印刷型有機トランジスタに向けた可溶性有機半導体の開発

背景と目的
有機半導体を活性層に用いる有機トランジスタは、軽量で柔軟性があるため、フレキシブルディスプレイやウェアラブルデバイスなど、従来のシリコン半導体では実現困難なデバイスへの応用が期待されている。また、有機半導体の特徴である可溶性と低温形成を利用し、 印刷プロセスにより電子デバイスを作製することは、大面積化、大量生産、低コスト化を実現できるため、学術、産業の面から盛んに研究が行われている。しかしながら、現状では、簡便でスループットの高い印刷法で高い性能を示す有機半導体は少なく、新しい塗布系半導体の開発が期待されている。

研究内容
研究室独自での有機半導体の開発や、企業や連携研究室と共同研究を行い新規有機半導体の開発を行う。特に、印刷プロセスに適用可能な塗布系半導体の開発に力を入れる。合成した半導体は、X線分析、熱分析、光学分析などの分析を行うだけでなく、研究室で所有する蒸 着装置、印刷装置などの様々なプロセス装置を用いることで、実際に有機トランジスタとしての電気的特性の評価や印刷プロセスへの適応性についても評価を行う。

背景と目的
シリコンの微細化技術が限界に近づきつつある現在、半導体産業は新たな方向性へとパラダイムシフトを求められている。有機半導体は、①印刷法による成膜パターニングが可能である、②150℃以下の低い熱処理温度で高い性能を発揮する、③分子を自由に設計・修飾できる、といったユニークな特徴を併せ持つことから、新たな産業分野として期待されている。塗布型酸化物半導体と比較しても、室温～250℃程度の熱処理温度では塗布型有機半導体の方が高い移動度を示す。このような特徴を生かし、極薄のプラスチックフィルムの上などに印刷有機集積回路を形成するための研究開発を行っている。

研究内容
有機半導体や有機強誘電体、金属ナノ粒子をインクジェット法などで印刷することにより、極薄のフレキシブルフィルム上にダメージを与えることなく電子デバイスを作製した。厚さ3μm以下の極薄デバイスは非常に柔軟性が高く、エラストマーシート上で最大２倍の伸縮を行ってもデバイス特性はほとんど変化しない。このような特性を生かし、絆創膏のように貼り付けられるヘルスケアデバイスへの応用を目指す。

背景と目的
化学センサの小型化・ウエアラブル化技術の発展により、健康長寿に貢献し得るパーソナルヘルスケアの実現が現実味を帯びつつある。本研究は、印刷可能・柔軟・高感度という有機FETの特徴を活かし、検出部に酵素や抗体、あるいは人工レセプタを固定した、生理活性物質に特異的に応答するウエアラブルバイオセンサを開発することを目的としている。

研究内容
血液成分との相関が示唆される汗や唾液等の外分泌成分、あるいはガス成分を対象とするバイオセンサを開発している。病気やストレス等の生体内情報を非侵襲に、安定してモニタリング可能なセンサの実現を目指す。

強誘電性高分子 P(VDF-TrFE)を用いてフレキシブルな全印刷型物理センサを開発

背景と目的
フレキシブル・プリンテッドエレクトロニクスの応用として圧力やひずみを測定できるフィジカルセンサが注目されている。全印刷型の薄膜センサはこれまでの無機Si系センサ では測定できなかった新しい用途開拓を行える可能性がある。本研究はフィジカルセンサの一例として曲げセンサ、圧力センサを作製しヘルスケアデバイスへ応用することを目的とする。

研究内容
P(VDF-TrFE)と導電性高分子PEDOT:PSSをスクリーン印刷法により成膜することで、極微小な圧力や曲げを感知できる物理センサを開発した。ヒトの手首や首元に貼り付けるだけで脈拍信号や関節の動きを明瞭に検出することができる。これらのセンサから得られた検出信号は印刷型有機集積回路と組み合わせることで、ヘルスケアデバイスやウェアラブルデバイスへ応用することが可能である。

印刷型有機回路とSi-LSIを集積したフレキシブルハイブリッド技術

背景と目的
IoT（Internet of Things)社会では、センシング機能と通信機能を集積したデバイスを身体やモノの曲面へ装着するために、フレキシブルであることが要請される。そこで、薄いフィルムへの作製を容易にする印刷型集積回路と、通信やデータ演算に必要な高周波回路およびマイクロプロセッサを集積したSi-LSIを一体化した、フレキシブルハイブリッドセンサを開発する。

研究内容
PENフィルムに機能性インクを用いたスクリーン印刷により、有機温度センサ、アンテナ、積層配線を作製し、Si-LSIを実装したハイブ リッドセンサを試作した。薄さが200μm程度であり、有機エレクトロニクスのしなやかさとSi-LSIの高機能性を両立し、NFC(近接型通 信）やBLE(低電力ブルートゥース）の通信機能を搭載したセンサにより、体表面や商品の温度測定とデータの伝送に成功した。さらに 間欠動作等の消費電力制御により、約6か月の連続動作の見通しを得た。

凸版反転印刷法による微細な電極パターンの形成と集積回路の開発

背景と目的
印刷法を用いて電子デバイスを製造するプリンテッドエレクトロニクスは、低コスト、大面積が求められるデバイスの製造方法として期待されている。凸版反転印刷法は、微細な線幅、微小な線間隔、平坦な表面が実現でき、有機トランジスタなどの微細な線間隔、電極の積層が要求される素子を製造するために適している。凸版反転印刷法で有機薄膜トランジスタの電極を形成し、印刷型RFタグや増幅回路など高集積・高性能な有機トランジスタ集積回路を実現することを目指す。

研究内容
企業と連携を行い凸版反転印刷法に適した導電性インクの開発を行う。さらに実際に印刷 を行い、回路の配線や有機トランジスタの電極としての機能性評価等を行う。また、インクの印刷性や電極表面処理や耐熱性などを考慮し、集積回路の作製プロセスの開発を行う。同時にトランジスタ特性の高性能化の研究を行い、作製プロセスにフィードバックを掛けることで、早急な集積回路の実現を可能にする。
印刷電極における4端子法を用いたコンタクト抵抗解析など、微細なパターニング技術を活かした解析にも挑戦する。

3次元曲面・立体物表面への機能性材料印刷技術の開発

背景と目的
従来平面に限られてきたエレクトロニクス作製のためのパターニング技術を、曲面・立体物表面へも可能にさせる、次世代印刷技術を開発する。これにより、ワイヤハーネス等の代替技術から、新規なエレクトロニクスデバイスの提案まで、様々なアイデアの実現を目指す。

研究内容
全方向インクジェット(OIJ)印刷技術：産業用の多関節ロボットの先端に、独自開発のインクジェットシステムを搭載し、あたかも人の腕で自由に絵を描くように、立体物表面に自由にパターンを描画できる技術である。
ソフトブランケットグラビア(SBG)印刷技術：グラビアオフセット印刷に、非常に柔らかくて厚い「ソフトブランケット」を適用し、そのソフトブランケットを曲面基板の表面に追従させることで、曲面の表面にパターンを印刷できる技術である。

印刷TFT回路に向けた微細印刷装置用の銀ナノ粒子インクを開発

背景と目的
印刷TFT回路は、薄膜(100～200nm)で低抵抗(10μΩ?cm以下)な電極を微細なパターンで形成する必要がある。印刷TFTの形成に適した微細印刷装置（凸版反転印刷、インクジェット印刷など）に適用でき、低温焼成(150℃以下)で低抵抗化する銀ナノ粒子インクを開発した。銀ナノ粒子の分散剤となる有機分子と溶剤との組み合わせを最適化するなど、インク調整に関するノウハウを駆使することで、特殊な印刷装置に合わせたインク開発が可能である。

ロールtoロールインクジェット印刷装置を使ったTFTプロセス技術を開発

背景と目的
印刷プロセスを使った究極的なデバイス製造法として、フィルムを連続的に流しながら製造するロールtoロール印刷法がある。フィルム上に直接、回路形成する場合、フィルムの収縮に対応しつつ高精度な重ね印刷を行う高度な印刷プロセス技術が必要不可欠となる。

研究内容
フィルム幅900mmのロールtoロールインクジェット印刷装置を使い、大面積フィルム上へのTFT回路形成やセンサシートの試作を行っている。