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印刷技術で圧力と温度を同時検出できるフレキシブルシートセンサーを世界で初めて開発
―センサーによる人の皮膚感覚実現への道を拓く―

2017年2月8日
NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）
次世代プリンテッドエレクトロニクス技術研究組合（JAPERA）

NEDOと次世代プリンテッドエレクトロニクス技術研究組合（JAPERA）は、印刷技術で圧力と温度の面内分布を同時に検出できるフレキシブルシートセンサーの開発に世界で初めて成功しました。この印刷技術は、NEDOプロジェクトで確立したデバイス製造技術です。

JAPERAは、フレキシブル、軽量かつ高解像度という特徴を生かし、リハビリ・介護支援などのヘルスケアセンサーへの応用を目指します。将来、圧力と温度以外にも摩擦等の物理センサーやバイオセンサーを組み合わせることができれば、センサーによる人の皮膚感覚を備えたロボットスキンの実現が近づきます。

1．概要

NEDOプロジェクト※1で次世代プリンテッドエレクトロニクス技術研究組合（JAPERA）は、フレキシブルデバイスの基盤となる高度TFT※2アレイ印刷製造技術を開発し、全印刷連続一貫生産ラインによるフレキシブルTFTアレイシートの製造工程を確立してきました。印刷によるデバイス製造は、真空や高温を駆使して多量のエネルギー・資源を消費する既存のデバイス製造プロセスからの脱却を図り、省エネルギー・省資源化を実現するとともに、大面積・薄型・軽量の多種多様なフレキシブルデバイスの生産を可能にします（図1）。

今回、JAPERAは、印刷製造したフレキシブルTFTアレイシート上に、感圧層※3と感温層※4をパターン印刷することによって、微細な感圧部と感温部を面内に高密度に配列した、圧力・温度同時多点検出シート型センサーの開発に世界で初めて成功しました。フレキシブル、軽量かつ高解像度という特徴を生かし、例えば、靴底やベッドなどに装着することによって、運動時の荷重バランス・疲労度センシングや、リハビリ・介護支援センサーなどへの応用を目指します。将来、圧力と温度以外にも摩擦等の物理センサーやバイオセンサーを開発し、組み合わせることができれば、センサーによる人の皮膚感覚を備えたロボットスキンの実現が近づきます。

なお、本成果は、下記の展示会のNEDOブースで実物を紹介します。

（1）「nano tech 2017 第16回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議」

日時：
2017年2月15日（水）～17日（金）
場所：
東京ビッグサイト

（2）「ドイツ国際情報通信技術見本市（CeBIT2017）」

日時：
2017年3月20日（月)～24日（金）
場所：
ドイツ・ハノーファー
  • 従来工程と印刷工程の比較の図
    図1　従来工程と印刷工程の比較

2．今回の成果

今回開発したセンサーは図2に示すように、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ソース・ドレイン電極及び有機半導体からなるTFT上に中間層を介して、画素電極と感圧層もしくは画素電極と感温層が積層された構造になっています。感圧層、感温層とも圧力または温度によって抵抗が変化する特性を有するため、各々の層に直列に接続されたTFTのゲート線を走査しながらソース電流を読み出すことによって、圧力および温度の面内分布を検出することができます（図3）。感圧層及び感温層をTFTアレイ上にパターン形成するために、下記の開発を行いました。

  • 【1】スクリーン印刷性に優れ、TFTの特性にマッチした抵抗値を有する感圧インク。
  • 【2】東大染谷研究室で開発したポリマーPTC（Positive Temperature Coefficient）※5をベースに、検出温度範囲拡張のための感温インク材料組成および高精度のパターン形成を可能とする感温インク印刷方法。
  • 【3】高精細な画素電極が形成可能で、TFT特性を劣化させないグラビアオフセットAgインク印刷方法。

試作したシートセンサーは総厚約0.3mmで、高いフレキシブル性を有しています（図4）。重量と温度の異なる液体の入った複数の容器をセンサー上に載せて、容器の位置、重量（圧力）および温度を同時に検出できることを実証しました（図5）。検出エリアはB5サイズで解像度1.2mmピッチ、圧力0～500kPa、温度20～50℃の検出が可能です（表1）。人間の皮膚の二点弁別閾※6は最も値の小さい指先でも2～3mmと言われており、これに匹敵するフレキシブルなシートセンサー実現の道を拓きました。

図2　感圧・感温複合センサーの断面模式図

図3　アクティブマトリクス型感圧・感温複合センサーの等価回路

試作シートセンサーの外観の写真

図4　試作シートセンサーの外観

表1　試作シートセンサーの仕様
検出エリア 173×260mm2
素子数 144×216（1.2mmピッチ）
圧力範囲 0～500kPa
温度範囲 20～50℃

 

圧力・温度同時検出のデモの写真と図

図5　圧力・温度同時検出のデモ
シートセンサー上に置いた暖かいボトルの圧力と温度が検出されている。

3．今後の予定

まずは、多様なセンサーを開発することで、IoT社会に求められる様々なデバイス群に展開できるプラットフォームの構築と社会実装を目指します。具体的には、フレキシブルTFTアレイ製造技術をベースとして、同一基板上に複数の機能を集積化したフレキシブル多機能デバイスの設計および製造プロセス技術の開発を行い、開発技術をプラットフォーム化し、ヘルスケア分野、物流分野など様々なユースケースに適用することで、実用化実証に供していきます。

将来、圧力と温度以外にも摩擦等の物理センサーやバイオセンサーを組み合わせることができれば、センサーによる人の皮膚感覚の実現が近づきます。これにより、人と同じ感覚をもった優しいロボットを実現することで、人とロボットの共感社会の可能性が拡がります。

【用語解説】

※1 NEDOプロジェクト
次世代プリンテッドエレクトロニクス材料・プロセス基盤技術開発（2011～2018年度）
※2 TFT
薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor）の略で、3端子スイッチング素子であるトランジスタの構造を概ね1μm以下の厚さの薄膜を積層することによって形成したものです。従来のSiに代わり、半導体に有機材料を用いた有機TFTは印刷形成可能性や低温プロセス性の点で注目されていますが、実用的な製造技術は確立されていませんでした。
※3 感圧層
圧力の印加によって、物性値が変化する材料からなる層で、ゴム材の中に導電粒子を配合した感圧ゴムが抵抗方式の代表的なものとして知られています。この他に、静電容量方式、電磁誘導方式などがあります。
※4 感温層
温度によって物性値が変化する材料からなる層で、代表的なものとして金属酸化物からなるサーミスタが知られています。
※5 ポリマーPTC（Positive Temperature Coefficient）
温度が上がると抵抗が高くなる正の温度係数（Positive Temperature Coefficient）を持つポリマー系材料で、ポリマーの中に導電性カーボン粒子を分散したものです。ポリマー中で導電パスを形成しているカーボン粒子間の距離が、加温でポリマーが膨張することによって拡大するために抵抗が高くなることを利用しています。
※6 二点弁別閾
皮膚の2点に加えられた刺激を2点と感じる最小距離です。身体の場所によって値は異なりますが、最も値が小さい指先で2～3mmとされています。

4．問い合わせ先

（本ニュースリリースの内容についての問い合わせ先）

NEDO　IoT推進部　担当：風間、神代　TEL：044-520-5211

次世代プリンテッドエレクトロニクス技術研究組合　担当：佐藤（優）　TEL：029-869-9320

（その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先）

NEDO　広報部　担当：藤本、髙津佐、坂本　TEL：044-520-5151　E-mail：nedo_press@ml.nedo.go.jp

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