理化学研究所は9月19日、熱も圧力もかけずに常温で貼り合わせられ、5倍に伸ばしても電気を通し続ける極薄の導電フィルムを開発したと発表した。創発物性科学研究センターの李成薫（イ・ソンフン）研究員と染谷隆夫チームディレクターらが、早稲田大学の梅津信二郎教授らと共同で作製した。厚さは約300ナノメートル（1ナノメートルは10億分の1メートル）で、1ミリの約3000分の1にあたる。

従来は熱と圧力が要り、皮膚や薄い素子を傷めた

開発したのは異方性導電フィルム（ACF）と呼ばれる部材である。電子部品同士をつなぐ接着シートの一種で、厚み方向にだけ電気を通し、フィルムに沿った面内方向では絶縁を保つ。この性質があるため、細かい電極を並べても隣同士が短絡しない。

従来のACFは厚さが数マイクロメートル（1マイクロメートルは1000分の1ミリ）以上あるものが多く、接合部だけが硬くなって、せっかく柔らかく作ったデバイスの柔軟性を損なっていた。貼り合わせる際に熱や圧力、紫外線を加える必要もあり、刺激に弱い生体組織や超薄型の素子を傷める恐れがあった。厚いフィルムは空気も通さないため、皮膚に貼ると汗が蒸れてかぶれの原因にもなる。今回の成果は、この三つの弱点を同時に解いたものだ。

エタノールの揮発で貼り付け、5倍に伸ばしても通電

作り方はこうだ。銀ナノワイヤ（直径がナノメートル単位の極めて細い銀の線）をスプレーで吹き付けて規則的な円盤状のパターンを作り、その上からゴムのように伸びる高分子であるSEBS（スチレン・エチレン・ブチレン・スチレン共重合体）をしみ込ませて膜にする。高分子の濃度を調整すると、銀ナノワイヤの一部だけが表面に顔を出し、厚み方向にだけ電気が流れる構造になる。

貼り合わせにはエタノールなどの揮発性の液体を使う。液体が蒸発する力で、大気中・常温・無加圧のまま対象に密着させる仕組みで、曲率半径500マイクロメートルの波打った曲面や、皮膚のような細かい凹凸にもなじむ。銀ナノワイヤの円盤がフィルムの伸びに追従して変形するため、500％を超える引っ張りを加えても壊れない。1000回伸び縮みを繰り返した後でも厚み方向の電気抵抗はほとんど変化せず、200マイクロメートル間隔で並べた電極同士の絶縁も保たれている。

通気性は医療用フィルムを上回る

蒸れにくさの指標である水蒸気透過率は1平方メートルあたり1日1200グラムだった。1日あたり1.2リットル分の水蒸気が通り抜ける計算で、一般的な皮膚貼付用の医療フィルムより高い値である。皮膚に長く貼り続けても汗がこもりにくい。

実証として、配線が500マイクロメートル間隔で並ぶ伸縮配線基板に発光素子を載せ、基板全体を5倍に引き伸ばしたところ、断線も短絡も起こさずに光り続けた。さらに人の手首の皮膚の上で伸縮配線同士を直接つなぎ、手首を動かしながらでも正常に動作することを確かめている。

全身に貼る「電子皮膚」を見据える

研究チームは今後、銀ナノワイヤを自然に整列させる技術を取り入れて配線をより細かく高密度にし、材料の改良で生体への親和性と環境への耐性を高める方針だ。想定する用途は、医療・ヘルスケア分野の長期モニタリングのほか、人工皮膚や体内に埋め込む医療機器、大きく変形しても壊れないソフトロボットの回路である。

染谷氏は日本学術振興会の科学研究費助成事業で「全身電子皮膚による人間のデジタル化」という国際先導研究を率いており、今回の研究もその助成を受けて行われた。成果は米科学誌サイエンス・アドバンシズのオンライン版に日本時間9月19日付で掲載された。