柔らかく伸び縮みする半導体デバイスを13.56MHzの高周波で駆動させることに世界で初めて成功慶大

慶應義塾大学理工学部電気情報工学科専任講師の松久直司氏は2021年12月9日、スタンフォード大学とともに、柔らかく伸び縮みする半導体デバイスを世界で初めて13.56MHzの高周波で動作させることに成功したと発表した。これまでの伸縮性半導体デバイスの動作周波数と比較して10万倍の性能向上となる。

研究では、効率よく無線で電力伝送や通信ができる13.56MHzという高周波数で駆動できる伸縮性ダイオードを開発。13.56MHzという周波数は非接触の交通カードにも用いられている。この高周波伸縮性ダイオードは、元の長さの1.5倍に伸ばしても高周波動作し、繰り返し伸長させても高い電気特性を維持できる。

開発の決め手は、高周波駆動用に精密にチューニングされたさまざまな新しい伸縮性電子材料で、例えば伸縮性半導体材料では、柔らかいシリコンゴムの化学構造を、元々ガラスのように割れやすい高分子半導体の化学構造の中に少しだけ取り込むことで、高い電気特性と伸縮性を持つ。他にも導電性高分子材料や、金属ナノ材料の一種である銀ナノワイヤといった電子材料も、伸縮性を付与すると同時に電気特性が高周波動作の要件を満たすように新しく設計された。

さらに開発した高周波伸縮性ダイオードを用いて、柔らかく伸び縮みするセンサ、ディスプレイ、アンテナと集積化したシステムを作製。このシステムは、衣服に仕込まれたアンテナからワイヤレスで給電され、リアルタイムでセンサの信号をディスプレイ素子の色変化として表示できる。システム全体を大きく伸長しても壊れることはなく、着け心地だけでなく優れた機械的耐久性も期待できる。

最近、生体のような柔らかさを示しながら、最新の半導体材料と電気特性がほぼ同じの高性能な伸縮性半導体材料が発明され、これを用いてさまざまな伸縮性半導体デバイスが作られてきたが、駆動周波数が100Hz程度と遅いことが実用化の大きな壁となっていた。

また、現在のウェアラブルデバイスは、腕時計や指輪のような硬くて小さい形をしているが、薄いゴムシートのような柔らかい電子デバイスが次世代のウェアラブルデバイスとして期待されている。さらに柔らかい電子デバイスは、仮想現実、拡張現実（VR、AR）用の次世代インターフェースやロボットの電子人工皮膚としての応用も期待されている。

ワイヤレスで駆動できる伸縮性センサ・ディスプレイシステム

柔らかく伸び縮みする半導体デバイスを13.56MHzの高周波で駆動させることに世界で初めて成功　慶大