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東大グループ、プラスチックICで13.56MHzのRF ID動作に成功

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東京大学のグループは、プラスチックで作製した集積回路で、13.56MHzのRF ID送受信動作に成功した。これは、移動度が10cm2/Vsと有機トランジスタとしては極めて大きいトランジスタを作製したことで得られたとしている。

図1 実験に用いたプラスチックトランジスタ回路 出典:東京大学グループ

図1 実験に用いたプラスチックトランジスタ回路 出典:東京大学グループ


このプロジェクトはNEDOの支援を受け、平成24年度から26年度までの3年間に渡り、有機トランジスタを用いてプラスチック電子タグを開発しようとするもの。NEDO、東京大学の他に、大阪府産業技術総合研究所、トッパン・フォームズ、富士フィルム、JNC、TANAKAホールディングス、日本エレクトロプレイティング・エンジニヤースなどが参加している。

生鮮食料品の輸送や管理にIDタグを用いて物流を管理するシステムへの応用を狙っているが、東京大学の新領域創成科学研究科教授の竹谷純一氏は次のように語る。「今のRF IDタグよりも1桁安く提供したい。そのために印刷技術などで回路を作製するプラスチックエレクトロニクスを開発する」。

プラスチックエレクトロニクス(フレキシブルエレクトロニクス、プリンタブルエレクトロニクス、有機エレクトロニクスなどの名称がある)では、配線もトランジスタも有機材料を使う。インクなどの有機溶液に溶かして生成することで安価に製造できるだろうと見込んでいる。定性的には高価な製造装置は要らない、材料効率が良い、工程が短い、など低コストで作ることができる要素は多いが、コストの重要なカギを握る歩留まりに関してはまだはっきりしない。

今回、東京大学のグループは、有機トランジスタの性能を上げ、プラスチックトランジスタ回路でも13.56MHzの動作をできることを示した。これは、JNCと東大とリガクの協力により、有機半導体材料「アルキルDNBDT」を開発したことが大きい。この有機半導体を用いて簡単な集積回路を組み、高周波信号を受け、受けたという情報を送信した。

従来の有機トランジスタではキャリヤ移動度が0.1~1 cm2/Vs程度だが、この材料はその10倍も大きく、電子が通りやすい。この有機材料は、棒状の分子が無数に立って並んだ構造をしているという。プラスチック基板に、この有機半導体材料を溶かした有機溶剤をたらし、基板を一定の速度で1方向に動かしていくと、有機半導体が乾燥・固化していき結晶のように成長していく(図2)仕組みだと竹谷氏は言う。この分子は溶液上に浮いており、基板にたらして基板を移動させながら乾燥させていくと、自己組織的に棒状の分子が無数に立って並んでいく。棒状分子の高さは1.5nm程度で、固化させていくと10層程度の分子層ができるとしている。


図2 一方向に基板をずらしながら溶液を乾燥させ、有機半導体膜を付ける 出典:東京大学

図2 一方向に基板をずらしながら溶液を乾燥させ、有機半導体膜を付ける 出典:東京大学


無数の棒状分子が並びその先端にはπ電子が隣同士で共有する形をなし、電気伝導が行われると竹谷氏は述べる。棒状分子が2次元的に規則正しく並んだ状態に配置され、電子が共有できる構造はまさに結晶格子である。これが1分子層でも動作するため、1分子層が半導体になり、10分子層になるとまるで超格子構造になったものに近い。2次元的にも3次元的にも規則正しい格子が並んでいる構造なので、半導体的になり、バンドギャップが生まれているという。

電子は2次元平面上を駆け抜ける形をとる。PN制御は残念ながらできないが、このアルキルDNBDTはp型になりやすく、別の材料はn型になりやすい。ドーピングは難しいが、電荷を入れていくことは可能なので、材料を変えることでp、nの制御ができるとしている。消費電力の低いCMOS回路を作る場合には、nチャンネル、pチャンネルの材料を用いてMOSトランジスタを構成すればよい。

今回、RF ID動作の確認では、LC共振器で高周波を受け、整流して電源電圧とすると同時に、CMOSロジック回路に信号を送り、さらに受け取ったという情報を、送信回路を通じて飛ばす。受けたという信号だけであるから、このCMOS回路は簡単なコンパレータで出来ている。ただし、CMOS動作が可能であることを示したものといえる。

物流で使うための簡単な回路であれば、シリコンである必要はなく、プラスチックの有機トランジスタで十分だと竹谷氏は言う。逆にもっと高機能・高性能・低消費電力が要求されるような高集積ICなら、Siを薄く削ったチップをプラスチックに張り付ける応用もありうる。

実用化に向けた問題として、有機のプラスチックは水を通しやすく、耐湿性が悪い。プラスチック基板に水を通さないバリヤ層を設けることは実用化のカギとなる。「有機EL(エレクトロルミネッセンス)では耐湿性を確保することはたいへん難しいが、トランジスタ動作を行う場合にはそれほど難しくはない」と竹谷氏は見ている。とはいえ、実用化に向けバリヤ能力の高い膜の開発にはあと数年はかかるとも見ており、このプロジェクトの次の段階の実証フェーズが終了する時までにバリヤ膜が開発されていれば、実用化に間に合うことになる。

(2014/01/29)

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