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平成23年3月28日

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独立行政法人 科学技術振興機構
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人体の動きを測定できるカーボンナノチューブひずみセンサー

−金属製ひずみセンサーの50倍のひずみを検出可能−

<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

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

図2 CNTひずみセンサーの作製法

図3

図3 CNTひずみセンサーの特性

図4

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

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
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独立行政法人 科学技術振興機構 広報ポータル部
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Tel:03-5214-8404 Fax:03-5214-8432
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