JP7185141B2 - フレキシブルデバイスおよびフレキシブルデバイスの製造方法 - Google Patents

フレキシブルデバイスおよびフレキシブルデバイスの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、フレキシブルデバイスおよびフレキシブルデバイスの製造方法に関する。
ＩＯＥ（Internet of Everything）の普及に伴い、フレキシブルデバイスに注目が集まっている。フレキシブルデバイスの中でもヘルスケア・医療用途に用いるウェアラブル電極や、血中の酸素や糖の濃度を計測するバイオセンサーはウェアラブルシステムの市場の拡大に貢献している。最近では生体の表皮貼付型デバイスに続き、脳や心臓などの生体内組織に直接貼り付けて、生体の電気信号を測定するバイオデバイスとして利用可能なフレキシブルデバイスに関する研究開発が盛んに行われている。
生体の電気信号を計測する代表的な手法として、生体内組織に接した２つの電極間の電流を測定する二端子計測と、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極の３つの電極を有する電界効果トランジスタ（FET：Field Effect Transistor）を用いた三端子計測とが知られている。三端子計測は、二端子計測と比較して一般に、高精度・安定化の観点で有利である。
ＦＥＴ構造のフレキシブルデバイスとして、ソース電極とドレイン電極との間に配置されるチャネルとして有機半導体薄膜を用いた有機ＦＥＴ構造のフレキシブルデバイスが知られている。また、ゲート電極の先端を、ソース電極とドレイン電極から離れた位置に延長した延長ゲート電極を用いた延長ゲート型ＦＥＴ構造のフレキシブルデバイスが知られている。例えば、非特許文献１には、チャネルとして有機半導体薄膜を用い、ゲート電極として延長ゲート電極を用いた延長ゲート型有機ＦＥＴ構造のフレキシブルデバイスが開示されている。この非特許文献１に開示されているフレキシブルデバイスでは、延長ゲート電極としては金薄膜が用いられている。
Tsukuru Minamiki et al., APPLIED PHYSICS LETTERS 104, 243703 (2014)
ところで、生体組織の挙動を様々な観点から研究するために、生体の電気信号を計測しながら、生体組織を光学的に観察したり、光遺伝操作や膜電位イメージングなどを行えたりすることができれば好ましい。しかしながら、従来のフレキシブルバイオデバイスでは、電極が不透明であるため、生体組織に対して光学的な観察や光照射を行うことはできなった。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、生体組織の電気的な測定と生体組織に対する光学的な観察あるいは光照射とを同時に行うことができるフレキシブルデバイスおよびフレキシブルデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一の態様であるフレキシブルデバイスは、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に互いに間隔を空けて形成されたソース電極、ドレイン電極および延長ゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間隔に配置されたチャネルと、前記チャネルの全体と前記延長ゲート電極の一部を覆うように形成されたゲート誘電体と、を有し、前記絶縁基板は、光透過性を有する可撓性薄膜であり、前記延長ゲート電極は、生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜であって、前記チャネルは、有機半導体薄膜であり、前記ゲート誘電体は、イオン液体もしくはイオンゲルであり、前記延長ゲート電極の先端部は、特定の物質に選択的に結合する修飾がなされている。
本発明の一の態様である電極において、前記絶縁基板は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上である構成としてもよい。
また、本発明の一の態様である電極において、前記延長ゲート電極が、ｓｐ２混成軌道を形成している炭素原子を含む炭素材料薄膜である構成としてもよい。
さらに、本発明の一の態様である電極において、前記延長ゲート電極が、グラフェン膜である構成としてもよい。
またさらに、本発明の一の態様である電極において、前記延長ゲート電極は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上である構成としてもよい。
さらにまた、本発明の一の態様である電極において、前記延長ゲート電極は、下記の方法により測定される神経細胞の付着率が５０％以上である構成としてもよい。
（神経細胞の付着率の測定方法）
神経細胞懸濁液１ｍＬを前記延長ゲート電極上に滴下し、温度３７℃、相対湿度１００％に調節した恒温槽内で２４時間静置する。静置後、ガラス基板上の神経細胞懸濁液を除去して、リン酸緩衝生理食塩水を追加する。次いで、ガラス基板の細胞を、トリパンブルーを染色し、神経細胞の生細胞と死細胞の数を計測し、全細胞数に対する生細胞の割合を、神経細胞の付着率として算出する。
本発明の一の態様であるフレキシブルデバイスの製造方法は、前記各項に記載のフレキシブルデバイスの製造方法であって、光透過性を有する可撓性薄膜と、前記可撓性薄膜の表面に積層された、生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜とを有する積層体を用意する工程と、前記積層体の前記炭素材料薄膜の一部を除去することにより、ソース電極、ドレイン電極および延長ゲート電極を形成する工程と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間隔に有機半導体薄膜を形成する工程と、前記有機半導体薄膜の全体と前記延長ゲート電極の一部を覆うようにイオン液体もしくはイオンゲルを塗布する工程と、を含む。
本発明によれば、生体組織の電気的な測定と生体組織に対する光学的な観察あるいは光照射とを同時に行うことができるフレキシブルデバイスおよびフレキシブルデバイスの製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの平面図である。 図１のII－II線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法における電極形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、III（ｂ）－III（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法における電極形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、IV（ｂ）－IV（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法における電極形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、Ｖ（ｂ）－Ｖ（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法におけるチャネル形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、VI（ｂ）－VI（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法におけるチャネル形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、VII（ｂ）－VII（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法におけるゲート誘電体形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、VIII（ｂ）－VIII（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの製造方法におけるゲート誘電体被覆層形成工程を説明する図面であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、IX（ｂ）－IX（ｂ）線断面図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの使用状態の一例を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの使用状態の別の一例を示す概念図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳しく説明する。
＜フレキシブルデバイス＞
以下、本発明の一実施形態であるフレキシブルデバイスについて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの平面図であり、図２は、図１のII－II線断面図である。
図１、２に示すように、フレキシブルデバイス１は、絶縁基板２と、絶縁基板２の表面に互いに間隔を空けて形成されたソース電極３、ドレイン電極４および延長ゲート電極５と、ソース電極３とドレイン電極４との間隔に配置されたチャネル６と、チャネル６の全体と延長ゲート電極５の一部を覆うように形成されたゲート誘電体７と、を有する。ゲート誘電体７は保護層８で被覆されている。また、ソース電極３はソース電極端子３ａを、ドレイン電極４はドレイン電極端子４ａをそれぞれ備えている。
絶縁基板２は、光透過性を有する可撓性薄膜１３から構成されている。絶縁基板２は、用途によっても異なるが、フレキシブルデバイス１を全体的に円筒状、円錐状などの任意の形状に加工できる程度の可撓性を有していることが好ましい。また、絶縁基板２は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上であることが好ましい。さらに、絶縁基板２は、生体適合性を有し、かつ化学的に安定性であることが好ましい。
絶縁基板２の材料としては、ポリパラキシレン樹脂が好ましい。ポリパラキシレン樹脂は、湿気や腐食性ガスへの耐性が強く、蒸着で容易に薄膜化できる上、生体内組織に対して無害なので、絶縁基板２の材料として適している。
絶縁基板２の厚さは通常、１μｍ以上３μｍ以下の範囲内である。
ソース電極３およびドレイン電極４は、導電性薄膜から構成されている。ソース電極３およびドレイン電極４は、延長ゲート電極５と同様に後述の炭素材料薄膜から構成されていてもよい。また、ソース電極３およびドレイン電極４は、金属薄膜、導電性酸化物薄膜、導電性高分子薄膜から構成されていてもよい。金属薄膜の材料の例としては、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｒを挙げることができる。導電性酸化物薄膜の材料の例としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素酸化スズ（ＦＴＯ）、アルミニウム酸化亜鉛（ＡＺＯ）を挙げることができる。導電性高分子薄膜の材料の例としては、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）－ポリ（４－スチレンスルホン酸）、ポリチオフェン系高分子、ポリビチオフェン系高分子、ポリイソチオフェン系高分子、ポリドデシルチオフェン系高分子、ポリイソナイトチオフェン系高分子、ポリ－３－ヘキシルチオフェン系高分子、ポリアセン系高分子、ポリパラフェニレン系高分子、ポリアニリン系高分子、ポリジアセチレン系高分子、ポリピロール系高分子、ポリアニリン系高分子を挙げることができる。なお、フレキシブルデバイス１の使用の際に、ソース電極３およびドレイン電極４が生体組織に接しない場合は、ソース電極３およびドレイン電極４の材料は生体適合性を有していなくてもよい。
ソース電極３およびドレイン電極４の厚さは通常、１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲内である。
ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａは、導電性薄膜から構成されている。ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａは、金属薄膜から構成されていることが好ましい。ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａの材料の例としては、Ａｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｒを挙げることができる。
ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａの厚さは通常、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲内である。
延長ゲート電極５は、先端部５ａ（センサ部）がソース電極３およびドレイン電極４から離れた位置に延長されている。ソース電極３およびドレイン電極４と延長ゲート電極５の先端部５ａの距離は用途によっても異なるが、通常は２ｃｍ以上であり、好ましくは２ｃｍ以上５ｃｍ以下の範囲内である。
延長ゲート電極５は、生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜から構成されている。延長ゲート電極５は、ｓｐ２混成軌道を形成している炭素原子を含む炭素材料薄膜から構成されていることがより好ましい。延長ゲート電極５は、グラフェン膜であることが特に好ましい。また、グラフェン膜は、単層グラフェン膜および２～１０層の多層グラフェン層を含む。
延長ゲート電極５は、下記の方法により測定される神経細胞の付着率が５０％以上であることが好ましい。神経細胞の付着率が５０％以上である延長ゲート電極５は、一般的な細胞に対する親和性が高いので、生体適合性が高い。
（神経細胞の付着率の測定方法）
神経細胞懸濁液１ｍＬを前記延長ゲート電極上に滴下し、温度３７℃、相対湿度１００％に調節した恒温槽内で２４時間静置する。静置後、ガラス基板上の神経細胞懸濁液を除去して、リン酸緩衝生理食塩水を追加する。次いで、ガラス基板の細胞を、トリパンブルーを染色し、神経細胞の生細胞と死細胞の数を計測し、全細胞数に対する生細胞の割合を、神経細胞の付着率として算出する。
また、延長ゲート電極５は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上であることが好ましく、９０％以上であることが特に好ましい。
このような生体適合性と光透過性とを有する延長ゲート電極５を用いることによって、生体組織の電気的な測定と生体組織に対する光学的な観察あるいは光照射とを同時に行うことができる。
延長ゲート電極５は、用途に応じて、先端部５ａの表面を修飾してもよい。例えば、延長ゲート電極５を用いて、抗原抗体反応により特定の抗原を補足する場合は、延長ゲート電極５の先端部５ａの表面を、特定の抗原と結合する抗体あるいは検出目標となる抗原と選択的に結合するアプタマーで修飾してもよい。また、例えば、匂いセンサーの検出器として用いる場合は、延長ゲート電極５の先端部５ａの表面を匂いレセプターで修飾してもよい。
チャネル６は、有機半導体薄膜から構成されている。すなわち、フレキシブルデバイス１は、有機ＦＥＴ構造を有する。有機半導体薄膜は、ｎ型半導体であってもよいし、ｐ型半導体であってもよい。有機半導体としては、ルブレン、Ｃ６０（フラーレン）、Ｐ３ＨＴ（ポリヘキシルチオフェン）を用いることができる。
有機半導体薄膜は、ＦＥＴのチャネルとして広く利用されているシリコン薄膜などの無機薄膜と比較して生産性に優れ、種類が豊富かつ、柔軟で可撓性が高い。このため、任意のチャネル６（有機半導体薄膜）を絶縁基板２上に簡単に作製できる。
チャネル６の形状は特に限定ないが、通常は四角形である。チャネル６の長さと幅は、ソース電極３およびドレイン電極４のサイズによっても変動するが、通常は５０μｍ以上５００μｍ以下の範囲内である。
ゲート誘電体７は、イオン液体もしくはイオンゲルから構成されている。
イオン液体は、アニオンとカチオンが対になった液体である。イオン液体としては、例えば、Ｎ，Ｎ，Ｎ－トリメチル－Ｎ－プロピルアンモニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＤＥＭＥ＋／ＴＦＳＩ－）、Ｎ－メチル－Ｎ－プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（Ｐ１３＋／ＴＦＳＩ－）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＥＭＩＭ＋／ＴＦＳＩ－）、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート（ＥＭＩＭ＋／ＢＦ４ －）を用いることができるが、イオン液体を成すカチオンの側鎖長及びアニオン種と有機溶媒や水との混和性に注意してイオン液体を選ぶことが好ましい。例えば、有機溶媒との混和性を重視するなら、十分に有機溶媒に溶けるほどカチオンの側鎖が長く、アニオンに（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ－）やＰＦ６ －が含まれていることが好ましい。一方、水との混和性を重視するなら、カチオンの側鎖は十分水と混和するほど短く、アニオンはＣｌ－やＣＦ３ＣＯＯ－を含んでいることが好ましい。通常、有機ＦＥＴの駆動電圧と電荷移動度はトレードオフの関係にあるが、高い電荷移動度を示すとされるＰ１３＋／ＴＦＳＩ－でさえ０．２Ｖ以下の低駆動電圧を示すので、イオン液体またはイオンゲルをゲート誘電体として用いる場合、たいていの有機ＦＥＴはバイオセンサーとして十分な感度で機能する。
イオンゲルは、イオン液体を含むゲル状物質であり、一般にイオン液体に共重合体を混ぜて溶媒に溶かした後に溶媒を揮発することで得られる。溶媒は特に指定しないが、通常はアセトン、アセトニトリル、酢酸エチル、ヘキサン、トルエンなどの有機溶媒が用いられる。共重合体も特に指定はないが、主にメタクリル酸メチル・スチレン共重合体（ＰＳ－ＰＭＭＡ－ＰＳ）、フッ化ビニリデン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）などが用いられる。例えば、イオン液体ＥＭＩＭ＋／ＴＦＳＩ－５０μＬとＰＶＤＦ－ＨＦＰ２５ｍｇの混合物をアセトニトリル１ｍＬに溶かして、ウェハやガラス基板にスピンコートまたは滴下する。その後、基板をホットプレート上で７０℃前後の温度で１０分ほど過熱して有機溶媒（アセトニトリル）を揮発して、基板表面にイオンゲルを得る。最後にイオンゲルを基板から剥離する。必要なら剥離の前後で適宜、イオンゲルを成型する。イオン液体と共重合体の比率を変えてゲルの膜質を制御することも可能である。また、共重合体の代わりにセルロースを用いてイオンゲルを得ることもできる。
イオン液体およびイオン液体を含むイオンゲルから構成されたゲート誘電体７は、厚さがイオン液体を構成するカチオン分子サイズ（１ｎｍ程度）と薄い。このため、ゲート誘電体７を用いることによって、微弱な生体信号や化学結合を高感度に検出する有機ＦＥＴ構造のフレキシブルデバイス１を得ることができる。
保護層８は、ゲート誘電体７を構成するイオン液体が流失しないように保護するための層である。保護層８の材料としては特に制限はないが、シリコーン樹脂が好ましい。例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂、ポリパラキシレン樹脂を用いることができる。柔軟性や加工性の観点から、ポリジメチルシロキサン樹脂が好ましい。
以上のような構成とされた本実施形態であるフレキシブルデバイス１によれば、絶縁基板２は光透過性を有する可撓性薄膜から構成され、延長ゲート電極５は生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜から構成され、チャネル６は、有機半導体薄膜であり、ゲート誘電体７は、イオン液体もしくはイオンゲルから構成されているので、生体組織の電気的な測定と生体組織に対する光学的な観察あるいは光照射とを同時に行うことができる。また、電気的な測定を高感度で行うことができる。
なお、上記実施形態のフレキシブルデバイス１は本発明の例示に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態のフレキシブルデバイス１では、ソース電極３はソース電極端子３ａを、ドレイン電極４はドレイン電極端子４ａをそれぞれ備えているが、これに限定されるものではない。ソース電極３とドレイン電極４とをそれぞれ直接、生体の電気信号を計測する装置に接続してもよい。
また、本実施形態のフレキシブルデバイス１では、ゲート誘電体７を被覆する保護層８が設けられているが、ゲート誘電体７を構成するイオン液体もしくはイオンゲルが高粘度で流出しにくい場合は、保護層８は設けなくてもよい。さらに、本実施形態のフレキシブルデバイス１では、延長ゲート電極５の先端部５ａは幅が広くなっているが、先端部５ａの幅に特に制限はなく、電気信号の計測に支障がなければ、先端部５ａの幅を広くする必要はなく、先端部５ａの幅を他の部分よりも狭くしてもよい。
次に、本発明の一実施形態であるフレキシブルデバイス１の製造方法について説明する。本実施形態のフレキシブルデバイス１の製造方法は、原料となる積層体を用意する用意工程と、その積層体を用いて、ソース電極、ドレイン電極および延長ゲート電極を形成する電極形成工程と、ソース電極とドレイン電極との間隔にチャネルを形成するチャネル形成工程と、チャネルの全体と延長ゲート電極の一部を覆うようにゲート誘電体を塗布するゲート誘電体形成工程とを含む。以下、本実施形態であるフレキシブルデバイス１の製造方法を、図３～図９を参照しながら説明する。なお、図３～図９において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は、各（ａ）の（ｂ）－（ｂ）線断面図である。
用意工程では、図３に示すように、固体基板１１の上に、犠牲層１２、光透過性を有する可撓性薄膜１３、炭素材料薄膜１４がこの順で積層された積層体１０を用意する。
固体基板１１は、フレキシブルデバイスを製造する際の基板である。固体基板１１は、表面が平坦な基板であり、通常の半導体プロセスで利用されている基板を用いることができる。固体基板１１の材料としては、特に制限はなく、ガラス、シリコン、プラスチックを用いることができる。固体基板１１の厚さは、０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
犠牲層１２は、化学的もしくは物理的な手法によって除去可能な層であり、フレキシブルデバイス１の製造後に、この層を除去することにより、フレキシブルデバイスを固体基板１１から剥離しやすくするための層である。犠牲層１２の材料は、製造したフレキシブルデバイスにダメージを与えることなく除去が可能な材料であれば種類を問わない。犠牲層１２の材料は、金属であってもよいし、有機物であってもよい。金属の例としては、アルミニウム、鉄、銅などが挙げられる。アルミニウムや鉄は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液（濃度１Ｍ）あるいはＭｉｃｒｏｐｏｓｉｔ（登録商標）３５１ Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒに１～５分ほど浸漬すれば除去できる。銅は、例えば、アンモニア水（３Ｍ）と過酸化水素水（３～３０％）を等量混合した溶液に浸漬すれば速やかに除去できる。また、銅は、グルタミン酸ナトリウム水溶液（１～５ｇ／２０ｍＬ）に塩化ナトリウム１～５ｇと過酸化水素水（３～３０％）を４～１０ｍＬ加えた水溶液中や塩化鉄（III）水溶液を用いても除去できる。金属製の犠牲層１２の形成方法としては特に制限はないが、スパッタ法、ＥＢ蒸着法などを用いることができる。
犠牲層１２の材料として用いる有機物の例としては、ゲル化したアルギン酸ナトリウムが挙げられる。ゲル化したアルギン酸ナトリウムを用いた犠牲層１２は、例えば、アルギン酸ナトリウム水溶液（１％ｗｔ）を親水性フィルター（２００ｎｍポア径）でろ過した後、固体基板１１の表面にスピンコート法（例えば、３０００ｒｐｍ、３０秒）を用いて塗布し、次いで得られた塗布膜を塩化カルシウム水溶液（０．１Ｍ）に１０秒浸漬してゲル化することによって形成することができる。このゲル化アルギン酸ナトリウムを用いた犠牲層１２は、ＥＤＴＡ（５ｍＭ）を用いて除去することができる。ゲル化アルギン酸ナトリウムを用いた犠牲層１２は生体分子に対して無害なＥＤＴＡを用いて除去できるので、タンパク質などの生体分子を延長ゲート電極に修飾したフレキシブルデバイスを製造する場合は好ましい。
犠牲層１２の膜厚は通常、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内である。
可撓性薄膜１３は、フレキシブルデバイス１の絶縁基板２を構成する膜である。絶縁基板２がポリパラキシレン樹脂膜である場合、絶縁基板２の形成方法としては、蒸着法を用いることができる。
炭素材料薄膜１４は、フレキシブルデバイス１のソース電極３、ドレイン電極４および延長ゲート電極５を構成する膜である。炭素材料薄膜１４がグラフェン膜である場合、炭素材料薄膜１４の形成方法としては、転写法を用いることができる。転写法は、別に用意した転写用基板の表面にグラフェン膜を形成し、その転写用基板の表面に形成したグラフェン膜を、可撓性薄膜１３の表面に転写する方法である。
電極形成工程では、図３に示すように、積層体１０の炭素材料薄膜１４の表面全体に、ネガ型レジスト層１５を積層し、次いで、所定パターンのマスク１６を形成する。所定パターンのマスク１６は、例えば、光硬化性樹脂を３Ｄプリンタで加工することによって形成することができる。３Ｄプリンタで得たマスクの場合、パターン部が開口部となるので、露光・現像処理された箇所のレジストが残るネガ型レジストを用いることが望ましい。
マスク１６を形成した後、ネガ型レジスト層１５の表面に露光・現像処理して、マスク１６で覆われていないネガ型レジスト層１５を除去した後、マスク１６を除去する。これによって図４に示すように、所定パターンのネガ型レジスト層１５ａ、１５ｂ、１５ｃが形成される。
次に、図４に示すように、積層体１０の表面にイオンビームを照射する。これにより、ネガ型レジスト層１５ａ、１５ｂ、１５ｃで覆われていない炭素材料薄膜１４を除去する。その後、ネガ型レジスト層１５ａ、１５ｂ、１５ｃを、アセトン等の有機溶媒により除去する。これによって図５に示すように、炭素材料薄膜１４から構成された、ソース電極３、ドレイン電極４および延長ゲート電極５が形成される。
チャネル形成工程では、まず、図６に示すように、積層体１０のソース電極３とドレイン電極４の間隔以外の表面の領域をマスク１７で被覆する。次いで、マスク１７で被覆されていない部分に、有機半導体薄膜１８を形成する。有機半導体薄膜１８は、フレキシブルデバイス１のチャネル６を構成する膜である。有機半導体薄膜１８の形成方法には特に制限はなく、キャスト法やスピンコート法など任意の方法で形成することができる。
次に、図７に示すように、マスク１７を除去し、有機半導体薄膜１８がソース電極３とドレイン電極４の間隔に形成されていることを確認する。
ゲート誘電体形成工程では、図８に示すように、有機半導体薄膜１８（チャネル６）の全面と延長ゲート電極５の一部を覆うようにイオン液体１９を塗布する。イオン液体１９の代わりにイオンゲルを用いてもよい。イオン液体１９は、フレキシブルデバイス１のゲート誘電体７を構成する。イオン液体１９の塗布方法には特に制限はなく、点塗布法を用いることができる。
また、図８に示すように、ソース電極３にソース電極端子３ａを、ドレイン電極４にドレイン電極端子４ａをそれぞれ形成する。ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａの形成方法としては、蒸着法やスパッタ法など任意の方法で形成することができる。ソース電極端子３ａおよびドレイン電極端子４ａは、イオン液体１９の塗布前に形成することが望ましい。
次に、図９に示すように、イオン液体１９（ゲート誘電体７）を覆うように、保護材料膜２０を形成する。保護材料膜２０はフレキシブルデバイス１の保護層８を構成する。保護材料膜２０の形成方法には特に制限はなく、保護材料膜２０がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）樹脂膜である場合は、レーザ加工や金型による成型を適用できる。
そして、最後に、犠牲層１２を除去して、固体基板１１と可撓性薄膜１３（絶縁基板２）とを剥離する。
以上のような構成とされた本実施形態であるフレキシブルデバイス１の製造方法によれば、フレキシブルデバイス１を工業的に有利に製造することができる。
なお、上記実施形態のフレキシブルデバイス１の製造方法は本発明の例示に過ぎず、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態のフレキシブルデバイス１の製造方法では、マスク１６の形成を、３Ｄプリンタで加工することによって行っているが、マスク１６はフォトマスクとしてもよい。フォトマスクの場合、マスクの仕様によってポジ型、ネガ型両方のレジストを用いることができる。
次に、本実施形態であるフレキシブルデバイス１の利用方法について説明する。図１０は、本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの使用状態の一例を示す概念図である。
図１０に示す使用状態では、３個のフレキシブルデバイス１を用いて、脳組織３１の電気的な測定と脳組織３１の光学的な観察を行う。３個のフレキシブルデバイス１の延長ゲート電極５の先端部５ａは、それぞれ脳組織３１に接続している。各フレキシブルデバイス１はドレイン電圧が一定とされ、脳組織３１からの電圧変化をゲート電圧の変化として延長ゲート電極５の先端部５ａが感知することによって、ゲート電圧の変化に追随してドレイン電流が変化する。このドレイン電流を計測することによって、脳組織３１の電気信号の変化を測定する。なお、図１０に示すように、ソース電極３およびドレイン電極４とチャネル６は生体内組織に接しない位置に配置することが好ましい。
フレキシブルデバイス１は、延長ゲート電極５が光透過性であるので、脳組織３１の電気信号の測定と共に、脳組織３１を光学的に観察したり、光を付与したときの電気信号の変化を測定したりすることができる。よって、本実施形態のフレキシブルデバイス１を用いることによって、従来のフレキシブルデバイスと比較して、種々の情報を得ることができる。
図１１は、本発明の一実施形態に係るフレキシブルデバイスの使用状態の別の一例を示す概念図である。
図１１に示す使用状態では、１個のフレキシブルデバイス１を用いて、延長ゲート電極５の先端部５ａに固定されている抗体４１と試料４２中の抗原４３との抗原抗体反応を、電気的な測定と光学的な観察により解析する。なお、抗原４３は、予め蛍光体（標識）が結合されている。フレキシブルデバイス１の延長ゲート電極５の先端部５ａは、抗原４３に対して親和性を有する抗体４１が固定されている。延長ゲート電極５に一定の電圧を印加して、延長ゲート電極５の先端部５ａに試料４２を滴下する。必要なら参照電極４４（通常は銀／塩化銀電極）を試料４２に入れる。抗体抗原反応が起きて抗原４３が抗体４１に結合すると、延長ゲート電極５と試料４２の界面電位変化によりドレイン電流が変化する。このドレイン電流の計測と、抗原４３に結合されている蛍光体の蛍光観察により、電気信号と光という二種類の情報から抗原抗体反応が解析可能になる。なお、検出目的の抗原と選択的に結合するアプタマーがあれば、抗体の代わりにそれを用いてもよい。
以上、本実施形態のフレキシブルデバイス１の使用方法について説明したが、フレキシブルデバイス１の使用方法は上記の実施形態に限定されるものではない。フレキシブルデバイス１は、例えば、バイオセンサーの表皮貼付型デバイスなどのウェアラブルシステムにおいて、生体の電気信号を測定するバイオデバイスとして利用することができる。また、フレキシブルデバイス１は、匂いセンサーの匂い成分を補足して検出する検出器としても利用することができる。
１…フレキシブルデバイス、２…絶縁基板、３…ソース電極、３ａ…ソース電極端子、４…ドレイン電極、４ａ…ドレイン電極端子、５…延長ゲート電極、５ａ…先端部、６…チャネル、７…ゲート誘電体、８…保護層、１０…積層体、１１…固体基板、１２…犠牲層、１３…可撓性薄膜、１４…炭素材料薄膜、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…ネガ型レジスト層、１６、１７…マスク、１８…有機半導体薄膜、１９…イオン液体、２０…保護材料膜、３１…脳組織、４１…抗体、４２…試料、４３…抗原、４４…参照電極

Claims (7)

  1. 絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に互いに間隔を空けて形成されたソース電極、ドレイン電極および延長ゲート電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間隔に配置されたチャネルと、前記チャネルの全体と前記延長ゲート電極の一部を覆うように形成されたゲート誘電体と、を有し、
    前記絶縁基板は、光透過性を有する可撓性薄膜であり、
    前記延長ゲート電極は、生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜であって、
    前記チャネルは、有機半導体薄膜であり、
    前記ゲート誘電体は、イオン液体もしくはイオンゲルであり、
    前記延長ゲート電極の先端部は、特定の物質に選択的に結合する修飾がなされてい るフレキシブルデバイス。
  2. 前記絶縁基板は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上である請求項１に記載のフレキシブルデバイス。
  3. 前記延長ゲート電極が、ｓｐ２混成軌道を形成している炭素原子を含む炭素材料薄膜である請求項１または２に記載のフレキシブルデバイス。
  4. 前記延長ゲート電極が、グラフェン膜である請求項３に記載のフレキシブルデバイス。
  5. 前記延長ゲート電極は、波長３００ｎｍ以上４μｍ以下の範囲内の光の透過率が７０％以上である請求項１～４のいずれか一項に記載のフレキシブルデバイス。
  6. 前記延長ゲート電極は、下記の方法により測定される神経細胞の付着率が５０％以上である請求項１～５のいずれか一項に記載のフレキシブルデバイス。
    （神経細胞の付着率の測定方法）
    神経細胞懸濁液１ｍＬを前記延長ゲート電極上に滴下し、温度３７℃、相対湿度１００％に調節した恒温槽内で２４時間静置する。静置後、ガラス基板上の神経細胞懸濁液を除去して、リン酸緩衝生理食塩水を追加する。次いで、ガラス基板の細胞を、トリパンブルーを染色し、神経細胞の生細胞と死細胞の数を計測し、全細胞数に対する生細胞の割合を、神経細胞の付着率として算出する。
  7. 請求項１～６のいずれか一項に記載のフレキシブルデバイスの製造方法であって、
    光透過性を有する可撓性薄膜と、前記可撓性薄膜の表面に積層された、生体適合性と光透過性とを有する炭素材料薄膜とを有する積層体を用意する工程と、
    前記積層体の前記炭素材料薄膜の一部を除去することにより、ソース電極、ドレイン電極および延長ゲート電極を形成する工程と、
    前記ソース電極と前記ドレイン電極との間隔に有機半導体薄膜を形成する工程と、
    前記有機半導体薄膜の全体と前記延長ゲート電極の一部を覆うようにイオン液体もしくはイオンゲルを塗布する工程と、を含むフレキシブルデバイスの製造方法。
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