第 1 章 序論
1.5 本研究の目的および意義
e-skinシ ス テ ム の 研 究 で は ，従 来 の 電 子 駆 動 回 路 に は じ ま り ，セ ン サ ，発 光 素 子 ，発 電 素 子 等 が 組 み 込 ま れ て き た ．今 後 ，貼 り 付 け 型 表 示 素 子 の 開 発 進 展 に 伴 い 重 要 と な る 課 題 は ，形 態 自 由 度 の 高 い デ バ イ ス を 成 す 薄 膜 か つ 簡 素 構 造 ，エ ナ ジ ー ハ ー ベ ス テ ィ ン グ に よ り 自 立 給 電 可 能 な 超 低 消 費 電 力 ，電 子 ペ ー パ ー と す み 分 け る た め の カ ラ ー 表 示 機 能 だ と 思 わ れ る ．し か し な が ら ， 現 状 で は 既 存 技 術 の 更 な る 進 歩 ま た は 新 た な 技 術 の 原 理 実 証 を 要 す る 段 階 で あ る ．本 研 究 で は ，表 示 素 子 に 応 用 可 能 な 新 た な 技 術 と し て 表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 利 用 し た カ ラ ー フ ィ ル タ に 着 目 し た ． 先 行 研 究 で は ，膜 厚 が 数 mm の バ ル ク エ ラ ス ト マ ー を 伸 縮 さ せ ，プ ラ ズ モ ニ ッ ク サ ブ 波 長 格 子 の 構 造 周 期 を 変 え る こ と で ス ペ ク ト ル 特 性 を 動 的 に 制 御 す る 動 的 色 変 調 を 原 理 実 証 し て き た ．し か し な が ら ，伸 縮 駆 動 エ ネ ル ギ ー が 膜 厚 に 比 例 す る こ と か ら ，ミ リ 膜 厚 の シ ー ト 基 板 は 一 般 的 な ア ク チ ュ エ ー タ 発 生 力 で の 駆 動 が 困 難 と な る 見 積 も り が 得 ら れ て い る ． 図 1.5.1 に 動 的 色 変 調 特 性 を 有 す る 先 行 研 究 に つ い て 膜 厚 お よ び 色 変 調 帯 域 幅 を ま と め た ． 先 行 研 究 は PDMS を 用 い て い る た め ， 駆 動 可 能 な 膜 厚 は(1.3)式 よ り 7.6 µm 以 下 と な る ． ま た ，PDMS は 薄 膜 形 成 時 に 熱 架 橋 に よ る 収 縮 で 自 立 薄 膜 の 形 成 が 難 し い ．
本 研 究 で は ，自 立 薄 膜 の 中 空 構 造 の 形 成 が 簡 便 で セ ン チ メ ー ト ル ス ケ ー ル の 大 面 積 で 調 製 可 能 な SBS ナ ノ シ ー ト を 用 い て 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル を 製 作 す る ．MEMS ア ク チ ュ エ ー タ で 駆 動 可 能 な 最 大 膜 厚 は(1.4) 式 の 概 算 結 果 よ り 1.1 µm 以 下 と な る こ と か ら ， デ バ イ ス は サ ブ ミ ク ロ ン 以 下 の 膜 厚 で 製 作 す る ．光 学 特 性 は ，格 子 周 期 の 異 な る 画 素 を 作 り 分 け る ま た は 基 板 シ ー ト の 伸 縮 で 格 子 周 期 を 制 御 す る こ と で ， 可 視 光 の 波 長 帯 域 400 nm-700 nm で 透 過/反 射 ス ペ ク ト ル を シ フ ト さ せ る 動 的 色 変 調 を 原 理 実 証 す る ．本 研 究 の 完 成 に よ り ，伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル と MEMS ア ク チ ュ エ ー タ と が 一 体 化 さ れ た MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ の 実 現 が 期 待 さ れ る ．図 1.5.1 に お い て ，本 研 究 の 目 標 は 赤 い 領 域 で 示 し た 色 変 調 帯 域 幅 300 nm， デ バ イ ス 膜 厚 1.1 µm以 下 と な る ． こ れ よ り 本 研 究 の 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル は ，動 的 色 変 調 機 能 を 有 す る マ イ ク ロ デ バ イ ス の 実 現 に
38
向 け た 研 究 を 大 い に 進 展 さ せ る も の と な る ．
図 1.5.1. 動 的 色 変 調 デ バ イ ス の 膜 厚 お よ び 色 変 調 帯 域 幅[63–68, 98, 99]．
本 研 究 の 意 義 は 以 下 に 列 挙 し ， 図 1.5.2 に ま と め た ． 1. ソ フ ト ナ ノ プ ラ ズ モ ニ ク ス 分 野 の 開 拓
表 面 プ ラ ズ モ ン 共 鳴 を 利 用 す る プ ラ ズ モ ニ ク ス デ バ イ ス は ， 屈 折 率 や 光 の 入 射 角 に 応 答 す る バ イ オ セ ン サ で 実 用 化 さ れ て お り ， そ の 他 の 光 学 デ バ イ ス で も 応 用 研 究 が 行 わ れ て い る ． ソ フ ト マ テ リ ア ル の 研 究 領 域 で は ， エ ラ ス ト マ ー で あ る PDMS の 弾 性 変 形 を 利 用 し て 表 面 プ ラ ズ モ ン に 依 存 す る 光 学 特 性 の ア ク テ ィ ブ 変 調 に 着 手 さ れ て い る ． 中 で も 本 研 究 で は ，ソ フ ト ナ ノ マ テ リ ア ル に 属 す る 膜 厚 数 百 nm の エ ラ ス ト マ ー ナ ノ シ ー ト を 利 用 し ， プ ラ ズ モ ニ ク ス へ 一 体 化 し た 初 め て の 異 分 野 融 合 デ バ イ ス と な る ．
maximum film thickness capable to be driven by a MEMS actuator
Filmthickness[m]
10-6
Tuning wavelength range [nm]
10-3
200 100
0 300
10-4
[63]
[63] X. Zhu, et al., Nano Res. 2010, 3.
[64] U. Cataldi, et al., J. Mater. Chem. 2014, 2.
[65] D. Yoo, et al., ACS Nano 2015, 9.
[66] S. Song, et al., Adv. Opt. Mater. 2017, 5.
[65]
[66] [68]
[67]
[64]
[98]
[99]
[67] S. Olcum, et al., Opt. Express 2010, 17.
[68] M. L. Tseng, et al., Nano Lett. 2017, 17.
[98] Y. Shen, et al., ACS Photonics 2015, 2.
[99] P. Gutruf, et al., ACS Nano 2016, 10.
10-5
Our target 10-2
7.6 µm for PDMS 1.1 µm for SBS
39 2. フ レ キ シ ブ ル MEMS の 機 能 拡 張
本 研 究 は ，MEMS デ バ イ ス 化 に 向 け た 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク メ タ マ テ リ ア ル を 製 作 す る も の で あ る ． 展 望 と し て ， 本 研 究 の デ バ イ ス を MEMS ア ク チ ュ エ ー タ の 駆 動 機 構 と し た MEMS 可 変 カ ラ ー フ ィ ル タ の 実 現 が 期 待 さ れ る ． 従 来 の フ レ キ シ ブ ル MEMS デ バ イ ス は ， バ ル ク エ ラ ス ト マ ー を フ レ キ シ ブ ル 基 板 ， ダ イ ア フ ラ ム と し て 使 用 し た と き の 柔 軟 性(可 撓 性 ， flexibility)を 意 味 し て い た ．故 に 本 研 究 は ，フ レ キ シ ブ ル MEMS デ バ イ ス に 伸 縮 性(弾 性 ，elasticity)の 要 素 を 付 与 し ， 広 義 の“フ レ キ シ ブ ル”へ 機 能 を 拡 張 さ せ ， 分 野 の 発 展 に 貢 献 す る 後 続 研 究 の 基 盤 技 術 と な る だ ろ う ．
図 1.5.2. 本 研 究 の 意 義[26, 65, 79, 103–105]．
プラズモニクス
ソフトプラズモニクス ソフトマテリアル
ソフトナノマテリアル
MEMSデバイス
マイクロイメージの エンコーディング[79]
バイオセンシング[26]
プラズモン共鳴のアクティブ変調[65]
エラストマーナノシート[103]
MEMS可変カラーフィルタ フレキシブルMEMSの機能拡張
（ 可撓性+ 弾性 ）
共鳴ゲートトランジスタ[105]
湾曲した静電型アクチュエータ[104]
Poly(dimethylsiloxane)
[26] B. Liedberg, et al., Sens. Actuators 1983, 4.
[65] D. Yoo, et al., ACS Nano 2015, 9, 11.
[79] E. Heydari, et al., Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 35.
[103] N. Sato, et al., Soft Matter 2016, 12, 45.
[104] R. Legtenberg, et al., J. Microelectromech. Syst. 1997, 6, 3.
[105] H. C. Nathanson, et al., IEEE Trans. Electron Devices 1967, 14, 3.
本研究の 位置づけ
ソフトナノプラズモニクス
40
第 2 章 で は ，原 理 検 証 と し て 膜 厚 を 数 百 nm オ ー ダ ー に 形 成 可 能 な 既 存 の 非 伸 縮 高 分 子 材 料 を 使 用 し た プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 製 作 に つ い て 述 べ る ．第 3 章 で は ，伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 製 作 に 向 け た 予 備 検 討 と し て ，エ ラ ス ト マ ー ナ ノ シ ー ト の 光 学・機 械 特 性 を 評 価 す る こ と で デ バ イ ス へ の 適 用 可 能 性 を 述 べ る ．第 4 章 で は ，エ ラ ス ト マ ー ナ ノ シ ー ト へ の Al パ タ ー ン 転 写 手 法 を 新 た に 考 案 し ， 転 写 に よ る プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 製 作 に つ い て 述 べ る ．第 5 章 で は ，埋 め 込 み 構 造 に よ る 伸 縮 性 プ ラ ズ モ ニ ッ ク カ ラ ー シ ー ト の 製 作 お よ び シ ー ト 駆 動 力 に つ い て 述 べ る ．
41