大阪大学産業科学研究所の植村隆文特任准教授（常勤）、荒木徹平助教、関谷毅教授らの研究チームは、オーストリアのJoanneum研究所のAndreas Petritz（アンドレアス ペトリッツ）博士、Esther Karner-Petritz（エースタ カーナー・ペトリッツ）博士、Philipp Schäffner（フィリップ シャフナー）博士、Barbara Stadlober（バーバラ シュタットローバー）主任の研究チームと共に、極薄シート型圧電システムを開発することに成功しました（図1）。

これまで、強誘電性ポリマー、有機ダイオード、蓄電キャパシタなどが集積化された電子デバイスは、超柔軟性（厚み10 µm以下、曲げ半径1 mm以下）を実現できていませんでした。

今回、研究グループは、1 µm厚のポリマー基板上に強誘電性ポリマー、有機ダイオード、蓄電キャパシタなどを集積化する技術開発を行い、極薄シート型圧電システムを実現しました。脈拍など生体情報のモニタリングや、同一システムによる自己発電にも成功しました。将来、肌に密着しても装着感なく生体計測できる、充電不要のシート型生体センサシステム（図２）の実現が期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Nature Communications」に、4月23日（金）18時（日本時間）に公開されました。

図1. 環境発電・蓄電機能を有するシート型圧電システム

（集積システムのイメージ図）

図2. シート型圧電システムの写真 肌に貼付けている様子。極めて薄く柔らかいため、肌に密着しても装着感なく正確に生体情報（脈波やそれに付随する情報）モニタリングが可能。発電・蓄電機能を同時に搭載。

Internet of Things(IoT)デバイスは、我々の健康を支える医療・ヘルスケア技術との融合によりDigital Healthcareとして身近になりつつあります。最近では、Digital Healthcareに向けたエレクトロニクス技術として、生体適合性の材料、省エネシステム、自律駆動システムなどの研究開発が進んでいます。

しかし、これまでの電子デバイスは折り曲げることが容易ではなく、皮膚など身体の表面や複雑な形状の上に付けることが難しいという課題がありました。機械的柔軟性に優れるシート型電子デバイスは、人の肌に貼り付けても、密着するため違和感なく装着することが可能です。

今回、研究グループは、1 µm厚のポリマー基板上に強誘電性ポリマー、有機ダイオード、蓄電キャパシタ等の薄膜電子部品を集積化する技術開発を行い、極薄シート型圧電システムを実現しました。このシート型圧電システムは、圧力・歪・振動に対して高感度（15 nC/N）、高速応答(20 ms/N)でありながら、優れた機械的柔軟性(曲げ半径 40 µm)を備えています。これにより、肌表面での脈拍などの生体情報モニタリングに成功し、さらに3 mW/cm³を超える環境発電と蓄電に成功しました。関節部に貼り付けることで、約200 mJ/dayの発電ができると試算しています。

将来、肌に密着しても装着感ない計測を可能とする、充電不要のシート型センサシステムの実現が期待されます。

本研究成果により、Digital Healthcareだけでなく、ロボティクスや土木インフラなどあらゆる分野において利用可能となる、省電力な自律型センシングシステムの創出が期待できます。

本研究成果は、2021年4月23日（金）18時（日本時間）に英国科学誌「Nature Communications」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Imperceptible energy harvesting device and biomedical sensor based on ultraflexible ferroelectric transducers and organic diodes”
著者名：Andreas Petritz, Esther Karner-Petritz, Takafumi Uemura, Philipp Schäffner, Teppei Araki, Barbara Stadlober, Tsuyoshi Sekitani
DOI: 10.1038/s41467-021-22663-6

なお、本研究は、Austrian Science Fund、JST COI、JSPS 科研費、NEDO事業の一環として行われました。

大阪大学 産業科学研究所　関谷研究室URL
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/aed/

JOANNEUM RESEARCH URL
https://www.joanneum.at/en