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金子 新 准教授

金子 新 准教授

システムデザイン学部 知能機械システムコース
金子 新 准教授

キーワード:
センサー,電子回路,フレキシブルデバイス

スマホに表示した画面が、自動で回転するのはなぜ?

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小さなセンサーが果たす大きな役割

スマートフォンを傾けるだけでディスプレイに表示した画像を回転できるのは、重力の方向を検知するセンサーが入っているからです。このようなセンサーの原理で最も単純なものは、橋のように浮かせた部品のたわみや動きの重力による変化を測っています。このようなセンサーはMEMS(メムス)とも呼ばれ、自動車、デジタルカメラ、ゲーム機などの身近な製品に搭載されています。構造はシンプルですが電子機器に搭載するには1ミリメートルの何百分の一、ときには何万分の一といったサイズで作らねばならず、あまりにも小さいため材料を切り、削り、組み立てることがとても難しいので、小さな部品を作るには、特殊な加工技術が必要なのです。

現行技術の限界とデメリット

電子回路やセンサーを作るには、半導体プロセスという写真技術や腐食加工が応用されています。この技術自体は既に成熟し、さまざまな微細部品が作れるのですが、高温での薄膜作製、あるいは酸やアルカリ溶液に浸けるといった工程を何十回も行うため、非常に手間がかかります。特にセンサーが必要とする立体構造を作るのが難しく、まず三層の構造を作り、真ん中の層の一部を取り除くことで作っています。また、装置が高価なことから、ある程度の市場規模が見込める製品にしか投入できません。

手軽に立体構造を作るには

低コストかつ簡易に構造を作る技術として考えられるのが、下地となる材料に凹凸を作り、スタンプの要領で架橋部を押し付ける方法です。うまく接着、あるいは剥離するために、表面をどう加工するかが難しいのですが、材料の選択肢は広がります。高温や薬品に耐えうるガラスやシリコンでしか作れなかったものが、PETフィルムなどの高分子材料も使えます。高分子材料の利点は柔軟性があることで、例えば洋服に貼り付けるセンサーなどのフレキシブルデバイスも作ることができます。このようなデバイスはヘルスケア、快適な生活や事故防止などに役立つので、安全・安心な社会の実現に貢献できると考えられます。

実は、表面の凹凸が役に立っているのです!

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細胞を並べるだけでお金がかかる

新薬開発や細胞の機能を調べるには、最近では1個1個の細胞に薬剤を与えるテストを行います。何十、何百とテストするには細胞が並んでいる方がやりやすく、また細胞同士がやり取りする信号を調べるのにも便利です。細胞をピンセットでつまんで配置すればよいのですが、それでは時間がかかってしまいます。足場とよばれるプレートに凹凸を作ると、細胞は居心地のよい凹凸に移動してくれます。このような凹凸はさまざまなアプローチで製作されています。例えば、電子回路などの製作に使われる「リソグラフィー(原版に描かれた回路パターンを、光を用いて半導体に転写する技術)」もその1つですが、細胞や目的に合わせてオンデマンドで作るのは難しく、高価な装置なので多額の費用がかかってしまいます。

小さなビーズを並べれば凹凸になる

千分の一ミリメートル程度の小さなガラス球(ビーズ)を水にバラまき、その水を板材の上で乾燥させると、ガラス球は表面張力によってビッシリと集まって整列します。板材に親水性のある薬品を塗っておくことで、塗った部分にだけガラス球が隙間なく貼り付きます。ガラス球の表面には凹凸がありますから、これは細胞にとって居心地のよい場所になります。単純で高価な装置も必要ないので、これで安価に細胞の足場を作れます。このように作った足場が医療や新薬開発に役立てられると考えられています。

生活の中にある見えない凹凸

そもそも簡単に凹凸を作る技術自体、かなり有用だと言えます。例えばテレビやパソコンのディスプレイは電灯の映り込み(反射)を抑えるため、薄い層を何枚も重ねることで作られています。凹凸のある表面はそれ自体が光の反射を抑える構造をしているため、膜の枚数や手間を軽減できます。また凹凸は摩擦にも深く関係してきますから、見た目を変えることなく、手触りのいい材料や滑りにくい材料を作るのにも役立つのです。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

顕微鏡を使わないと見えないくらい小さなものを作るとなると、材料がもつ物理的・化学的な性質を利用する場合が多く、いわゆる加工という概念だけでは通用しません。自分なりに筋道を立てて考え、ある程度の予測に基づいても、思い通りの形になるかどうかはわからないのです。しかし、だからこそ面白いし、なぜうまくいかないのかを考える面白さもあります。
大学で研究するのは20年後、30年後の世界を見据えた、基礎的な内容です。その分、世界で初めてのものに出会ったり、それを実際に扱ったりできる可能性も秘めているのです。


夢ナビ編集部監修

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