ウェアラブルデバイスとは
近年、スマートウォッチをはじめとするウェアラブルデバイスが急速に普及しています。これらのデバイスは、人体に密着し、柔軟で繰り返しの変形に耐える耐久性が求められます。そのため、開発段階での信頼性評価、特に引張試験の重要性が増しています。
ウェアラブルデバイスの特性と技術動向
ウェアラブルデバイスは、柔軟性と耐久性を両立させるため、さまざまな先端技術が応用されています。代表的な技術として以下のものがあります。
フレキシブルデバイス: 印刷技術を基盤に、柔軟な基板上に電子回路を形成。
MEMS（微小電気機械システム）: 半導体技術を応用し、小型で集積化されたデバイスを実現。
有機エレクトロニクス: 有機EL技術を応用し、柔軟で薄型のセンサーを開発。
これらの技術の組み合わせにより、多様な機能を持つウェアラブルデバイスと開発が進められています。
ウェアラブルデバイス開発における引張試験の重要性と課題
ウェアラブルデバイスは、日常的な動作において繰り返し変形するため、引張試験による性能評価や耐久性の確認が重要です。例えば、動脈脈波測定に利用されることが期待されるピエゾ抵抗材料を用いたひずみセンサーでは、均一な引張負荷の下で電気特性と形状変化を同時に評価する必要があります。
しかし、従来の大型引張試験機では微小な試験片の評価が困難であり、小型引張ステージの活用が求められています。
引張ステージを活用した事例
引張負荷中の形状観察と電気特性測定 – 顕微鏡との連携
半導体材料は、外部からの力に対して顕著な抵抗変化を示すピエゾ抵抗効果を有しており、この特性は動脈脈波の測定などに利用されることが期待されています。
ポリイミドフィルムで挟まれた半導体材料の試験片に対して、小型引張ステージを用いて引張負荷を加えつつ電気特性を測定し、顕微鏡を併用することで、ひずみと電気特性を同時に評価することが可能となります。
引張負荷中の亀裂の観察 – SEMとの連携
ポリイミドフィルムで挟まれた半導体材料の試験片において、ポリイミドフィルムと半導体材料では、弾性領域と塑性領域の特性が異なります。
ポリイミドフィルムの弾性領域内での負荷がかかると、引張ひずみにより半導体材料に亀裂が生じますが、負荷を取り除くと亀裂は回復し、抵抗値も元に戻ります。
一方、ポリイミドフィルムの塑性領域を超える負荷がかかると、亀裂は開いたままとなり、抵抗値は回復しません。
引張ステージを利用し、引張負荷下でSEMを用いて亀裂の観察と電気特性の測定を同時に行うことで、限界性能の解析が可能となります。
まとめ
ウェアラブルデバイスに使用される材料は、半導体膜だけでなく、ポリイミドフィルムなどの保護材として使用される材料も含め、電気特性、機械的強度、形状や結晶の変化を測定・観察する必要があります。小型引張ステージと顕微鏡、SEMを組み合わせたIn-situ測定・観察により、デバイスの性能や耐久性を総合的に評価できます。
今後、期待される活用事例
引張ステージと顕微鏡・SEMを組み合わせたIn-situ測定・観察は、他の様々なウェアラブルデバイスの評価試験にも応用が期待されます。
光センシングと引張試験 : 有機ELを用いた血中酸素濃度測定デバイスの伸縮評価や封止材の改良に活用できます。
ナノメッシュエレクトロニクスの耐久性評価 : 極細金属電極を用いた心電図測定デバイスの耐久性評価に貢献します。
引張ステージ ISLシリーズの紹介
小型引張ステージISLシリーズは、SEMや顕微鏡と組み合わせて使用できる小型引張ステージです。引張試験中のIn-situ測定・観察を可能にし、ウェアラブルデバイス開発をはじめとしたさまざまな材料研究分野で活用されています。
引張ステージ ISLシリーズの紹介の詳しい情報は、別のサイトをご覧ください。
まとめ
引張ステージISLシリーズは、SEM、顕微鏡、電気特性測定装置と組み合わせることで、ウェアラブルデバイスの性能と耐久性を総合的に評価できる強力なツールです。In-situ測定・観察により、従来の試験方法では得られなかった新たな知見が得られ、メディカルデバイス開発の加速に貢献することが期待されています。
引張ステージの活用事例集
小型引張ステージを使った活用事例を無償でダウンロードできます。
是非、ご活用ください。
参考URL
Yinli Wang 国立大学法人 東北大学 : An amorphous Cr2Ge2Te6/polyimide double-layer foil with an extraordinarily outstanding strain sensing ability : Materials Horizons 2024,11
横田 知之 国立大学法人 東京大学 : 科学機器 2024.12、一般社団法人 日本化学機器協会
フレキシブルエレクトロニクスを使った生体センシングと、さらに進化させたナノメッシュエレクトロニクスの可能性