WO2020246539A1 - バッテリレス電子デバイス及び伝送システム - Google Patents

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WO2020246539A1
WO2020246539A1 PCT/JP2020/022086 JP2020022086W WO2020246539A1 WO 2020246539 A1 WO2020246539 A1 WO 2020246539A1 JP 2020022086 W JP2020022086 W JP 2020022086W WO 2020246539 A1 WO2020246539 A1 WO 2020246539A1
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WO
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electronic device
electrodes
batteryless
polymer nanosheet
polymer
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PCT/JP2020/022086
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English (en)
French (fr)
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浩康 岩田
海里 和▲崎▼
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学校法人早稲田大学
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern

Definitions

  • the present invention relates to batteryless electronic devices and transmission systems.
  • NFC Near Field Communication
  • an antenna coil is known as one of the wireless power transmission systems.
  • a high-frequency signal is converted from a magnetic field into an electric field to transmit the electric field to the human body, and based on the electric field, the coupling electrode of the transmission / reception unit attached to the human body and the human body are electrostatically coupled.
  • An electric field type NFC that is electrically connected and transmits a high frequency signal and power to a transmission / reception unit through a human body has been considered (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the present inventors have attempted wireless power transmission using NFC technology having an antenna coil in order to supply power to an electronic device using a polymer nanosheet without a battery.
  • NFC technology having an antenna coil
  • the desired power is not supplied and the operability is reduced. It is considered that this is because the thickness of the nanosheet is thin, and when it is attached to the skin, the capacitance increases and the electromotive force decreases. Therefore, in order to wirelessly supply electric power to the electronic element and operate it stably, the film thickness of the substrate must be increased, and there is a problem that the wearability to the human body or the like cannot be improved.
  • a transmitter / receiver in which electrodes made of a hard metal plate or the like are provided in a housing made of a hard resin material is simply attached to the human body using a band or the like. Therefore, it is difficult for the transmitting / receiving portion to follow the curved surface of the arm or the unevenness of the skin, and a gap may be formed between the electrode and the skin to form an air layer, and the electrostatic coupling becomes small.
  • the present invention has been made in consideration of the above points, and is a batteryless electronic device capable of stably operating an electronic element and being miniaturized while improving wearability as compared with the conventional case.
  • the purpose is to propose a transmission system using it.
  • the batteryless electronic device of the present invention is a polymer nanosheet in which an electronic element, at least two or more electrodes electrically connected to the electronic element, and a transmission medium are brought into close contact with each other, and the electrodes are attached to the transmission medium. And, based on the electric field induced in the transmission medium from the outside, power is supplied to the electronic element by electrostatic coupling between the transmission medium and the electrode.
  • the transmission system of the present invention is a transmission system including a transmission device installed at a predetermined position to generate an electric field and a batteryless electronic device provided in a transmission medium, and the batteryless electronic device is an electronic element.
  • the transmission medium comprises at least two or more electrodes electrically connected to the electronic element, and a polymer nanosheet which is in close contact with the transmission medium and adheres the electrodes to the transmission medium. Electricity is supplied to the electronic element by electrostatic coupling between the transmission medium and the electrodes based on the electric field induced in the transmission medium by contacting the transmission device.
  • the mountability to the transmission medium can be improved accordingly.
  • a polymer nanosheet having a thin film thickness it becomes easy to adhere to the transmission medium due to the intermolecular force, the formation of an air layer between the electrode and the transmission medium can be prevented, and the decrease in capacitance can be suppressed. .. Therefore, the capacitance can be increased without particularly designing the inductor in impedance matching, and the electronic element can be operated stably. Further, since the electronic element can be operated even when the surface area of the electrodes and the distance between the electrodes for supplying electric power to the electronic element are reduced, the batteryless electronic device can be miniaturized.
  • FIG. 4A is a schematic view showing a manufacturing process (1) of a batteryless electronic device
  • FIG. 4B is a schematic view showing a manufacturing process (2) of a batteryless electronic device
  • FIG. 4C is a batteryless diagram.
  • FIG. 4D is a schematic diagram which showed the manufacturing process (4) of a batteryless electronic device.
  • FIG. 5A is a schematic view showing a configuration in which the batteryless electronic device used in the verification test is arranged on the flat plate material of the skin model
  • FIG. 5B is an electric field of the batteryless electronic device arranged on the flat plate material of the skin model.
  • It is sectional drawing which showed the cross-sectional structure when it was placed on an antenna.
  • It is a graph which showed the operation rate of the IC tag when the surface area of an electrode and the distance between electrodes are changed.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of the transmission system 1 of the present invention, and the transmission system 1 includes a transmission device 2 and a batteryless electronic device 3.
  • the transmission system 1 when the user touches the transmission device 2, the electric field generated by the transmission device 2 is transmitted to the user's human body 100, and the electric power is transmitted to the batteryless electronic device 3 by electrostatic coupling with the human body 100. Supply can be made.
  • the batteryless electronic device 3 can be operated only while the user is touching the transmission device 2.
  • the transmission device 2 is, for example, a reader / writer, which is installed in advance at a predetermined location such as a desk or a housing, and is virtually short-circuited to the ground VG1 at the installation location.
  • the transmission device 2 passively converts a predetermined high-frequency signal from a magnetic field into an electric field, and transmits the electric field to the user's human body 100 by, for example, touching the electric field antenna 4 of the transmission device 2 with a fingertip.
  • the batteryless electronic device 3 is directly attached to the skin such as an arm and attached to the human body 100, for example.
  • the batteryless electronic device 3 has two electrodes 6 and 7, and the electronic element 8 is electrically connected to these electrodes 6 and 7.
  • FIG. 1 shows an example in which an arm is selected as a position where the batteryless electronic device 3 is attached to the human body 100.
  • the two electrodes 6 and 2 along the hand side to the shoulder side of the human body 100. 7s are installed so as to line up in a row.
  • the two electrodes 6 and 7 of the batteryless electronic device 3 are attached to the arm, but the present invention is not limited to this, and for example, the back of the hand, the palm, the wrist, the shoulder, the body, etc. It may be attached to various parts of the human body 100. Further, the two electrodes 6 and 7 may be attached side by side in a row in various directions such as the circumferential direction of the arm.
  • the human body region ER2 on the electrode 7 side on the shoulder side (position away from the transmission device 2) of the batteryless electronic device 3 Virtually short-circuits to the ground VG2, while the human body region ER1 on the electrode 6 side on the hand side (position close to the transmission device 2) of the batteryless electronic device 3 functions as a transmission medium.
  • the electric field antenna 4 of the transmission device 2 and the electrode 6 on the hand side (transmission device 2 side) of the batteryless electronic device 3 are connected via the human body 100.
  • the transmission system 1 operates as if it were a closed circuit via the virtual ground VG1 and VG2 as a whole, thereby stably supplying electric power from the transmission device 2 to the batteryless electronic device 3. Can be supplied.
  • the frequency of the high frequency signal generated by the transmission device 2 is a frequency having high transmission efficiency in the human body 100.
  • it is preferably 7 to 21 MHz, 33 to 45 MHz, and more preferably 13.56 MHz.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the batteryless electronic device 3 of the present invention attached to the skin 100a.
  • the batteryless electronic device 3 electrically attaches the polymer nanosheet 10, the pair of electrodes 6 and 7, the electronic element 8, and these electrodes 6 and 7 and the electronic element 8 to be attached so as to be in close contact with the skin 100a. It is composed of a wiring 9 connected to the polymer nanosheet 10 and a second polymer nanosheet 11 attached on the polymer nanosheet 10.
  • the polymer nanosheet 10 is provided with a pair of electrodes 6 and 7, an electronic element 8 and a wiring 9 on the surface thereof, and a second electrode 6, 7 and the electronic element 8 and the wiring 9 are covered as a whole.
  • the polymer nanosheet 11 of the above is attached to the surface. As a result, the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 are sandwiched between the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11.
  • the polymer nanosheet 10 is formed to have a thin film thickness, and can be adhered to the skin 100a by intermolecular force without using glue or the like. Further, since the polymer nanosheet 10 is adhered to the skin 100a due to the intermolecular force generated by reducing the film thickness, the skin follows the curved surface of the skin 100a and the uneven surface shape of the skin 100a. It can be adhered along 100a.
  • the second polymer nanosheet 11 follows the uneven shape of the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 by the intermolecular force.
  • the electrodes 6 and 7, the electronic element 8, the wiring 9, and the polymer nanosheet 10 are in close contact with each other.
  • the second polymer nanosheet 11 is attached to the polymer nanosheet 10 in a state of being in close contact with the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 by intermolecular force without chemical bonding such as soldering. can do.
  • the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 are connected to the polymer nanosheet 10 and the second polymer in a state where the electronic element 8 and the wiring 9 are electrically connected. It is sandwiched between nanosheets 11 and is in close contact with each other due to the intermolecular force of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11.
  • the electronic element 8 is crimped to the wiring 9 by the intermolecular force, and the wiring 9 can be connected to the electronic element 8 with a strong adhesive force. Therefore, the wiring 9 can be electronically connected without any soldering or the like. It can be electrically connected to the element 8.
  • the electronic element 8 examples include light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs), active components such as transistors, diodes and ICs, and passive components such as resistors, inductors and capacitors. Further, as the electronic element 8, various sensors such as a strain sensor and an RFID tag can be provided. Further, in the batteryless electronic device 3 of the present invention, for example, two or more electronic elements having different functions and uses may be integrally or separately provided as one electronic element 8.
  • LEDs light emitting diodes
  • active components such as transistors, diodes and ICs
  • passive components such as resistors, inductors and capacitors.
  • various sensors such as a strain sensor and an RFID tag can be provided.
  • two or more electronic elements having different functions and uses may be integrally or separately provided as one electronic element 8.
  • the electrodes 6 and 7 and the wiring 9 can be formed of, for example, a conductive ink containing at least one of metal nanoparticles, semiconductor nanoparticles, a conductive polymer, and a nanocarbon material.
  • metal nanoparticles such as silver, gold, copper and nickel are relatively easily available and have a low resistivity, and are therefore preferable as materials for forming the electrodes 6 and 7 and the wiring 9.
  • the electrodes 6 and 7 and the wiring 9 are formed on the polymer nanosheet 10 by using a simple method such as offset printing or screen printing in addition to inkjet printing. It can be printed and formed.
  • the flexibility is higher than that of a hard material such as a metal plate, and the deformation of the polymer nanosheet 10 is followed. Can be transformed. Therefore, in the batteryless electronic device 3 of the present invention, the polymer nanosheet 10, the electrodes 6, 7 and the wiring 9 all follow the curved surface of the skin 100a and the uneven surface shape of the skin 100a, and the whole follows the skin 100a. Can be brought into close contact. As a result, in the batteryless electronic device 3, it is difficult for a gap to be formed between the skin 100a and the skin 100a, and it is possible to prevent an air layer from being formed between the skin 100a and the electrodes 6 and 7.
  • the electrodes 6 and 7 have the same shape and are formed in a four-sided shape, but the present invention is not limited to this, and the electrodes 6 and 7 are different.
  • the shape may be used, and electrodes formed in a polygonal shape such as a pentagonal shape or a circular shape may be applied.
  • the electronic element 8 can be operated, and the batteryless electronic device 3 can be miniaturized accordingly. According to the verification test described later, if the surface area S of the electrodes 6 and 7 is more than 100 mm 2 , electric power can be supplied to the electronic element 8.
  • the distance L from the end of the first electrode 6 to the end of the second electrode 7 paired with the first electrode 6 (hereinafter, also simply referred to as the distance between the electrodes). It has been confirmed by the verification tests of the present inventors that the larger the value, the more stable the power supply from the human body 100 to the electronic element 8 and the higher the operating rate of the electronic element 8, but the electric power to the electronic element 8
  • the distance L between the electrodes to which the above can be supplied is preferably, for example, 30 mm or less.
  • the distance L between the electrodes for supplying electric power to the electronic element 8 is reduced.
  • the electronic element 8 can be operated, and the batteryless electronic device 3 can be miniaturized accordingly. According to a verification test described later, electric power can be supplied to the electronic element 8 even if the distance L between the electrodes is 10 mm or more.
  • the polymer nanosheet 10 to which the electrodes 6 and 7 are attached to the skin 100a and the second polymer nanosheet 11 to be attached to the polymer nanosheet 10 are made of the same material. It has the same configuration.
  • the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 for example, a polymer such as a synthetic polymer, a natural polymer, rubber, or an elastomer can be used as a material. More specifically, the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 are polystyrene isoprene styrene, polydimethylsiloxane, silicone, polystyrene, polymethacrylic acid, polylactic acid, polylactic acid glycolic acid copolymer, polyvinyl acetate. , Chitosan, alginic acid, cellulose acetate, hyaluronic acid, gelatin, and collagen, preferably one of them.
  • the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 By producing the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 from such a material, the polymer nanosheet 10 and the second polymer have high adhesion and elasticity to an object to be attached such as skin 100a.
  • Nanosheets 11 can be provided.
  • the following documents can be referred to. T. Fujie and S. Takeoka, in Nanobiotechnology, eds. D. A. Phoenix and A. Waqar, One Central Press, United Kingdom, 2014, pp. 68-94.
  • the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 need only be formed to have a thin film thickness d from the viewpoint of followability to the object to be attached.
  • the thickness d of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 is 2 ⁇ m or more, the followability to the object to be attached such as the electronic element 8 and the skin 100a is inferior, while it is less than 2 ⁇ m.
  • the thickness is preferably less than 2 ⁇ m because the followability to the object to be attached such as the electronic element 8 and the skin 100a is improved and the adhesion can be improved.
  • the thickness d of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 is less than 1 ⁇ m, the followability to the object to be attached such as the electronic element 8 and the skin 100a becomes higher, and the intermolecular force is also large. It is more preferable that the thickness is less than 1 ⁇ m because the adhesion is further enhanced. Further, when the film thickness of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 is 250 nm or less, the followability is further enhanced and the adhesion is further enhanced, so that it is more preferably 250 nm or less.
  • a substrate 16 for producing a polymer nanosheet 10 is prepared, and a sacrificial layer 15 and a polymer nanosheet 10 are sequentially formed on the surface of the substrate 16.
  • the substrate 16 includes PET (polyethylene terephthalate), PP (polypropylene), PPE (polyphenylene ether), COP (cycloolefin), PI (polyimide), aluminum foil, conductive polymer film, paper, and polysaccharide film.
  • Silicone resin, oblate (polypropylene), silicon wafer, glass and the like can be used.
  • the sacrificial layer 15 is used to separate the polymer nanosheet 10 from the substrate 16.
  • the material of the sacrificial layer 15 for example, PVA (polyvinyl alcohol), PNIPAM (polynypam), sodium alginate and the like can be used, but in addition, it has a property of being soluble in liquid (water-soluble, oil-soluble, etc.). However, various materials can be used as long as they are highly biocompatible (not harmful to the human body).
  • the sacrificial layer 15 may be formed by a roll-to-roll technique using a gravure coater (not shown), or may be formed by using a spin coater (not shown). In the roll-to-roll technique, a film can be formed in a larger area than when a spin coater is used.
  • the polymer nanosheet 10 is formed on the sacrificial layer 15 by using a roll-to-roll technique using a gravure coater (not shown) or a film forming method such as a spin coater, similarly to the sacrificial layer 15 described above.
  • the conductive material is ejected onto the polymer nanosheet 10 by inkjet, and the electrodes 6 and 7 and the wiring 9 are drawn on the surface of the polymer nanosheet 10 to draw the electrodes 6 and 7 on the polymer nanosheet 10 as shown in FIG. 4B.
  • the electrodes 6 and 7 and the wiring 9 having a predetermined shape are formed.
  • the electronic element 8 is arranged on the polymer nanosheet 10 so as to be electrically connected to the wiring 9, and the electronic element 8 is brought into close contact with the polymer nanosheet 10.
  • a second polymer nanosheet 11 to be bonded to the polymer nanosheet 10 is prepared.
  • the second polymer nanosheet 11 is provided with, for example, a frame 17 made of paper tape along the peripheral edge.
  • the second polymer nanosheet 11 is bonded to the polymer nanosheet 10 by holding the frame 17, and a polymer nanosheet bonded body (not shown) is produced.
  • the polymer nanosheet bonded body is immersed in a stripping solution such as water to dissolve the sacrificial layer 15 and separate the substrate 16 from the polymer nanosheet 10.
  • a stripping solution such as water
  • the batteryless electronic device 3 having the frame 17 along the peripheral edge of the second polymer nanosheet 11 can be manufactured.
  • the frame 17 may be removed from the second polymer nanosheet 11 as needed when the batteryless electronic device 3 is attached to the human body 100 or the like.
  • a step of forming an ink receiving layer may be provided on the polymer nanosheet 10.
  • the fine electrodes 6 and 7 and the wiring 9 can be formed more accurately without the conductive ink being repelled.
  • the ink receiving layer is preferably chitosan, polyvinyl acetate, cellulose acetate, gelatin, silica, and a cationic acrylic copolymer.
  • the ink receiving layer can be formed on the polymer nanosheet 10 by using a roll-to-roll technique using a gravure coater or the like, similarly to the sacrificial layer 15 and the polymer nanosheet 10 described above.
  • the electrodes 6 and 7 can be attached to the human body 100 by the polymer nanosheet 10 having a thin film thickness, so that the wearability to the human body 100 can be improved. Further, by using the polymer nanosheet 10 having a thin film thickness, the batteryless electronic device 3 easily adheres to the human body 100 due to the intermolecular force, and prevents the formation of an air layer between the electrodes 6 and 7 and the human body 100. However, the decrease in capacitance C can be suppressed. Therefore, in the batteryless electronic device 3, the capacitance C can be increased without particularly designing the inductor in impedance matching, and the electronic element 8 can be operated stably. Further, since the electronic element 8 can be operated even when the surface area S of the electrodes 6 and 7 and the distance L between the electrodes for supplying electric power to the electronic element 8 are reduced, the batteryless electronic device 3 can be used. It can be miniaturized.
  • the electronic element 8 is crimped to the wiring 9 by the intermolecular force of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 without any soldering or the like, and the wiring 9 is connected. It can be connected to the electronic element 8 with a strong adhesive force.
  • the batteryless electronic device 3 is flexible because it does not use a hard adhesive such as solder, and follows the curved surface of the skin 100a and the surface shape of the uneven skin 100a. Therefore, it is possible to prevent the formation of an air layer between the electrodes 6 and 7 and the human body 100, and to suppress a decrease in the capacitance C between the human body 100 and the electrodes 6 and 7.
  • a PET film (Lumiror25T60, manufactured by Panac) was used as the substrate 16 used when forming the polymer nanosheet 10.
  • the sacrificial layer 15 was formed on the substrate 16 using a water-soluble polyvinyl alcohol (PVA, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc., 10 wt% in water) and a gravure coater (ML-120, manufactured by Yasui Seiki Co., Ltd.).
  • PVA water-soluble polyvinyl alcohol
  • ML-120 manufactured by Yasui Seiki Co., Ltd.
  • the polymer nanosheet 10 was formed on the sacrificial layer 15 using styrene-butadiene styrene (SBS, manufactured by Sigma Aldrich Japan, 3 wt% in tetrahydrofuran) using a roll-to-roll technique using a gravure coater.
  • SBS styrene-butadiene styrene
  • the film thickness of the polymer nanosheet 10 on the substrate 16 was measured using an atomic force microscope (AFM), the film thickness was 800 nm.
  • electrodes 6 and 7 and wiring 9 are formed with conductive silver ink (TB3303G (NEO), manufactured by Threebond) by screen printing. Electrodes 6 and 7 and wiring 9 were formed by drawing on the surface of the polymer nanosheet 10. The electrodes 6 and 7 were formed in a square shape of 20 mm ⁇ 20 mm to have a surface area of 400 mm 2, and the distance L between the electrodes 6 and 7 was 30 mm.
  • an IC tag manufactured by NXP Semiconductors, operating voltage 1.5 V, power consumption 40 ⁇ W
  • the IC tags were installed so as to be electrically connected to each other.
  • a second polymer nanosheet 11 made of the same SBS as the polymer nanosheet 10 is prepared, and the second polymer nanosheet 11 is provided on the polymer nanosheet 10 provided with the electrodes 6, 7, the wiring 9, and the electronic element 8. After sticking, it was immersed in water which is a release liquid.
  • the sacrificial layer 15 was dissolved with water, and the substrate 16 was separated from the polymer nanosheet 10 to prepare a batteryless electronic device 3.
  • eNFC starter kit manufactured by eNFC Co., Ltd.
  • the reader / writer of the eNFC starter kit is a product name TR3X-MU01 manufactured by Takaya Co., Ltd., and has a frequency of 13.56 MHz and a transmission output of 300 mW ⁇ 20%.
  • the reader / writer was operated, and the back surface of the flat plate material held by hand was simply brought into contact with the electric field antenna connected to the reader / writer.
  • the IC tag of the batteryless electronic device 3 attached to the surface of the flat plate material operates by the electric field generated by the electric field antenna.
  • Whether or not the IC tag is operating was confirmed by checking whether or not the UID (Unique ID unique ID number) of the IC tag read by the reader / writer is displayed on the screen of the personal computer.
  • UID Unique ID unique ID number
  • a batteryless electronic device 20 as shown in FIGS. 5A and 5B was manufactured.
  • the film thickness of the polymer nanosheet 10 alone is too thin, and it is difficult to reproduce accurate dimensions for the electrodes 6 and 7 having the same size and shape and the distance L between the electrodes. Therefore, in this verification test, the electrodes 6 and 7 having a predetermined size and shape and the distance L between the electrodes having a predetermined length are accurately reproduced on the surface of the polymer nanosheet 10 on the support substrate 23 whose hardness is adjusted.
  • the support substrate 23 was used as it was without being separated from the polymer nanosheet 10.
  • the substrate 16 and the sacrificial layer 15 used for forming the polymer nanosheet 10 were used as they were, and these substrates 16 and the sacrificial layer 15 were used as the support substrate 23.
  • a substrate 16 formed of PET (polyethylene terephthalate) was used, and the sacrificial layer 15 was formed on the substrate 16 with PVA (polyvinyl alcohol).
  • the polymer nanosheet 10 was formed on the support substrate 23, and a plurality of adhesive sheets 24 on which the polymer nanosheet 10 was formed on the surface of the support substrate 23 were produced.
  • the film thickness d1 of the adhesive sheet 24, which is the combination of the support substrate 23 and the polymer nanosheet 10 was set to 30 ⁇ m.
  • the square electrodes 6 and 7 are formed by screen printing with conductive silver ink (TB3303G (NEO), manufactured by Threebond).
  • T3303G conductive silver ink
  • the strip-shaped wiring 9 was formed on the polymer nanosheet 10, and at this time, by changing the screen mask, the surface surfaces S of the electrodes 6 and 7 on the polymer nanosheet 10 and the distance L between the electrodes were attached. It was changed for each sheet 24.
  • An IC tag (manufactured by NXP Semiconductors, operating voltage 1.5 V, power consumption 40 ⁇ W) was used as the electronic element 8. Then, the IC tag was installed on the polymer nanosheet 10 so that the IC tag was electrically connected to the wiring 9 connected to the first electrode 6 and the wiring 9 connected to the second electrode 7.
  • the surface areas S of the square electrodes 6 and 7 were changed to 10 mm ⁇ 10 mm, 20 mm ⁇ 20 mm, and 30 mm ⁇ 30 mm, respectively, and the distances L between the electrodes were changed to 10 mm, 20 mm, and 30 mm for each of these surface areas S, respectively.
  • Nine types of batteryless electronic devices 20 were produced, five each.
  • a rubber flat plate material 101 (plate-shaped phantom manufactured by Asahi Rubber Inc.) is used as a skin model in the same manner as in the above-mentioned verification test. A plurality of sheets were prepared, and each batteryless electronic device 20 was attached to the surface of the flat plate material 101 for each flat plate material (skin model) 101.
  • a commercially available eNFC starter kit (manufactured by eNFC Co., Ltd.) is used to operate the reader / writer of the eNFC starter kit, and each flat plate material is attached to the electric field antenna 102 connected to the reader / writer.
  • the back surface of 101 was simply brought into contact.
  • the IC tag of the batteryless electronic device 20 attached to the surface of each flat plate member 101 operates by the electric field generated by the electric field antenna 102.
  • the IC tags operated in all five prepared devices, and the operating rate was 100%.
  • the IC tags are attached to all five prepared. It worked and the operating rate was 100%.
  • the electrodes 6 and 7 can be provided so that the air layer is not formed between the electrodes 6 and 7 and the flat plate material 101, the electronic element 8 can be provided even if the surface area S of the electrodes 6 and 7 is small, 400 mm 2 or less. It was confirmed that it could be operated.
  • the distance L between the electrodes can also be set to the electrodes 6 and 6. Although it depends on the surface area S of 7, it was confirmed that the electronic element 8 can be operated even with 10 mm of 30 mm or less.
  • the thickness d of the polymer nanosheet 10 is 3 ⁇ m, which is 1/10 of the film thickness d1 of the adhesive sheet 24, the electrodes 6 and 7 also the surface area S as 10 mm 2 or more 100 mm 2 or less, the thickness d1 of the sticking sheet 24 is found to be secured to the same electrostatic capacitance as that in the 30 [mu] m.
  • the electrodes 6 and 7 it was found that by adjusting the surface area S, even if the distance L between the electrodes is 2 mm or more and 10 mm or less, the same capacitive impedance as when the film thickness d1 of the adhesive sheet 24 is 30 ⁇ m can be secured.
  • the operating rate of the batteryless electronic device 20 changes when the film thickness d1 of the adhesive sheet 24 is changed. I confirmed whether or not to do it.
  • five batteryless electronic devices 20 are prepared in which the surface area S of the square electrodes 6 and 7 is 20 mm ⁇ 20 mm, the distance between the electrodes L is 30 mm, and the film thickness d1 of the sticking sheet 24 is 30 ⁇ m. Separately from this, five batteryless electronic devices 20 each having the surface area S of the electrodes 6 and 7 and the distance L between the electrodes the same as above and the film thickness d1 of the adhesive sheet 24 being 100 ⁇ m and 170 ⁇ m, respectively. I prepared it.
  • the film thickness d of the single polymer nanosheet 10 is set to 800 nm, and the film thickness d1 of the adhesive sheet 24 is adjusted by changing the film thickness of the support substrate 23.
  • a plurality of rubber flat plates 101 are prepared as a skin model in the same manner as in the above-mentioned verification test, and each flat plate 101 is prepared.
  • the batteryless electronic device 20 was attached to the surface of the flat plate material 101.
  • a commercially available eNFC starter kit (manufactured by eNFC Co., Ltd.) is used to operate the reader / writer of the eNFC starter kit, and each flat plate material is attached to the electric field antenna 102 connected to the reader / writer. The back surface of 101 was brought into contact.
  • the transmission device 2 and the batteryless electronic device 3 are provided with a transformer-coupled parallel resonance circuit, respectively, and the power to the batteryless electronic device 3 is supplied even if the electrostatic coupling between the transmission medium and the electrodes 6 and 7 is small.
  • a parallel resonance method capable of supplying may be applied, or a method in which these series resonance method and the parallel resonance method are combined may be applied.
  • the materials of the polymer nanosheet 10 and the second polymer nanosheet 11 are not limited to those exemplified in the above-described embodiment, and the polymer nanosheet 10 that can be attached to a transmission medium such as the human body 100 by intermolecular force, or Any second polymer nanosheet 11 that can be attached to the polymer nanosheet 10 by intermolecular force may be used, and various materials can be applied.
  • the materials of the electrodes 6 and 7 and the material of the wiring 9 are also conductive materials and can be brought into close contact with the transmission medium via the flexible polymer nanosheet 10, various materials and shapes can be obtained. Applicable. Further, the method of forming the electrodes 6 and 7 and the wiring 9 is not limited to the one formed by printing.
  • the second polymer nanosheet 11 is attached onto the polymer nanosheet 10, and the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 are attached to the polymer nanosheet 10 and the second polymer.
  • the batteryless electronic device 3 sandwiched between the nanosheet 11 and the nanosheet 11 has been described, but the present invention is not limited to this.
  • a batteryless electronic device in which the electrodes 6 and 7, the electronic element 8 and the wiring 9 are simply provided on the polymer nanosheet 10 without providing the second polymer nanosheet 11 may be used.

Abstract

従来よりも装着性の向上を図りつつ、電子素子を安定して動作させることができ、かつ小型化可能なバッテリレス電子デバイスと、それを用いた伝送システムを提案する。バッテリレス電子デバイス３では、膜厚が薄い高分子ナノシート１０により電極６，７を人体１００に貼着させることから、その分、装着性の向上を図ることができる。また、膜厚が薄い高分子ナノシート１０を用いることで、バッテリレス電子デバイス３が分子間力によって人体１００に密着し易くなり、電極６，７と人体１００との間の空気層の形成を防止し、静電容量の低下を抑制できる。従って、バッテリレス電子デバイス３では、インピーダンス整合におけるインダクタの設計を特に行わずに静電容量を大きくでき、電子素子８を安定して動作させることができる。また、電極６，７の表面積や電極間距離を小さくした状態でも電子素子８を動作させることが可能となる。

Description

バッテリレス電子デバイス及び伝送システム
　本発明は、バッテリレス電子デバイス及び伝送システムに関する。
　近年、生体情報の連続的計測や個人認証等を目的としたウェアラブルエレクトロニクスの開発が進みつつある。腕や脚等に電子デバイスを直接固定する方法として、柔軟性を有する基板を用いる技術が開発されつつあり、皮膚のような伸縮性の高い生体組織に貼り付けることが可能なデバイスの研究も行なわれている。中でも、膜厚が薄い高分子ナノシートを用いた電子デバイスは、簡易な工程により電子素子を構成要素とする電子デバイスを製造可能であり、皮膚等の貼付対象物に追随して接着剤なしで貼り付けることが可能である（特許文献１参照）。
　上記した、近年のウェアラブルエレクトロニクスに関して、電池等を接続することなく、バッテリレスで電子デバイスに電力の供給や信号の伝送を行なう方法として様々な手法が考えられている。例えば、ワイヤレス電力伝送システムの一つとして、アンテナコイルを用いたＮＦＣ（Near Field Communication）が知られている。また、その他のワイヤレス電力伝送システムとしては、高周波信号を磁界から電界に変換して人体に電界を伝え、当該電界に基づいて、人体に取り付けた送受信部の結合電極と人体とを静電結合によって電気的に接続し、高周波信号と電力を、人体を通じて送受信部に伝える電界式ＮＦＣが考えられている（例えば、非特許文献１参照）。
国際公開第２０１６／１８１９５８号
Takanori Washiro,"HF RFID Transponder with Capacitive Coupling"2017 IEEE International Conference on RFID Technology & Application (RFID-TA)
　本発明者らは、高分子ナノシートを用いた電子デバイスにバッテリレスで電力供給を行うために、アンテナコイルを有するＮＦＣ技術を用いたワイヤレス電力伝送を試みた。しかし、高分子ナノシートを用いた電子デバイスを皮膚に貼付すると所望の電力が供給されず、動作性が低下することを発見した。これはナノシートの膜厚が薄いため、皮膚に貼付すると静電容量が大きくなり起電力が減少するためと考えられる。そのため、ワイヤレスで電力を電子素子に供給し、安定して動作させるためには、基板の膜厚を厚くせざるを得ず、人体等への装着性の向上が図れないという問題があった。
　一方、従来の電界式ＮＦＣのワイヤレス電力伝送システムでは、硬質な金属板等でなる電極を硬質な樹脂材でなる筐体に設けた送受信部を、単にバンド等を使用して人体に取り付けているため、腕の曲面や皮膚の凹凸に送受信部が追従し難く、電極と皮膚との間に隙間が生じて空気層が形成される恐れがあり、静電結合が小さくなってしまう。
　そのため、電極と皮膚との間の静電容量の低下を解消する手段として、共振周波数を満たすインダクタンスをもつインダクタ(コイル)を使用してインピーダンス整合を行う必要があるが、実際に静電容量の測定は困難であるため、適切なインダクタンスの設定も難しく、インピーダンス整合の設計が困難である。また、静電容量は個人差が大きいために個人毎にインダクタンスを調整することは難しく、実際にはＲＦＩＤタグを安定して動作させることが難しいという問題があった。
　そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来よりも装着性の向上を図りつつ、電子素子を安定して動作させることができ、かつ小型化可能なバッテリレス電子デバイスと、それを用いた伝送システムを提案することを目的とする。
　本発明のバッテリレス電子デバイスは、電子素子と、前記電子素子と電気的に接続した、少なくとも２つ以上の電極と、伝送媒体と密着し、前記電極を前記伝送媒体に貼着させる高分子ナノシートと、を備え、外部から前記伝送媒体に誘起された電界に基づいて、前記伝送媒体と前記電極との間の静電結合により前記電子素子に電力が供給される。
　また、本発明の伝送システムは、所定箇所に設置され電界を発生させる伝送装置と、伝送媒体に設けられるバッテリレス電子デバイスと、を備える伝送システムであって、前記バッテリレス電子デバイスは、電子素子と、前記電子素子と電気的に接続した、少なくとも２つ以上の電極と、前記伝送媒体と密着し、前記電極を前記伝送媒体に貼着させる高分子ナノシートと、を備え、前記伝送媒体が前記伝送装置に接触することで前記伝送媒体に誘起された電界に基づいて、前記伝送媒体と前記電極との間の静電結合により前記電子素子に電力が供給される。
　本発明によれば、膜厚が薄い高分子ナノシートにより電極を伝送媒体に貼着させることから、その分、伝送媒体への装着性の向上を図ることができる。また、膜厚が薄い高分子ナノシートを用いることで、分子間力によって伝送媒体に密着し易くなり、電極と伝送媒体との間の空気層の形成を防止し、静電容量の低下を抑制できる。従って、インピーダンス整合におけるインダクタの設計を特に行わずに静電容量を大きくでき、電子素子を安定して動作させることができる。さらに、電子素子に電力を供給するための、電極の表面積や電極間距離を小さくした状態でも電子素子を動作させることが可能となるため、バッテリレス電子デバイスを小型化することができる。
本発明による伝送システムの全体構成を示した概略図である。 本発明のバッテリレス電子デバイスの構成を示した分解斜視図である。 バッテリレス電子デバイスの断面構成を示した断面図である。 図４Ａは、バッテリレス電子デバイスの製造工程（１）を示した概略図であり、図４Ｂは、バッテリレス電子デバイスの製造工程（２）を示した概略図であり、図４Ｃは、バッテリレス電子デバイスの製造工程（３）を示した概略図であり、図４Ｄは、バッテリレス電子デバイスの製造工程（４）を示した概略図である。 図５Ａは、検証試験に用いたバッテリレス電子デバイスを皮膚モデルの平板材に配置させた構成を示した概略図であり、図５Ｂは、皮膚モデルの平板材に配置したバッテリレス電子デバイスを電界アンテナに載置したときの断面構成を示した断面図である。 電極の表面積と電極間距離を変えたときのＩＣタグの動作率を示したグラフである。 貼着シートの膜厚を変えたときのＩＣタグの動作率を示したグラフである。
　以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
　（１）本発明の伝送システムの概要
　図１は、本発明の伝送システム１の全体構成を示した概略図であり、この伝送システム１は、伝送装置２とバッテリレス電子デバイス３とを有する。この伝送システム１は、ユーザが伝送装置２に触れたときに、伝送装置２で発生させた電界が、ユーザの人体１００に伝わり、人体１００との静電結合によりバッテリレス電子デバイス３へ電力の供給が行われ得る。
　一方、ユーザが伝送装置２に触れていないときには、伝送装置２で発生させた電界が人体１００に伝わらないため、バッテリレス電子デバイス３への電力の供給を停止させることができる。このように、伝送システム１では、ユーザが伝送装置２に触れている間だけバッテリレス電子デバイス３を動作させることができる。
　この場合、伝送装置２は、例えばリーダライタであり、机や筐体等の所定箇所に予め設置されており、設置部位において仮想的にグランドＶＧ１に短絡している。伝送装置２は、所定の高周波信号を磁界から電界に受動的に変換し、例えばユーザが指先で伝送装置２の電界アンテナ４に触れることでユーザの人体１００に電界を伝える。
　バッテリレス電子デバイス３は、例えば、腕等の皮膚に直接貼着され、人体１００に取り付けられる。この実施形態の場合、バッテリレス電子デバイス３は、２つの電極６，７を有しており、これら電極６，７に電子素子８が電気的に接続された構成を有する。
　図１では、バッテリレス電子デバイス３が人体１００に貼着される位置として腕が選定された例を示しており、例えば、腕において人体１００の手側から肩側に沿って２つの電極６，７が一列に並ぶように取り付けられている。なお、この実施形態においては、バッテリレス電子デバイス３の２つの電極６，７を腕に取り付けるようにしたが、本発明はこれに限らず、例えば、手の甲や、手の平、手首、肩、胴体等の人体１００の種々の箇所に取り付けてもよい。また、２つの電極６，７は、腕の周方向等の種々の方向に一列に並べて取り付けてもよい。
　ここで、伝送システム１は、地面と接しているユーザが手により伝送装置２を触ったとき、バッテリレス電子デバイス３の肩側（伝送装置２から遠ざかる位置）にある電極７側の人体領域ＥＲ２が仮想的にグランドＶＧ２に短絡し、一方、バッテリレス電子デバイス３の手側（伝送装置２に近い位置）にある電極６側の人体領域ＥＲ１が伝送媒体として機能する。これにより、伝送システム１は、伝送装置２の電界アンテナ４と、バッテリレス電子デバイス３の手側（伝送装置２側）にある電極６とが、人体１００を介して接続される。
　このようにして、伝送システム１は、全体として、仮想的なグランドＶＧ１，ＶＧ２を介して、あたかも閉回路のように動作することによって、伝送装置２からバッテリレス電子デバイス３に電力を安定的に供給することができる。
　ここで、上述したように、誘電体である伝送媒体として人体１００を使用する場合には、伝送装置２により生成される高周波信号の周波数は、人体１００で伝送効率が高い周波数であることが望ましく、例えば、７～２１ＭＨｚや、３３～４５ＭＨｚ、さらに好ましくは１３．５６ＭＨｚであることが望ましい。
　（２）バッテリレス電子デバイスの詳細構成
　次に、上述したバッテリレス電子デバイス３について詳細に説明する。図２は、皮膚１００ａに貼着させた本発明のバッテリレス電子デバイス３の分解斜視図である。バッテリレス電子デバイス３は、皮膚１００ａに密着するようにして貼着される高分子ナノシート１０と、一対の電極６，７と、電子素子８と、これら電極６，７及び電子素子８を電気的に接続する配線９と、高分子ナノシート１０上に貼着される第２の高分子ナノシート１１とで構成されている。
　高分子ナノシート１０には、一対の電極６，７、電子素子８及び配線９が表面に設けられており、これら電極６，７、電子素子８及び配線９の全体を覆うようにして、第２の高分子ナノシート１１が表面に貼着されている。これにより、電極６，７、電子素子８及び配線９は、高分子ナノシート１０と第２の高分子ナノシート１１との間に挟み込まれている。
　高分子ナノシート１０は、膜厚が薄く形成されており、糊等を用いずに分子間力によって皮膚１００ａに接着させることができる。また、高分子ナノシート１０は、膜厚を薄くすることにより生じる分子間力によって皮膚１００ａに密着して貼着されるため、皮膚１００ａの曲面や、凹凸した皮膚１００ａの表面形状に追従して皮膚１００ａに沿って密着することができる。
　図２のＡ－Ａ´部分の断面構成を示す図３のように、第２の高分子ナノシート１１は、分子間力によって、電極６，７、電子素子８及び配線９の凹凸形状に追従して、電極６，７、電子素子８、配線９及び高分子ナノシート１０に密着している。第２の高分子ナノシート１１は、ハンダ付け等の化学的接合がなくても、分子間力により、電極６，７、電子素子８及び配線９に密着した状態で、高分子ナノシート１０に貼着することができる。
　この場合、バッテリレス電子デバイス３は、電子素子８と配線９とを電気的に接続させた状態で、電極６，７、電子素子８及び配線９を、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１で挟み込み、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１の分子間力により互いに密着している。これにより、分子間力により、電子素子８が配線９に圧着されて、配線９を電子素子８に強い接着力で接続することができるので、ハンダ付け等を一切行わずに、配線９を電子素子８に電気的に接続することができる。
　電子素子８としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子の他、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ等の能動部品、及び、抵抗やインダクタ、コンデンサ等の受動部品を挙げることができる。また、電子素子８として、歪センサ等の各種センサや、ＲＦＩＤタグを設けることもできる。さらに、本発明のバッテリレス電子デバイス３では、例えば、機能・用途が異なる２つ以上の電子素子を、一体的又は別体にして１つの電子素子８として設けるようにしてもよい。
　電極６，７及び配線９は、例えば、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、導電性高分子、及び、ナノ炭素材料のうちの少なくとも一つを含有した導電性インクにより形成することができる。特に、銀、金、銅又はニッケル等の金属ナノ粒子は比較的入手が容易で抵抗率の低い材料であるため、電極６，７及び配線９の形成材料として好ましい。また、電極６，７及び配線９のパターンの形成方法として、インクジェット印刷の他、オフセット印刷、スクリーン印刷等の簡便な方法を用いて、高分子ナノシート１０上に、電極６，７及び配線９を印刷して形成することができる。
　電極６，７及び配線９は、このような導電性インクにより高分子ナノシート１０上に形成することで、金属板のような硬質材料に比べて柔軟性が高く、高分子ナノシート１０の変形に追従して変形し得る。従って、本発明のバッテリレス電子デバイス３では、高分子ナノシート１０、電極６，７及び配線９全てが皮膚１００ａの曲面や、皮膚１００ａの凹凸した表面形状に追従し、全体を皮膚１００ａに沿って密着させることができる。これにより、バッテリレス電子デバイス３では、皮膚１００ａとの間に隙間が形成され難く、皮膚１００ａと電極６，７との間に空気層が形成されることを防止することができる。
　なお、この実施形態の場合、図２に示すように、電極６，７は同一形状からなり、四辺状に形成されているが、本発明はこれに限らず、電極６と電極７とで異なる形状としてもよく、また、五角形状等の多角形状や円形状に形成した電極を適用してもよい。
　電極６，７は、高分子ナノシート１０により皮膚１００ａに貼着される表面積Ｓが大きくなるほど、皮膚１００ａとの結合が強くなり、人体１００から電子素子８への電力の供給が安定し、電子素子８の動作率が向上することが、本発明者らの検証試験により確認されているが、電子素子８に電力を供給可能な電極６，７の表面積Ｓとしては、例えば、４００ｍｍ２以下であることが好ましい。本実施形態では、膜厚ｄが薄く、かつ、人体１００に沿って密着可能な高分子ナノシート１０を用いるようにしたことから、電子素子８に電力を供給するための電極の表面積Ｓを小さくしても、電子素子８を動作させることが可能となり、その分、バッテリレス電子デバイス３を小型化することができる。なお、後述する検証試験により、電極６，７の表面積Ｓは１００ｍｍ２超であれば電子素子８に電力を供給可能である。
　また、図３に示すように、第１の電極６の端部から、第１の電極６と対をなす第２の電極７の端部までの距離Ｌ（以下、単に電極間距離とも称する）が大きくなるほど、人体１００から電子素子８への電力の供給が安定し、電子素子８の動作率が向上することが、本発明者らの検証試験により確認されているが、電子素子８に電力を供給可能な電極間距離Ｌとしては、例えば、３０ｍｍ以下であることが好ましい。本実施形態では、膜厚ｄが薄く、かつ、人体１００に沿って密着可能な高分子ナノシート１０を用いるようにしたことから、電子素子８に電力を供給するための電極間距離Ｌを小さくしても、電子素子８を動作させることが可能となり、その分、バッテリレス電子デバイス３を小型化することができる。なお、後述する検証試験により、電極間距離Ｌは１０ｍｍ以上でも電子素子８に電力を供給可能である。
　この実施形態の場合、電極６，７を皮膚１００ａに貼着付させる高分子ナノシート１０と、高分子ナノシート１０上に貼着される第２の高分子ナノシート１１は、同じ材料により形成されており、同一構成を有している。
　高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１としては、例えば、合成高分子や天然高分子、ゴム、エラストマー等の高分子を材料とすることができる。より具体的には、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１は、ポリスチレンイソプレンスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーン、ポリスチレン、ポリメタクリル酸、ポリ乳酸、ポリ乳酸グリコール酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、キトサン、アルギン酸、酢酸セルロース、ヒアルロン酸、ゼラチン、及び、コラーゲンのうちのいずれか一つからなることが好ましい。
　このような材料で高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１を作製することで、皮膚１００ａ等の貼着対象物への密着性や伸縮性の高い高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１を提供することができる。なお、高分子ナノシートについては、一例として以下の文献を参考に挙げることができる。T. Fujie and S. Takeoka, in Nanobiotechnology, eds. D. A. Phoenix and A. Waqar,One Central Press, United Kingdom, 2014, pp. 68-94.
　高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１は、貼着対象物への追従性の観点から膜厚ｄが薄く形成されていればよい。特に、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１の膜厚ｄは、２μｍ以上であると、電子素子８や皮膚１００ａ等の貼着対象物に対する追従性が劣り、一方、２μｍ未満であると、電子素子８や皮膚１００ａ等の貼着対象物への追従性が高くなり、密着性を高めることができるため、２μｍ未満であることが好ましい。また、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１の膜厚ｄは、１μｍ未満とすると、電子素子８や皮膚１００ａ等の貼着対象物に対する追従性がより高くなり、さらに分子間力も大きくなって密着性もより高まるため、１μｍ未満であることがより好ましい。さらに、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１の膜厚が２５０ｎｍ以下であると、追従性がさらに一段と高くなり、密着性もさらに高まることから、２５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
　このように、高分子ナノシート１０は、膜厚ｄを極めて薄く形成できるとともに、さらには分子間力により皮膚１００ａと密着して空気層の形成を抑止し誘電率を高くすることができるので、その分、電極６，７と人体１００との間の静電容量Ｃ（Ｃ＝εo・ε・Ｓ／ｄ、εo：真空の誘電率、ε：比誘電率、Ｓ：電極の表面積、ｄ：高分子ナノシートの膜厚）を十分に高くすることができる。
　（３）バッテリレス電子デバイスの製造方法
　次にバッテリレス電子デバイス３の製造方法について説明する。図４Ａに示すように、始めに、高分子ナノシート１０を作製するための基板１６を準備し、基板１６の表面に犠牲層１５及び高分子ナノシート１０を順に成膜してゆく。ここで、基板１６としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＰ（ポリプロピレン）やＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＣＯＰ（シクロオレフィン）、ＰＩ（ポリイミド）、アルミ箔、導電性高分子膜、紙、多糖膜、シリコーン樹脂、オブラート（ゼラチン）、シリコンウェハ、ガラス等を用いることができる。
　犠牲層１５は、高分子ナノシート１０を基板１６から分離するために用いられる。この場合、犠牲層１５の材料としては、例えば、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＮＩＰＡＭ（ポリナイパム）、アルギン酸ナトリウム等を用いることができるが、その他、液体に溶ける性質（水溶性や油溶性等）を有し、かつ、生体適合性が高い(人体に害がない)材料であれば種々の材料を用いることができる。犠牲層１５は、グラビアコータ（図示せず）を用いたロールツーロール技術により成膜してもよく、スピンコータ（図示せず）を用いて成膜してもよい。ロールツーロール技術では、スピンコータを用いた場合より、大きな面積で成膜することができる。
　高分子ナノシート１０は、上述した犠牲層１５と同様に、グラビアコータ（図示せず）を用いたロールツーロール技術やスピンコータ等の成膜方法を用いて、犠牲層１５上に成膜する。
　次いで、高分子ナノシート１０上にインクジェットにより導電材料を吐出して、高分子ナノシート１０の表面に電極６，７及び配線９を描画することにより、図４Ｂに示すように、高分子ナノシート１０上に所定形状の電極６，７及び配線９を形成する。
　次いで、図４Ｃに示すように、高分子ナノシート１０上で配線９と電気的に接続するように電子素子８を配置し、電子素子８を高分子ナノシート１０に密着させる。次いで、高分子ナノシート１０と貼り合わせる第２の高分子ナノシート１１を準備する。このとき、第２の高分子ナノシート１１には、例えば、紙テープからなるフレーム１７が周縁に沿って設けられている。次いで、フレーム１７を持って高分子ナノシート１０に第２の高分子ナノシート１１を貼り合わせ、高分子ナノシート貼合体（図示せず）を作製する。
　次いで、この高分子ナノシート貼合体を、例えば水等の剥離液に浸漬し、犠牲層１５を溶解させ、高分子ナノシート１０から基板１６を分離させる。これにより、図４Ｄに示すように、第２の高分子ナノシート１１の周縁に沿ってフレーム１７を有したバッテリレス電子デバイス３を作製することができる。なお、フレーム１７は、バッテリレス電子デバイス３を人体１００に貼着する際等に、必要に応じて第２の高分子ナノシート１１から除去すればよい。
　なお、上述した実施形態においては、犠牲層１５を形成する工程を含むが、本発明はこれに限らず、犠牲層１５を形成する工程を省略して、基板１６上に直接、高分子ナノシート１０を成膜するようにしてもよい。この場合、基板１６は高分子ナノシート１０との密着性が低い材料で形成し、後の工程で設けた第２の高分子ナノシート１１のフレーム１７を使用する等して、最終的に高分子ナノシート１０から基板１６を分離することができる。
　また、電極６，７及び配線９を形成する工程の前に、高分子ナノシート１０上にインク受容層（図示せず）を形成する工程を設けるようにしてもよい。導電性インクによってインク受容層上に電極６，７や配線９を印刷することで、導電性インクが弾かれることなく、微細な電極６，７及び配線９をより精確に形成することができる。
　この場合、インク受容層は、キトサン、ポリ酢酸ビニル、酢酸セルロース、ゼラチン、シリカ、および、カチオン性アクリル共重合体が望ましい。インク受容層は、上述した犠牲層１５や高分子ナノシート１０と同様に、グラビアコータを用いたロールツーロール技術等を使用して、高分子ナノシート１０上に成膜することができる。
　（４）作用および効果
　以上の構成において、バッテリレス電子デバイス３では、電子素子８と２つの電極６，７を電気的に接続し、伝送媒体となる人体１００に高分子ナノシート１０を密着させることで、電極６，７を人体１００に貼着させる。また、バッテリレス電子デバイス３では、外部から人体１００に誘起された電界に基づいて、人体１００と電極６，７との間の静電結合により電子素子８に電力を供給する。
　バッテリレス電子デバイス３では、膜厚が薄い高分子ナノシート１０により電極６，７を人体１００に貼着させることで、人体１００への装着性の向上を図ることができる。また、膜厚が薄い高分子ナノシート１０を用いることで、バッテリレス電子デバイス３が分子間力によって人体１００に密着し易くなり、電極６，７と人体１００との間の空気層の形成を防止し、静電容量Ｃの低下を抑制できる。従って、バッテリレス電子デバイス３では、インピーダンス整合におけるインダクタの設計を特に行わずに静電容量Ｃを大きくでき、電子素子８を安定して動作させることができる。さらに、電子素子８に電力を供給するための、電極６，７の表面積Ｓや電極間距離Ｌを小さくした状態でも、電子素子８を動作させることが可能となるため、バッテリレス電子デバイス３を小型化することができる。
　また、バッテリレス電子デバイス３は、ハンダ付け等を一切行わずに、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１による分子間力により、電子素子８を配線９に圧着して、配線９を電子素子８に強い接着力で接続させることができる。これにより、バッテリレス電子デバイス３は、ハンダ等のような硬質な接着剤が用いられていない分、柔軟性があり、皮膚１００ａの曲面や、凹凸した皮膚１００ａの表面形状に追従して皮膚１００ａに沿って密着することができるので、電極６，７と人体１００との間の空気層の形成を防止し、人体１００と電極６，７との間において静電容量Ｃの低下を抑制できる。
　（５）検証試験
　（５－１）高分子ナノシートを使用したバッテリレス電子デバイスの動作確認試験
　ここで、図２に示したバッテリレス電子デバイス３を実際に作製し、市販のリーダライタ及び電界アンテナ（株式会社ｅＮＦＣ社製　製品名ｅＮＦＣスターターキット）を利用して、本発明のバッテリレス電子デバイス３について動作確認を行った。
　ここで、検証試験に用いるバッテリレス電子デバイス３は、高分子ナノシート１０を成膜する際に使用する基板１６として、ＰＥＴフィルム（Ｌｕｍｉｒｒｏｒ２５Ｔ６０，パナック社製）を使用した。犠牲層１５は、水溶性のポリビニルアルコール（ＰＶＡ、関東化学社製、１０ｗｔ％　ｉｎ　ｗａｔｅｒ）を用い、グラビアコータ（ＭＬ－１２０，廉井精機社製）を用いて基板１６上に成膜した。
　高分子ナノシート１０は、スチレンブタジエンスチレン（ＳＢＳ，Ｓｉｇｍａ　Ａｌｄｒｉｃｈ　Ｊａｐａｎ社製，３　ｗｔ％　ｉｎ　ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）を用い、グラビアコータを用いたロールツーロール技術を利用して犠牲層１５上に成膜した。
　そして、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、基板１６上の高分子ナノシート１０の膜厚を測定したところ、膜厚は８００ｎｍであった。
　そして、所望する形状・大きさの電極６，７及び配線９を形成したスクリーンマスクを用い、スクリーン印刷によって、導電性銀インク（ＴＢ３３０３Ｇ（ＮＥＯ）、Ｔｈｒｅｅｂｏｎｄ製）で電極６，７及び配線９を高分子ナノシート１０の表面に描画して、電極６，７及び配線９を形成した。電極６，７は２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形状に形成して表面積を４００ｍｍ２とし、電極６，７の電極間距離Ｌは３０ｍｍとした。
　電子素子８として、ＩＣタグ（ＮＸＰ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ社製、動作電圧１．５Ｖ、消費電力４０μＷ）を用意し、第１の電極６から延びる配線９と、第２の電極７から延びる配線９とに、それぞれ電気的に接続するように当該ＩＣタグを設置した。そして、高分子ナノシート１０と同じＳＢＳで作製した第２の高分子ナノシート１１を用意し、電極６，７、配線９及び電子素子８を設けた高分子ナノシート１０上に第２の高分子ナノシート１１を貼着した後、剥離液である水に浸漬した。
　これにより、水により犠牲層１５を溶解させ、高分子ナノシート１０から基板１６を分離してバッテリレス電子デバイス３を作製した。
　次に、バッテリレス電子デバイス３を人体１００に貼着した状態を再現するために、皮膚１００ａと同じ電気的特性（比誘電率：１５０、導電率：０．６ Ｓ/ｍ（参考：https://www.asahi-rubber.co.jp/products/denjiha/01.html　「人体通信用ラバーファントム／誘電率、導電率周波数特性」））を有するラバー製の平板材（株式会社朝日ラバー社製　板状ファントム。以下、皮膚モデルとも称する）を用意し、この平板材の表面にバッテリレス電子デバイス３の高分子ナノシート１０を貼着させた。
　伝送装置２としては、市販のｅＮＦＣスターターキット（株式会社ｅＮＦＣ社製）を用いた。ｅＮＦＣスターターキットのリーダライタはタカヤ株式会社製の製品名ＴＲ３Ｘ－ＭＵ０１であり、周波数が１３．５６ＭＨｚ、送信出力が３００ｍＷ±２０％である。
　そして、リーダライタを動作させ、当該リーダライタに接続させた電界アンテナに、手で保持した平板材の裏面を単に接触させた。この際、平板材の表面に貼着したバッテリレス電子デバイス３のＩＣタグが、電界アンテナで発生している電界により動作するか否かを確認した。ＩＣタグが動作しているかは、リーダライタで読み取られたＩＣタグのＵＩＤ（Unique ID　固有ID番号）がパーソナルコンピュータの画面上に表示されるか否かにより確認した。その結果、平板材の裏面を電界アンテナに接触させることで、バッテリレス電子デバイス３のＩＣタグが動作することが確認できた。
　（５－２）電極の表面積及び電極間距離を変えたときのバッテリレス電子デバイスの動作率について
　次に、バッテリレス電子デバイスの電極の表面積Ｓ及び電極間距離Ｌを変えてバッテリレス電子デバイスの動作率がどのように変化するかについて確認する検証試験を行った。
　この検証試験では、図５Ａ及び図５Ｂに示すようなバッテリレス電子デバイス２０を作製した。ここで、高分子ナノシート１０のみでは膜厚が薄すぎ、同じ大きさ・形状の電極６，７や、同じ電極間距離Ｌについて正確な寸法を再現し難い。そこで、この検証試験では、硬さを調整した支持基板２３上の高分子ナノシート１０の表面に所定の大きさ・形状の電極６，７や、所定の長さの電極間距離Ｌを正確に再現し、支持基板２３を高分子ナノシート１０から分離せずにそのまま使用した。
　なお、支持基板２３については、高分子ナノシート１０を成膜する際に用いた基板１６と犠牲層１５をそのまま用い、これら基板１６及び犠牲層１５を支持基板２３として使用した。この場合、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）で形成した基板１６を用い、犠牲層１５は、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）により基板１６上に成膜した。
　そして、上述した検証試験と同様にして高分子ナノシート１０を支持基板２３上に成膜し、支持基板２３の表面に高分子ナノシート１０を成膜した複数の貼着シート２４を作製した。なお、この検証試験では、支持基板２３及び高分子ナノシート１０を合わせた貼着シート２４の膜厚ｄ１を全て３０μｍとした。
　次に、所望する大きさの電極６，７及び配線９を形成したスクリーンマスクを用い、スクリーン印刷によって、導電性銀インク（ＴＢ３３０３Ｇ（ＮＥＯ）、Ｔｈｒｅｅｂｏｎｄ製）により、正方形状の電極６，７と、帯状の配線９とを、高分子ナノシート１０上に形成した、この際、スクリーンマスクを変えることで、高分子ナノシート１０上の電極６，７の表面積Ｓと、電極間距離Ｌを、貼着シート２４毎にそれぞれ変えた。
　電子素子８としてＩＣタグ（ＮＸＰ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ社製、動作電圧１．５Ｖ、消費電力４０μＷ）を使用した。そして、第１の電極６に接続した配線９と、第２の電極７に接続した配線９とにＩＣタグが電気的に接続するように、高分子ナノシート１０上にＩＣタグを設置した。
　この検証試験では、正方形状の電極６，７の表面積Ｓを１０ｍｍ×１０ｍｍと２０ｍｍ×２０ｍｍと３０ｍｍ×３０ｍｍとにそれぞれ変え、これら表面積Ｓ毎にそれぞれ電極間距離Ｌを１０ｍｍと２０ｍｍと３０ｍｍに変えた９種類のバッテリレス電子デバイス２０を、それぞれ５つずつ作製した。
　次いで、バッテリレス電子デバイス２０を人体１００に貼着した状態を再現するために、上述した検証試験と同様に、皮膚モデルとしてラバー製の平板材１０１（株式会社朝日ラバー社製板状ファントム）を複数枚用意し、平板材（皮膚モデル）１０１毎に、各バッテリレス電子デバイス２０を平板材１０１の表面に貼着した。
　そして、上述した検証試験と同様に、市販のｅＮＦＣスターターキット（株式会社ｅＮＦＣ社製）を用い、ｅＮＦＣスターターキットのリーダライタを動作させ、当該リーダライタに接続させた電界アンテナ１０２に、各平板材１０１の裏面を単に接触させた。
　この際、各平板材１０１の表面にそれぞれ貼着したバッテリレス電子デバイス２０のＩＣタグが、電界アンテナ１０２で発生している電界により動作するか否かを確認した。その結果、図６に示すような結果が得られた。図６から、貼着シート２４の膜厚ｄ１が３０μｍの場合、電極６，７の表面積Ｓが３０ｍｍ×３０ｍｍ（図６中、√Ｓ＝３０ｍｍと表記）で電極間距離Ｌが２０ｍｍ、３０ｍｍとしたバッテリレス電子デバイス２０では、用意した５つ全てにおいてＩＣタグが動作し、動作率が１００％であった。また、電極６，７の表面積Ｓが２０ｍｍ×２０ｍｍ（図６中、√Ｓ＝２０ｍｍと表記）でも電極間距離Ｌを３０ｍｍとしたバッテリレス電子デバイス２０では、用意した５つ全てにおいてＩＣタグが動作し、動作率が１００％であった。
　図６から、バッテリレス電子デバイス２０の動作率を向上させるためには、電極６，７の表面積Ｓを大きくし、電極間距離Ｌを長くすることが好ましいが、貼着シート２４の膜厚ｄ１を薄くし、かつ平板材１０１との間に空気層が形成されないようにして電極６，７を設けることができれば、電極６，７の表面積Ｓが小さい４００ｍｍ２以下であっても電子素子８を動作させることができることが確認できた。また、貼着シート２４の膜厚ｄ１を薄くし、かつ平板材１０１との間に空気層が形成されないようにして電極６，７を設けることができれば、電極間距離Ｌについても、電極６，７の表面積Ｓに依存するものの、３０ｍｍ以下の１０ｍｍでも電子素子８を動作させることができることが確認できた。
　また、この検証試験の結果を解析することで、高分子ナノシート１０の膜厚ｄを、貼着シート２４の膜厚ｄ１の１０分の１となる３μｍとした場合には、電極６，７の表面積Ｓを１０ｍｍ２以上１００ｍｍ２以下としても、貼着シート２４の膜厚ｄ１が３０μｍのときと同じ静電容量を確保できることが分かった。
　さらに、この検証試験の結果を解析することで、高分子ナノシート１０の膜厚ｄを、貼着シート２４の膜厚ｄ１の１０分の１となる３μｍとした場合には、電極６，７の表面積Ｓを調整することで、電極間距離Ｌを２ｍｍ以上１０ｍｍ以下としても、貼着シート２４の膜厚ｄ１が３０μｍのときと同じ容量性インピ―ダンスを確保できることが分かった。
　（５－３）貼着シートの膜厚を変えたときのバッテリレス電子デバイスの動作率について
　次に、貼着シート２４の膜厚ｄ１を変えたときにバッテリレス電子デバイス２０の動作率が変化するか否かについて確認した。ここでは、正方形状の電極６，７の表面積Ｓを２０ｍｍ×２０ｍｍとし、電極間距離Ｌを３０ｍｍとし、貼着シート２４の膜厚ｄ１を３０μｍとしたバッテリレス電子デバイス２０を５つ用意した。また、これとは別に、電極６，７の表面積Ｓと電極間距離Ｌを上記と同じにして、貼着シート２４の膜厚ｄ１を１００μｍ，１７０μｍとしたバッテリレス電子デバイス２０をそれぞれ５つずつ用意した。なお、ここでは、高分子ナノシート１０の単体の膜厚ｄは全て８００ｎｍとし、支持基板２３の膜厚を変えることで貼着シート２４の膜厚ｄ１を調整した。
　次いで、バッテリレス電子デバイス２０を人体１００に貼着した状態を再現するために、上述した検証試験と同様に皮膚モデルとしてラバー製の平板材１０１を複数枚用意し、平板材１０１毎に、各バッテリレス電子デバイス２０を平板材１０１の表面に貼着した。
　そして、上述した検証試験と同様に、市販のｅＮＦＣスターターキット（株式会社ｅＮＦＣ社製）を用い、ｅＮＦＣスターターキットのリーダライタを動作させ、当該リーダライタに接続させた電界アンテナ１０２に、各平板材１０１の裏面を接触させた。
　この際、各平板材１０１の表面にそれぞれ貼着したバッテリレス電子デバイス２０のＩＣタグが、電界アンテナ１０２で発生している電界により動作するか否かを確認した。その結果、図７に示すような結果が得られた。図７から、貼着シート２４の膜厚ｄ１が３０μｍのとき、バッテリレス電子デバイス２０の動作率が１００％であったが、当該膜厚ｄ１が厚くなるほど動作率が低下することが確認できた。
　よって、バッテリレス電子デバイス２０の動作率を向上させるためには、バッテリレス電子デバイス２０の貼着シート２４の膜厚ｄ１を薄くすることが望ましいことが確認できた。
　（６）他の実施の形態
　なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態においては、２つの電極６，７を設けたバッテリレス電子デバイス３，２０について説明したが、本発明はこれに限らず、３つや４つ等のように２つ以上の電極を設けたバッテリレス電子デバイスであってもよい。また、伝送媒体が伝送装置２と接触することで伝送媒体に貼着したバッテリレス電子デバイスが動作できれば、例えば、装置や動物等のような人体１００以外を伝送媒体として適用してもよい。
　また、上述した実施形態においては、伝送装置２に伝送媒体が接触することで、伝送装置２のコイルと、伝送媒体及び電極６，７間で形成されるコンデンサと、が直列に接続して伝送装置２の周波数にバッテリレス電子デバイス３を共振させる直列共振方式を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、伝送装置２及びバッテリレス電子デバイス３に、それぞれ並列共振回路がトランス結合した構成を設け、伝送媒体及び電極６，７間での静電結合が小さくてもバッテリレス電子デバイス３への電力供給が行える並列共振方式を適用してもよく、また、これら直列共振方式及び並列共振方式を複合した方式を適用してもよい。
　また、高分子ナノシート１０及び第２の高分子ナノシート１１の材料は上述した実施形態で例示したものに限られず、人体１００等の伝送媒体に分子間力で貼着可能な高分子ナノシート１０や、高分子ナノシート１０に分子間力で貼着可能な第２の高分子ナノシート１１であればよく、種々の材料が適用可能である。
　さらに、電極６，７の材料や配線９の材料も、導電性の材料であり、かつ、柔軟性のある高分子ナノシート１０を介して伝送媒体に密着させることができれば、種々の材料・形状が適用可能である。また、電極６，７や配線９の形成方法も、印刷により形成されるものに限定されない。
　さらに、上述した実施形態においては、高分子ナノシート１０上に第２の高分子ナノシート１１を貼着し、電極６，７と電子素子８と配線９とを高分子ナノシート１０と第２の高分子ナノシート１１との間に挟み込んだバッテリレス電子デバイス３を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らない。例えば、第２の高分子ナノシート１１を設けずに、電極６，７と電子素子８と配線９とを単に高分子ナノシート１０上に設けたバッテリレス電子デバイスとしてもよい。
　１　伝送システム
　２　伝送装置
　３，２０　バッテリレス電子デバイス
　６，７　電極
　８　電子素子
　９　配線
　１０　高分子ナノシート
　１１　第２の高分子ナノシート
　１００　人体（伝送媒体）

Claims (8)

  1. 　電子素子と、
    　前記電子素子と電気的に接続した、少なくとも２つ以上の電極と、
    　伝送媒体と密着し、前記電極を前記伝送媒体に貼着させる高分子ナノシートと、
    　を備え、
    　外部から前記伝送媒体に誘起された電界に基づいて、前記伝送媒体と前記電極との間の静電結合により前記電子素子に電力が供給される、バッテリレス電子デバイス。
  2. 　前記伝送媒体が人体であり、前記高分子ナノシートが分子間力により、前記人体の皮膚の表面形状に追従し前記皮膚に密着して貼着される、請求項１に記載のバッテリレス電子デバイス。
  3. 　前記電極及び前記電子素子を接続する配線と、前記電極とが、導電性インクにより形成されている、請求項１又は２に記載のバッテリレス電子デバイス。
  4. 　前記高分子ナノシート上に第２の高分子ナノシートが貼着されており、前記電子素子と前記電極とが、前記高分子ナノシートと前記第２の高分子ナノシートとの間に挟み込まれている、請求項１～３のいずれか１項に記載のバッテリレス電子デバイス。
  5. 　前記高分子ナノシートの厚さが２μｍ未満である、請求項１～４のいずれか１項に記載のバッテリレス電子デバイス。
  6. 　前記伝送媒体に貼着される前記電極の表面積Ｓが４００ｍｍ２以下である、請求項１～５のいずれか１項に記載のバッテリレス電子デバイス。
  7. 　第１の前記電極と第２の前記電極との電極間距離Ｌが３０ｍｍ以下である、請求項１～６のいずれか１項に記載のバッテリレス電子デバイス。
  8. 　所定箇所に設置され電界を発生させる伝送装置と、伝送媒体に設けられるバッテリレス電子デバイスと、を備える伝送システムであって、
    　前記バッテリレス電子デバイスは、
    　請求項１～７のいずれか１項に記載のバッテリレス電子デバイスであり、
    　前記伝送媒体が前記伝送装置に接触することで前記伝送媒体に誘起された電界に基づいて、前記伝送媒体と電極との間の静電結合により電子素子に電力が供給される、伝送システム。
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