金属元素を使わないカーボン系材料のみの電子回路を開発 ―― 有機半導体技術により電子ゴミ問題解消に貢献 ――

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図1. 全カーボン製の相補型インバータ回路


a) 回路の偏光顕微鏡写真。青で示した箇所がp型有機半導体、緑がn型有機半導体。
b) 回路図と真理値表。
c) 異なる電源電圧（5～30 V）における電圧トランスファーカーブとシグナルゲイン。入力電圧Vinを増加させると、出力電圧Voutが Vin = Voutとなる点を境に減少に転じる。

　元素分析とICP-MS（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry、注8）を用いた網羅的かつ高感度な組成分析を詳細に行ったのは今回が初めてであり、その結果、電子回路中の金属元素の全量が僅か50 ppm（0.005 %）未満であることを確認しました。この値は土壌中の様々な金属元素の含有量と比較しても著しく低い値です。さらに、通信用回路の実現に向け、アナログ・デジタル集積回路を作製しました。具体的には、自己発振回路であるリングオシレータ、もっとも基本的な論理回路の一つであるインバータ（NOT回路）、記憶素子としても用いられるDフリップフロップ、そしてパラレルデータをシーケンシャルデータに変換するマルチプレクサです。これらを相互接続して構築した64個のp型およびn型トランジスタから成るディスポーザブルな4-bit ID出力電子回路は室温大気下であっても安定に動作することを世界で初めて実証しました（図2）。


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図2. 全カーボン製のアナログ・デジタル回路から構築した4-bit ID出力デバイス


a) 全体の回路図。リングオシレータ（RO）をクロックジェネレータとして用い、二つのDフリップフロップ（DFF）を同期させて2-bit カウンタとして動作させる。その出力Q1, Q2を4´1マルチプレクサの選択信号として用い、プリセットした4-bit IDをシーケンシャルに出力する。
b) 4-bit ID = 0101のときの各段の出力信号。ROの波形の立ち上がりがポジティブエッジとして機能し、2-bit カウンタが切り替わっている。それに合わせてマルチプレクサが4-bit IDをData 1 → 3 → 4 → 2 → 1…の順に繰り返し出力している。