＜ポイント＞
○ 配向した単層カーボンナノチューブ薄膜を柔らかい基板の上に貼り付けたひずみセンサー
○ ２８０％までの大きなひずみを測定でき、耐久性・応答性に優れ、クリープも小さい
○ 人に優しいウェアラブルデバイスやレクリエーション分野、医療分野への応用に期待
独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】（以下「産総研」という） ナノチューブ応用研究センター【研究センター長 飯島 澄男】 スーパーグロースＣＮＴ研究チーム【研究チーム長 畠 賢治】 山田 健郎 主任研究員は、配向した単層カーボンナノチューブ（単層ＣＮＴ）注１）の薄膜を伸縮性のある高分子基板の上に貼り付け、ＣＮＴ膜の電気抵抗変化によってひずみを検出できるひずみセンサー注２）を開発した（図１）。
このＣＮＴひずみセンサーは、従来の金属製ひずみセンサーの約５０倍となる、２８０％の大きさのひずみまで検出可能である。また、１５０％以下のひずみに対しては１万回以上も繰り返し検出可能な耐久性を持ち、ひずみに対する応答性はわずか１４ミリ秒と、１００％以上の大きなひずみを測定できるセンサーとしては最速である。さらに、導電性材料と高分子との複合材料で作られたひずみセンサーと比較すると、クリープ注３）が小さく、クリープからの回復も２０倍以上速い。
ＣＮＴひずみセンサーは簡単に衣服や体に貼り付けることができ、膝の屈伸や指の動き、呼吸・発声をモニターできる。将来のウェアラブルデバイス注４）の開発につながり、レクリエーションや医療分野での応用も期待される。
なお、本研究は、独立行政法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「プロセスインテグレーションによる機能発現ナノシステムの創製」【研究総括 独立行政法人 物質・材料研究機構 理事 曽根 純一】研究領域における研究課題「自己組織プロセスにより創製された機能性・複合ＣＮＴ素子による柔らかいナノＭＥＭＳデバイス」【研究代表者 畠 賢治】の一環として行った。
なお詳細は、２０１１年３月２７日（英国時間、日本時間：２０１１年３月２８日）に英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」のオンライン速報版で公開される。
＜開発の社会的背景＞
ウェアラブルデバイス、ユビキタスデバイス注５）が注目されるに伴い、いろいろなデバイスの微少化・軽量化が進む一方、従来の硬く脆（もろ）いシリコンデバイスとは異なる、柔らかいデバイスの開発も重要になってきている。ひずみセンサーは材料の変形を測定・評価する以外に、ウェアラブルデバイスの１つであるデータグローブ注６）など人体の動きの検出にも用いられてきたデバイスであるが、従来の金属製ひずみセンサーでは検出できるひずみが５％程度までと小さいため、人間の動作範囲を制限してしまうという問題があった。
導電性材料と高分子との複合材料を用いたひずみセンサーでは、１００％程度までのひずみを検出できるが、急激なひずみの場合にはクリープ変形が生じてしまい、変形が安定してひずみが測定できるまでに１００秒以上の時間がかかる。また、デバイスとしての耐久性についてはこれまでほとんど検討されていない。
＜研究の経緯＞
産総研 ナノチューブ応用研究センターは、炭素純度の高い単層ＣＮＴの合成法であるスーパーグロース法注７）を開発し、単層ＣＮＴのさまざまな用途開発を進めてきた。垂直配向した長尺の単層ＣＮＴフィルムを高密度化処理してシリコンウエハー上に倒伏させ、高密度配向ＣＮＴウエハーを作製することに成功し、このＣＮＴウエハーを用いてＣＮＴ３次元デバイスの大量作製も実現した。この高密度配向ＣＮＴウエハーを、柔らかい基板の任意の位置に、任意の配向方向で貼り付ける技術を開発し、ＣＮＴと伸縮性のある高分子基板を組み合わせた柔らかいデバイスの作製が可能となったため、今回ひずみセンサーへの応用を試みた。
＜研究の内容＞
図２にＣＮＴひずみセンサーの作製法を示す。シリコン基板上に触媒を線状にパターニングして合成した垂直配向単層ＣＮＴフィルムをシリコン基板からはがし、伸縮性のあるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：シリコンゴムの一種）基板上に並べ、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に浸漬させる。この処理により配向した単層ＣＮＴは高密度化して倒伏し、ファンデルワールス力注８）により基板に接着する。なお、ＣＮＴの配向方向は、ひずみの方向と直交している。
また、スーパーグロース法によって合成したＣＮＴを分散させた導電性ゴムとＰＤＭＳを使った接着剤を用いて、変形しても特性の変わらない柔らかい電極の接合法を新たに開発し、ＣＮＴひずみセンサーの両端に取り付けた。この電極によって、電極も含めて全てが伸縮するひずみセンサーを作製することができた。いろいろなサイズのひずみセンサーを作ることができるが、今回作製したうち、最大のものは１５ｃｍ×５ｃｍである。
図３にＣＮＴひずみセンサーの特性を示す。実験は全て室温で行った。従来の金属製ひずみセンサーでは５％程度のひずみ測定しかできなかったが、ＣＮＴひずみセンサーは最大２８０％ひずみを測定できた（図３ａ）。なお、無配向のＣＮＴを用いたひずみセンサーでは、このような大きなひずみは測定できない。また、図３ｂに示すように、１度目にひずみを与えたとき（図３ｂ赤線）と、２度目以降（図３ｂ青線）ではひずみに対し、異なる電気抵抗の変化を示し、２度目以降のひずみでは、傾きの異なる２つの線形領域を持っていた。しかしながら、１５０％までのひずみに対して１万回以上も繰り返し検出可能な耐久性を持ち、急激な１００％のひずみに対しても、３％程度のクリープしか生じず、それもわずか５秒程で安定した。このひずみセンサーは１００％程度のひずみを測定できる導電性材料と高分子との複合材料（クリープ量：８．８％、減衰：１００秒以上、文献値）と比べると、クリープ量も少なくその減衰も早い。またひずみに対する応答性も非常に高速であり、わずかに１４ミリ秒程度の遅れで追随できる。
ＣＮＴひずみセンサーのメカニズムを解明するため、走査型電子顕微鏡を用いて表面を観察したところ、ひずみ前には、表面の凹凸は観測されなかったが（図４ａ）、初めて１００％のひずみを与えると、ＣＮＴ表面に座屈が生じ、ひずみ方向と直交する方向（ＣＮＴの配向方向）に亀裂が入った（図４ｂ、図４ｅ）。２度目以降は、ひずみを解除すると亀裂が収縮し（図４ｃ）、再度ひずみを加えると、初めに生じた亀裂が再度開く（図４ｄ）。この亀裂の開閉により、伸縮性基板の動きにＣＮＴが追随していることが分かった。さらに、走査型電子顕微鏡により、ＣＮＴの亀裂表面を詳細に観察したところ（図４ｄ）、この亀裂はＣＮＴにより架橋されており（図４ｆ）、架け橋部分によって導電経路が確保されていることが分かった。
また、このメカニズムに対し、図４ｇに示すようなＣＮＴの架け橋のモデルを導入して電気抵抗の変化を計算したところ、図３ｂ青線の測定結果とよく一致した。
ＣＮＴひずみセンサーの応用として、呼吸・発声・手の動き・足の動きをモニタリングするデバイスを試作した。図５に測定結果を示す。膝の動きをモニタリングするタイツ（図５ａ）では、膝を曲げるとひずみが加わって電気抵抗が増加し、伸ばすとひずみが解放され電気抵抗が小さくなるが、足の動きに伴う電気抵抗の変化が検出できている（図５ｂ）。また、ジャンプをするための膝の素早い屈伸動作と、着地に伴う衝撃を吸収する動作も検出できた。また、手袋の指それぞれにＣＮＴひずみセンサーを取り付け（図５ｃ）、指を動かすと各指の形状をすべて判別でき、データグローブとして利用の可能性を確認できた（図５ｄ）。ＣＮＴひずみセンサーはデバイスとしての耐久性に優れるため、これらは複数の人間が繰り返し利用することも可能である。
＜今後の予定＞
今回開発したＣＮＴひずみセンサーは人体の素早く、大きな動きも測定できるため、ウェアラブルデバイスへの応用が可能である。例えば医療分野において、リハビリテーションの際に患者の動きを妨げずにモニタリングすることや、呼吸モニターやデータグローブとしての利用も考えられる。また、コンピューターゲームの入力装置としてレクリエーション分野への応用も考えられる。
将来は企業などとの連携を進め、デバイスの実用化研究を進める。
＜参考図＞
図１ ＣＮＴひずみセンサーの構造概略図（左）、膝の動きをモニタリングするデバイスとしての応用（右）
図２ ＣＮＴひずみセンサーの作製法
図３ ＣＮＴひずみセンサーの特性
図４ ＣＮＴひずみセンサーの伸縮メカニズムと電気抵抗変化モデル
図５ ＣＮＴひずみセンサーを利用した膝や手指の動きのモニタリング
＜用語解説＞
- 注１） 単層カーボンナノチューブ（単層ＣＮＴ）
- カーボンナノチューブは炭素原子のみからなり、直径が０．４～５０ｎｍ、長さがおよそ１～数１０μｍの１次元性のナノ材料である。その化学構造はグラファイト層を丸めてつなぎ合わせたもので表され、層の数が１枚だけのものを単層カーボンナノチューブ、複数のものを多層カーボンナノチューブと呼ぶ。
- 注２） ひずみセンサー
- ひずみを測定したい対象物の表面に取り付け、変形による電気抵抗の変化を測定することでひずみの大きさを検出する力学的なセンサー。
- 注３） クリープ
- 物体に応力が作用し続けると、時間とともに物体のひずみが大きくなる現象。
- 注４） ウェアラブルデバイス
- 衣服や装飾品と同じように身につけられるほど小型のコンピューターやデバイス。軽量でかさばらず、折り畳んだり、広げたりできるもの、衣料品の一部に組み込まれているものなどが試作されている。
- 注５） ユビキタスデバイス
- いつでも、どこでも、誰でも利用することができる通信環境やコンピューター技術を可能にするデバイス。生活に溶け込み、コンピューターやハードウェアの存在を意識せずにその恩恵を受けられることが想定されている。ユビキタスとは「どこにでも存在する」という意味を持つラテン語に由来する。
- 注６） データグローブ
- 指の曲がり方など、人の手の動きを検出することでデータを入力できるコンピューターとのインターフェース装置の一種。
- 注７） スーパーグロース法
- 単層カーボンナノチューブの合成手法の１つである化学気相成長（ＣＶＤ）法で、水分を極微量添加することにより、触媒の活性時間および活性度を大幅に改善した方法。従来の５００倍の長さに達する高効率成長、従来の２０００倍の高純度単層カーボンナノチューブを合成することが可能である。さらに、配向性も高く、マクロ構造体も作製できる。
- 注８） ファンデルワールス力
- 電荷を持たない原子・分子の間で働く非常に弱い引力。
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
山田 健郎（ヤマダ タケオ）
独立行政法人 産業技術総合研究所 ナノチューブ応用研究センター スーパーグロースＣＮＴ研究チーム 主任研究員
〒305-8565 茨城県つくば市東１－１－１ 中央第５
Tel：029-861-8435 Fax：029-861-4851
E-mail：
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
河村 昌哉（カワムラ マサヤ）
独立行政法人 科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
〒102-0075 東京都千代田区三番町５ 三番町ビル
Tel：03-3512-3531 Fax：03-3222-2066
E-mail：
＜プレス発表／取材に関する窓口＞
川上 麻衣（カワカミ マイ）
独立行政法人 産業技術総合研究所 広報部 報道室
〒305-8568 茨城県つくば市梅園１－１－１ 中央第２ つくば本部・情報技術共同研究棟８Ｆ
Tel：029-862-6216 Fax：029-862-6212
E-mail：
独立行政法人 科学技術振興機構 広報ポータル部
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：
