指 した研 究 が世 界 的 に行われています。特にエレクトレット型
MEMS 環境振動発電素子は、他方式より低周 波 数 かつ高 出 力 電 力 密 度 のため、環 境
振 動 発 電 に有 利 です。今 後 、エレクトレット型 MEMS 環 境 振 動 発 電 素 子 を小 型 無 線
IoT 端 末 などの電 源 に利 用 するためには、さらなる小 型 化 ・高 性 能 化 ・生 産 性 向 上 が

図１

SAE を成膜した MEMS 振動発電素子必要となります。従来の静電型 MEMS 環境振動発電素子では、エレクトレット荷電処理としてコロナ
放 電 や電 子 線 照 射 、X 線 照 射 、あるいは高 温 処 理 などが必 要 なため、MEMS の設 計 ・製 造 や、MEMS と電子回路の集積化について、制約が多いことが課題でした。
【研究内容について】
提 案 手 法 では、常 温 の成 膜 プロセス（真 空 蒸 着 法 ）のみを用 いて、有 機EL 素子 注 ６） 用の材料からなる SAE をMEMS 内 部 に形 成 （図 １）する世 界初 の技 術 を提 案 し、実 際 の発 電 に成 功 （図 ２）しました。また、SAE を用いたエレクトレット型 MEMS 環境振動
発 電 素 子 の実 証 も世 界 初 の成 果 です。
本技 術 では、エレクトレット形成を室 図２開発した MEMS 環境振動発電素子の発電実験結果

温成膜のみで行えることから、既存の半導体プロセスに組み込みやすく、エレクトレット型 MEMS 環
境 振動 発 電 素 子と電子 回 路を同 一 基 板上 にモノリシック集 積 化（ワンチップ化）することも可 能 になります。MEMS 環境振動発電素子は、MEMS 後段で必要な電子回路との集積化により小型化・高性能化・生産性向上が可能になりますが、従来技術では、エレクトレット型 MEMS 環境振動発電素子と電子回路のモノリシック集積化は未踏領域です。また、SAE 表面電位は膜厚に比例するため、SAE 厚膜化により発電量のさらなる増大も可能です。したがって本技術により、MEMS 環境振動発電素子の小型化・高性能化・生産性向上が加速すると期待できます。

【研究成果と社会的なインパクトについて】
本成果により、エネルギーハーベスティング技術のキーテクノロジーである MEMS 環境振動発電素子の小型化・高性能化・生産性向上がより加速し、電池・配線・利用環境フリーの次世代自立電源として一般生活品（無線 IoT 環境センサなど）に組み込まれる可能性があります。

【論文情報】
論文名 : MEMS post-processed self-assembled electret for vibratory energy harvesters
著 者 : Daisuke Yamane 1,2 , Hideyuki Kayaguchi 3 , Kosuke Kawashima 1 , Hisao Ishii 3,4 andYuya Tanaka 2,3,4
所 属 : 1. Department of Mechanical Engineering, College of Science and Engineering,
Ritsumeikan University, 2. Japan Science and Technology Agency, PRESTO, 3.
Graduate School of Science and Engineering, Chiba University, 4. Center for
Frontier Science, Chiba University.
発表雑誌 : Applied Physics Letters
掲載日時 : 2021 年 12 月 20 日 14 時（日本時間）
注 １）自 己 組 織 化 エレクトレット（SAE：Self-Assembled Electret）：自 発 的 に配 向 する極 性 有 機 分 子 からなり、
荷 電 処 理 なしで表 面 電 位 が発 現 する。本 研 究 では有 機 EL 素 子 用 の材 料 である TPBi を SAE として利 用 した。
注 ２）エレクトレット（Electret）：半 永 久 的 に電 荷 、もしくは電 気 分 極 を持 つ誘 電 体 。
注 ３）MEMS（Microelectromechanical Systems：微 小 電 気 機 械 素 子 ）：半 導 体 微 細 加 工 技 術 を利 用 して製 造 したマイクロメートル寸 法 の３次 元 電 子 ・機 械 デバイスの総 称 。
注 ４）エネルギーハーベスティング（環 境 発 電 ）技 術 ：環 境 中 に存 在 する振 動 などのエネルギーを電 力 に変 換 する技 術 。
注 ５）IoT（Internet of Things）：身 の回 りのあらゆるモノがインターネットを介 して情 報 通 信 ・相 互 制 御 を行 う仕 組 み。
注 ６）有 機 エレクトロルミネッセンス（EL）素 子 ：有 機 発 光 ダイオード（OLED）とも呼 ばれる。有 機 半 導 体 材 料 からなり、柔 らかくて軽 量 という特 長 を有 する発 光 素 子 のこと。

●本件に関するお問い合わせ先（研究内容について）
立命館大学理工学部准教授 山根大輔 TEL. 077-561-2770 E-mail: dyamane@fc.ritsumei.ac.jp
研究室 URL：https://www.yamane.se.ritsumei.ac.jp
千葉大学先進科学センター助教 田中有弥 TEL. 043-290-3960 E-mail: y-tanaka@chiba-u.jp
研究室 URL: http://ishii-lab.in.coocan.jp/pukiwiki/（ＪＳＴ事業に関すること）
科学技術振興機構戦略研究推進部グリーンイノベーショングループ 嶋林ゆう子
TEL. 03-3512-3526 E-mail：presto@jst.go.jp（報道について）立命館大学広報課 担当：名和 TEL.075-813-8300 E-mail：r-koho@st.ritsumei.ac.jp
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担当：渡邉 TEL.043-290-2018 E-mail：koho-press@chiba-u.jp

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