【シート型イメージセンサー】東京大学の横田知之准教授、染谷隆夫教授らとジャパンディスプレイ、JSTプロジェクトで指紋・静脈・脈波の同時計測に成功

　日本社会の超高齢化が急速に進む中、高騰する医療費を抑制しつつ、いかにしてQuality of Life（QoL）を高めるかが喫緊の課題となっている。この困難な課題の解決に向けて、ウェアラブルデバイスのような新技術による生体情報の取得とその活用への期待が高まっている。特に、患者や家族が自分の健康に責任をもつセルフケアや在宅医療は、超高齢化社会の課題解決の糸口の1つであると考えられている。実際に、本格的なセルフケア時代の到来に備えて、健康状態を常時モニタリングできるウェアラブルセンサーや通信機能付きの家庭用血圧計などが次々に市場に投入されている。
　一方で、ウェアラブルセンサーによる生体情報を活用した、新しい保険制度やインセンティブのある制度を設計する際に、在宅で測定したデータが患者本人のものかどうかをどのように確認するかが重要な課題とされている。また、将来、多くのウェアラブル機器が病院や福祉施設で利用されるようになると、患者の取り違えのリスクを低減する必要がある。そのため、ユーザーの生体認証と同時にバイタルサインを計測することが急務の課題となっている。
　国立大学法人 東京大学 大学院工学系研究科の横田知之准教授、染谷隆夫教授らは、（株）ジャパンディスプレイと共同で、高分子基板上に、高解像度撮像ができ、かつ、脈波^注1）を検知するための高速読み出し可能なシート型イメージセンサーを作製することに成功した。このイメージセンサーは、生体認証に用いられる指紋や静脈を高解像度で撮像することができる。さらに、同じイメージセンサーを使って、バイタルサインの1つである脈波やその分布を計測することができる。
　これまでにもシート型イメージセンサーの報告はあるが、高解像度撮像と高速読み出しの両立は実現できておらず、1枚のシート型イメージセンサーで、静的な生体認証データと動的なバイタルサインを計測することはできなかった。その理由は、高感度な光検出器と高速のスイッチング素子^注2）を相互にダメージを与えずに高分子基板上に集積することができなかったからだ。
　今回開発に成功したシート型イメージセンサーは、高効率の有機半導体を感光層にした有機光検出器^注3）と低温ポリシリコン薄膜トランジスタ^注4）のアクティブマトリックス^注5）を用いた高速の読み出し回路を高密度に集積して作製されている（図1）。解像度は、指紋認証に必要とされる508ドット／インチ（dpi）を達成しており、有機光検出器は、静脈認証などに用いられる波長850nmの近赤外光に高い感度（外部量子効率50％以上）をもつバルクヘテロ構造^注6）の有機膜を感光層にしている。高分子基材の厚さは10μm、シート型イメージセンサーの総厚は15μmと、薄型、軽量、フレキシブルであるため、機器への組み込みや曲面への貼り付けが容易（図1）。光検出器と薄膜トランジスタを相互に損傷なく集積するプロセス技術を開発することによって、高解像度撮像と高速読み出しを両立したシート型イメージセンサーの実現が可能となった。
                                                                                                                      図１　開発したシート型イメージセンサーのデバイス写真
                                                                                                                                 フレキシブル基板上に作製しているために、曲げることが可能

                                                                                                    ビア…トランジスタのソース・ドレイン電極と信号線、もしくは画素電極を電気的に接続するための穴。
                                                                                                    画素電極…有機膜と電気的に接続する電極。
                                                                                                    光保護層…トランジスタにあたる光を遮る層。
                                                                                                    FPC…センサーが形成された基板とアナログ・フロント・エンドが搭載された基板を接続するための基板（Flexible printed circuites）
                                                                                                    アナログ・フロント・エンド…センサーの信号を読み取るための半導体チップ
　このシート型イメージセンサーを用いて撮像した静脈や指紋の画像を評価した結果、一般的なCMOSイメージャーを用いた画像と比較して、静脈部分のコントラスト差は5％以下であり、ほぼ同等の性能を有することを確認した（図2）。また、多点の高速読み出しによって、脈波の分布も計測できるようになった。
                                                                                                  図２　開発したシート型イメージセンサーで撮像した静脈（左）、指紋（右）と脈波（下）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 画像は、個人保護のために一部に加工を施している

　新型のシート型イメージセンサーは、軽量、薄型で、曲げることができるため、ウェアラブル機器に組み込むことが容易。ユーザーの生体認証を行いながら、同時に健康状態を測定することが可能となるため、将来、セルフケアにおける「なりすまし」の防止や病院における患者の取り違え防止などが可能になると期待される。
　本研究成果は、東京大学 大学院工学系研究科、ジャパンディスプレイの共同研究によるものである。
　本研究成果は、2020年1月20日（英国時間）に英国科学誌「Nature Electronics」のオンライン版で公開された。
　本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られた。
　JST未来社会創造事業 探索加速型（本格研究ACCEL型）
　研究開発課題　「スーパーバイオイメージャーの開発（JPMJMI17F1）」
　研究代表者　染谷隆夫東京大学 大学院工学系研究科教授
　プログラムマネージャー　松葉頼重氏（科学技術振興機構）
　研究期間　2017年7月～2022年3月

＜用語解説＞
注1）脈波
　心臓の拍動に応じて伝わる末梢血管の圧変化や容積変化を測定したもの。
注2）スイッチング素子
　電気を用いてオンオフを切り替えることのできるデバイス。
注3）有機光検出器
　有機材料を用いた光検出器。光の強度によって、流れる電気の量が変化する。
注4）低温ポリシリコン薄膜トランジスタ
　多結晶のシリコンを用いて作られた電子のスイッチ。
注5）アクティブマトリックス
　ディスプレイやセンサーの駆動方式の一種。各セルにアクティブ素子（薄膜トランジスター）を集積させることによって、低消費電力化や高精度化が実現できる。
注6）バルクヘテロ構造
　ドナー材料と、アクセプター材料の2種類の半導体材料を混合した構造。
＜論文タイトル＞
　“A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement”
　著者：Tomoyuki Yokota, Takashi Nakamura, Hirofumi Kato, Marina Mochizuki, Masahiro Tada, Makoto Uchida, Sunghoon Lee, Mari Koizumi, Wakako Yukita, Akio Takimoto, Takao Someya
　DOI：10.1038/s41928-019-0354-7