折り曲げ性・伸縮性撮像センサと検査応用：ミリ波・THz波から可視光まで
中央大学 理工学部
電気電子情報通信工学科
教授

河野 行雄
2022年9月13日

研究背景（1）：ものづくり現場での品質管理の重要性
メーカーは品質管理に多大なコストをかけている
非破壊検査は製造・研究開発双方にとって必要不可欠

日本の製造業の競争力にかかわる根幹的課題

MEDICINE INSPECTION

非破壊検査市場は右肩上がり

現場での課題：
全個検査が未確立/スピードが遅い/
熟練検査技師の減少

研究背景（2）：電磁波イメージングによる検査技術
300GHz

電波

マイクロ波

30THz

テラヘルツ波赤外線

透過性
 非破壊品質検査
 非侵襲・非接触モニタリング
 分子共鳴による材料解析

光波

直進性
マルチモーダルな広帯域動作素子➡ 画像計測素子

当研究室の方針：① テラヘルツ(THz)帯～可視光域まで広い周波数帯を包括的に扱う② マクロからミクロまでマルチスケールで可視化・分析③ 材料からデバイス・システム（情報処理含む）まで一気通貫で研究開発

なぜカーボンナノチューブか？～理由（１）～
課題：室温でも効率的に光波を吸収する材料・構造をいかに作製するか？

高密度・大面積カーボンナノチューブ膜

カーボンナノチューブ膜の光吸収スペクトル

カーボンナノチューブは室温でも高い光吸収
室温光検出器の有力な材料
D. Suzuki, YK et al., Nat. Photon. 10, 809, 2016

なぜカーボンナノチューブか？～理由（２）～カーボンナノチューブ膜
 ピンセットで容易につかめて自由にハンドリングできる 自在に折れ曲がる

通常の半導体に比べた優位性

 簡便、低コストな加工
 折れ曲がるカメラが作製可能

なぜカーボンナノチューブか？～理由（3）～
検出原理： 光熱起電力効果
光照射
デバイス

熱電性能指数S = ゼーベック係数
σ = 導電率k = 熱伝導度・柔軟性
フレキシブル・ブロード ・広帯域で吸光度が高いバンドセンサの材料に ・ゼーベック係数が高い
・導電率が高い求められる要素・熱伝導度が低い

熱勾配DT
V

S = ゼーベック係数

概要図
光照射-CNT フィルムに着目
CNT

h h hCurrent
キャリアの熱拡散で起電力が発生する+++Suzuki, Y. Ochiai, and Y. Kawano,
熱構造最適化による感度上昇 D.
ACS Omega 3, 3540 (2018).

熱解析モデル

熱解析結果

熱照射（シミュレーション）
201

熱勾配DT [K]10

膜厚tCNT
熱勾配

TMax

Temperature [℃]

CNT

02468

チャネル幅 w [mm]3020

熱解析結果例
Au

048423528THz応答 [a. u.]

チャネル幅w

Au

実験結果

高感度

0.5002468

チャネル幅 w [mm]1

高感度0.5

1000050 100 150 200

膜厚 tCNT [mm]050100 150 200

膜厚 tCNT [mm]22

小型化の限界値

短チャネル幅・薄膜化で高感度化（膜厚30 mm→2 mmで感度5倍）

チャネル幅→300 mm程度（波長）

膜厚→数 mm（単独自立膜の場合の限界値）

相対ゼーベック係数の向上（PN接合）
光熱起電力(一般的にSP-type > 0 で SN-type < 0)

PN接合を利用することで高感度化が期待

超分子化学ドーピング

D. Suzuki, YK, et al.,ACS Appl. Nano Mater., 1, 246 (2018)

PN接合により4.5倍の高感度化

フレキシブルTHz・光撮像センサと全方位イメージング
特許登録6758720（日本）
10,969,335（米国）

JST海外特許出願支援（PCT, 指定国移行）に採択

D. Suzuki, S. Oda, and Y. Kawano,
Nature Photonics 2016

Brde00.2

0.4

0.60.8

1WiresBreakage

THz response [a. u.]

触診式により任意の場所で非破壊検査可能っFlexible
THz imager

1.20

ウェアラブルTHz・光検査グローブ

D. Suzuki, Y. Ochiai, Y. Nakagawa, Y. Kuwahara, T. Saito, and Y. Kawano,
ACS Applied Nano Materials 1, 246 (2018).
10新規作製法～塗布による架橋センサアレイ化～
２次元架橋型フレキシブルTHz・光センサ① 任意形状に自在にフィット② 塗布によりセンサアレイ作製③ 自己整合成膜による架橋センサ作製
D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, andY. Kawano,
Advanced Functional Materials 31,2008931 (2021).


テレビ東京「ワールドビジネスサテライト」のトレンドたまご（2021年2月18日）
日経産業新聞（2021年2月16日）
科学新聞（2021年2月19日）
Optics and Photonics News11(アメリカ光学会)

多素子アレイに向けた立体配線構造
二次元アレイを作製するには立体的な配線構造が必須

課題

・作製プロセスの煩雑化
・材料の制限自立分散膜アレイを使えば表裏の両面からの蒸着で簡易的に立体配線が形成可能

D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, and Y. Kawano,
Advanced Functional Materials 31, 2008931 (2021).

セルフアライン成膜技術
160 mm

Self-aligned CNT film

CNT solution

180 mmSectional image

Patterned
polyimide film

Polyimide

CNT

Polyimide

Membrane filter
Vacuum pump

自立分散膜アレイの成膜手法を確立

マイクロスケールの多素子アレイ

D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, and Y. Kawano,
Advanced Functional Materials 31, 2008931 (2021).

摩擦力調整による架橋構造、非架橋構造の作り分け

様々なアレイパターニングが自在かつ安価に可能D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, and Y. Kawano, Advanced Functional Materials 31, 2008931 (2021).

複雑な作製プロセスを必要とせずに二次元アレイが実現

イメージャーの別形態（1）：内視鏡型（センサアレイが対象物の中に入る）

K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun,
Y. Tokumoto, D. Suzuki, and Y. Kawano,
Nature Communications 12, 3009 (2021).

イメージャーの別形態（2）：光源・カメラ一体型イメージャー
Columnar object

3D image
Front

Rear

Spiral pattern

3D image
Front

Rear

Impurity

Miniature
IR LED
CNT film array
K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, and Y. Kawano,Nature Communications 12, 3009 (2021).

ブロードバンドセンサの応用：多周波帯融合イメージング
K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, and Y. Kawano,
Nature Communications 12, 3009 (2021).
日刊工業新聞(2021年5月25日) 日経産業新聞(2021年6月2日) 産経新聞(2021年11月7日)

赤外像とテラヘルツ像の重畳

多層同時イメージング

イメージャーの別形態（3）：撮像センサ搭載ロボットアームによるリモート検査

K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, and Y. Kawano,
Nature Communications 12, 3009 (2021).
19
日刊工業新聞(2021年5月25日)、日経産業新聞(2021年6月2日)、産経新聞(2021年11月7日)

イメージング計測の検査分析応用
物質材料から工業製品・インフラ・生体まで

本技術による応用展開のねらい
非破壊画像検査用スマートシートによる自走式ユビキタス光学検査システムの創製

折り曲げ性・伸縮性のある広帯域360oスマート光撮像シートにより、いつでも・どこでも・だれもが簡便に検査可能

応用例I：医薬品検査（品種識別と異物検知）
整腸剤
プリンペラン ファモチジンD

写真
混入異物（金属）
プリンペラン
ファモチジンD

Absorbance

指紋スペクトル
76543210

プリンペラン
ファモチジンD

混入異物（セロテープ）

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

Frequency [THz]

THz帯で特有の吸収ピーク

封筒等で梱包された場合、薬品同定及び混入物検査は困難
鈴木大地、河野行雄、分析化学 2017、ニューダイヤモンド2018 （表紙に選定）

THzイメージングによる医薬品分析鈴木大地、河野行雄、分析化学 2017, ニューダイヤモンド2018 （表紙に選定）
サブTHzでの強い吸収→薬のコーティング剤

1.36, 2.28, 2.55THz全てで強い吸収→プリンペランとファモチジンDが混在

1.36 THzでの強い吸収→プリンペラン2.28 THzでの強い吸収→ファモチジンD

どの周波数帯でも均一に吸収→金属

3THz以上の高周波で吸収が始まる→スコッチテープ

非破壊・非接触での薬品同定及び混入物検査が可能

応用例II：パッシブ（無光源）計測への応用
外部光源なしで流れのある対象をモニター・分析する

K. Li, YK, et al., Science Advances 8, eabm4349 (2022)

流れのある液体の化学的画像分析

K. Li, YK, et al., Science Advances 8, eabm4349 (2022)

液中化学物質の濃度依存性

光源不要のため、非採集・ラベルフリーでのオンサイト水質検査が可能
K. Li, YK, et al., Science Advances 8, eabm4349 (2022)

50% strain

Bird’s-eye view

Photothermal response （a.u.）c

伸縮性センサ～伸び縮みする対象にも追従～
2Strain
Release

1.5One cycle

10.5

𝜃： 0o50 % stretch

00255075

Cycle number
K. Li, YK, et al.: Science Advances 8, eabm4349 (2022)

100

謝辞
阪大 関谷先生、荒木先生
NII 佐藤先生、池畑先生

芝浦工学 田邊先生
産総研 斉藤博士、桒原博士、鈴木博士

共同研究者の皆様に深く感謝申し上げます。

本研究に関係する主な発表論文
K. Li, T. Araki, R. Utaki, Y. Tokumoto, M. Sun, S. Yasui, N. Kurihira, Y. Kasai,
D. Suzuki, R. Marteijn, J. D. Toonder, T. Sekitani, and Y. Kawano
Science Advances 8, eabm4349 (2022).
K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, and Y. Kawano
Nature Communications 12, 3009 (2021).
D. Suzuki, K. Li, K. Ishibashi, and Y. Kawano
Advanced Functional Materials 31, 2008931 (2021).
D. Suzuki and Y. Kawano
Carbon 162, 13 (2020).

D. Suzuki, Y. Ochiai, Y. Nakagawa, Y. Kuwahara, T. Saito, and Y. Kawano
ACS Applied Nano Materials 1, 246 (2018).
D. Suzuki, S. Oda and Y. Kawano
Nature Photonics 10, 809 (2016).

河野研究室の問い合わせ先kawano@elect.chuo-u.ac.jp https://sites.google.com/view/kawano-laboratoryお問い合わせ先中央大学 研究支援室
工藤、井上
ＴＥＬ 03-3817-1674
ＦＡＸ 03-3817-1677
e-mail ksanren-grp@g.chuo-u.ac.jp