客觀日本

貼在皮膚上的資訊終端機,可伸縮半導體實施高性能

2022年01月18日 電子電氣

觸摸貼在手背上的顯示螢幕,回復郵件或管理健康狀態。實施這種用途的是可以自由伸縮的半導體元件。慶應義塾大學等的研究團隊新開發了可以伸縮的裝置,成功地將性能提高至原來的10萬倍。到2050年,可穿戴終端機甚至可能不再需要「穿戴」。

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開發了可貼到手腕上的顯示系統(圖片由慶應義塾大學的松久直司提供)

以智慧手錶爲首的可穿戴終端機從2010年代開始迅速普及。可穿戴終端機不僅能提高業務效率,有些型號還可以測量心電圖等,能掌握日常健康狀態。

可穿戴終端機一般是手錶型等有一定厚度的電子設備,需要佩戴。然而,有些人在運動時會覺得戴着礙事,有可能妨礙準確的測量。未來的器件有望實施可以直接貼在皮膚上的片狀等形狀。

目前主流的半導體材料硅難以拉伸,爲此研發出了可以像橡膠那樣伸縮,並且能通電的材料,還利用這種材料開發了半導體元件。但驅動頻率只有約100赫茲,處理能力有限,成爲實用化道路上的課題。

慶應義塾大學的專職講師松久直司與美國斯坦福大學的鮑哲南教授等人使二極體具備了伸縮性,驅動頻率也實施了用於交通IC卡的13.56兆赫,達到原來的10萬倍。二極體是單向導電的半導體元件,透過提高驅動頻率,可以有效地無線傳輸電力。

此次開發的二極體將半導體和陽極(電子流向外部電路的電極)等重疊成薄層。透過在有機半導體材料中導入部分橡膠結構,使得材料同時具備了導電性和伸縮性。

另外,透過改變各層的材料結構等,在保持高頻率的同時,實施了即使伸縮也不容易損壞的特性。松久表示:「各層即使拉伸50%也不會破裂。」

研究團隊還利用新開發的二極體開發了可以實際貼到皮膚上的顯示系統。厚度約爲200微米(微米爲百萬分之一米),由二極體、顯示螢幕和天線等部件構成。

鋰離子電池也開發出了柔軟的類型,可以貼到衣服上,爲皮膚顯示螢幕供電。二極體會將接收到的交流訊號轉換爲直流,從而改變顯示螢幕的顏色。

研究團隊的目標是2030年代上半期使貼在皮膚上使用的可穿戴終端機實施實用化。使用此次的二極體,理論上可以用貼在皮膚上的交通IC卡通勤或上學。另外,如果能進一步提高驅動頻率,應用範圍還有望擴大。

將二極體用於可伸縮的太陽能電池等,還有望提高性能。

無需採血即可測量血糖值

據調查公司MM總研(東京港區)的資料,日本國内的智慧手錶銷量2025年度將達到490萬塊,增至2020年度的2倍以上。旨在實施新一代可穿戴終端機的技術開發正在各個領域推進。

可穿戴終端機的技術開發與前景展望
2015年 美國蘋果公司發售第一代Apple Watch
2018年 東京大學和大日本印刷成功開發出可以伸縮、能貼到皮膚上的顯示螢幕
2021年 東京大學利用貼到皮膚上使用的電極成功測量了一週的心電圖
慶應義塾大學的松久等人開發出性能提高10萬倍的可伸縮二極體
2030年代上半期 貼到皮膚上使用的終端機有望廣泛普及
2040~50年代 貼到皮膚上使用的終端機,還有望開發出新的電子器件

醫療領域最具競爭力的隊形變換之一,是無需採血即可測量血糖值的功能。目前普及的血糖值測量設備一般都採用針刺指尖採血的方式。如果不需要採血,還能減輕患者的負擔。

美國蘋果公司正在開發利用電磁波測量空氣中的微小顆粒的技術。據說該技術適用於於血糖值測量。

東京理科大學和東京大學的研究團隊2021年8月宣佈,利用透過人體交換資料和電力的「人體通訊」技術,應答了連接到雙耳的電子器件的有效性和安全等。有望爲以無線耳機和佩戴在耳朵上的可穿戴終端機爲物件的人體通訊系統的普及做出貢獻。

慶應義塾大學的松久開發的顯示系統雖然可以貼在手背等部位,但存在貼到關節等活動半徑較大的部位時容易損壞的課題。透過實施改良和提高技術,可穿戴終端機將進一步貼近人們的生活。

日文:落合修平、《日經產業新聞》,2022/01/07
中文:JST客觀日本編輯部