どんな研究をしているの？　‐TwitterやLINEなどのSNSを使う、Youtubeなどで動画を視聴する、アプリゲームを友人や家族と楽しむ、今やいつでもどこでも快適にインターネットに接続できるようになりました。ところが、インターネットのトラフィック、言い換えると、データの交通量というのは、年々増え続けています。この増え続けるデータの交通量に対処するための新しい技術を開発しようと、当研究室では力を尽くしています。また、データの交通量が増えるということは、データを運ぶための電力がより一層必要になることを意味しています。そこで当研究室では、通信機器の省電力化に関する研究にも熱心に取り組んでいます。
研究キーワード：通信、光・電波、光ファイバ、光集積回路

どんな講義を担当しているの？　　‐大学の講義では、高校までに学んだ理科や数学の内容を少しずつ深く掘り下げていき、より専門的な内容を学んでいきます。電気通信関係の資格取得に関係する講義もあります。

担当講義キーワード：電磁気学、電波工学、光デバイス工学

光学実験装置

  　本研究室では、「生体医工学」「人間情報科学」という分野での研究を行っています。と言われても、我々人間をはじめとする生物と情報処理が密接に関係しているとは、にわかには信じ難いと思います。

  　しかしながら、我々の日常生活に照らしあわせて考えてみると、音の大小、高低を聞き分けて音楽を楽しんでいるのも人間ですし、光の強弱、色の種類を見分けて映像を楽しんでいるのも人間です。事実、我々人間には、音や映像など様々な情報の理解において、必要な特徴量を都合よく抽出する高度な情報処理能力が備わっているのです。

  　この様な感覚・認知、記憶・学習などの情報処理機能は、人間の脳内に数100億個-1000億個存在するともいわれているニューロン(神経細胞)の複雑な結合によってつくりだされることが近年の研究で分りはじめています。

  　本研究室では、生物の神経がつくりだす高度な情報処理機能を理解し、それらを生物物理学的モデルや数理モデルで表現することが主な課題です。更にそれらのモデルを、人工内耳や人工視覚などの神経線維に電気的な刺激を与える医療機器のデザインに応用することなども課題としています。

  　有機物質に電気が流れる、導電性高分子が世の中に紹介されてから、何年か経過したいま、有機物質を使った高機能なエレクトロニクス製品が、数多く開発され実用化に至っています。たとえば高詳細な画質の有機ＥＬディスプレイが普及し、４ｋカメラなどで撮影された、高画質映像データを大変高品質な画像を手軽に楽しむことが出来るようになりました。最初に登場した有機ＥＬディスプレイは大変高価なものでしたが、普及するにしたがってより高性能になり、価格は逆に低価格になってきています。かつてブラウン管を使ったパソコンディスプレイにとって代わるべく、液晶ディスプレイが開発されました。発売された当初それは高価なものでしたが、その後の普及とともに高性能化と低価格化が進み、現在は液晶技術の限界を超える新たな技術、つまり有機ＥＬなどに代表される新技術を用いた、より高性能なディスプレイにとってかわられようとしているのです。

Fig1.　 様々な表情を見せる金属表面のナノ構造。

プローブ顕微鏡（DFM）による観察

  　一方で様々なエレクトロニクス製品には、従来の半導体技術を駆使した多種多様な部品が多く使われていて、解決しなければならない問題もたくさん残されています。エコで環境にやさしく、コストパフォーマンスの高い、次世代のエレクトロニクスを支えるためには、従来の手法を覆すような新しいアイディア、より簡便でより安価な手法の開発、そしてより安全なエレクトロニクスデバイスの開発が期待されています。

  　華々しいエレクトロニクス製品の高性能化を支えるテクノロジーのひとつに、電子デバイスのダウンサイジングがあります。集積回路に始まる半導体電子部品の発展には、微細化のテクノロジーが欠かせないのですが、従来の手法では、性能の面だけでなくコストの面からみても、限界を迎えつつあるといえます。

Fig2.　ナノワイヤーの創製。電子顕微鏡による導電性高分子材料の観察。

ナノワイヤーを意図したとおりに展開できるかが課題

  　最先端の研究分野では、部品を導線で接続して回路を構成する従来の手法の殻を打ち破る新しい発想によるエレクトロニクス技術が提唱され、その発展が期待されています。その中のひとつに有機分子の様々な利用方法があり、現在様々な研究がなされています。

Fig3.　あてる光の波長で表情を変える機能性分子。

蛍光顕微鏡による観察

  　有機物質の特徴は、様々な機能を付与することが出来ることで、本研究室ではそれをミクロな世界の技術であるナノテクノロジーと結び付け、次世代の高機能な電子デバイスを創製する研究を行っています。

• 導電性高分子中へナノスケールでの有機分子色素を注入し、光機能をもつセンサー素子を開発
• サッカーボールの構造をしたフラーレン分子、ナノの大きさを持つチューブ状の炭素物質カーボンナノチューブと導電性高分子との複合化
• 金属表面にナノスケールの構造パターンを人工的に作製、高機能分子と組み合わせて、新しい機能をもつ電子・光デバイスの作製

  　これらは、古いテクノロジーの枠にとらわれない、柔軟で新しい発想を必要としています。有機エレクトロニクスとナノテクノロジーで、未来のテクノロジーを創りませんか。

  　植原研究室では，主に電力用機器・装置や電子デバイス・電子機器等の絶縁部を想定した電気絶縁工学に関連する基礎的研究を実施している。

(1) 複合絶縁体の境界面におけるトリーイング劣化
  　電力ケーブルの絶縁には，現在プラスチック材料が使用されている。電力ケーブルの中間接続部や終端部には必ず複合絶縁体の境界面が存在し，電気的に弱点となっている。この電気的弱点に局部的な高電界（電圧がかかっている空間の状態）が形成されると木の根っこのような樹枝状の劣化が進展する。このような現象を「トリーイング劣化」と呼び，形成された樹枝状の破壊路を「電気トリー」と呼んでいる。図1のように母材となる絶縁材料中にフィラー（充填物）を添加した場合の電気トリー進展の変化を実験とシミュレーションによって検討している。

(a) 実験	(b) シミュレーション

 

図1 複合絶縁体の境界面におけるトリーイング劣化の実験およびシミュレーション

(2) 水トリー劣化現象
  　水分と高電界の共存によってプラスチック材料中に発生する水トリー劣化現象は，これまで交流課電での研究が多くおこなわれてきた(図2(a)参照)。一方，地球温暖化防止，メンテナンス性向上，高効率化を目指し，近年インバータ波で運転される電気機器が増加している。このため，インバータ波が水トリー発生・進展にどのような影響をおよぼすかを明確にしておく必要がある。しかしながら，インバータ波印加時の水トリー発生・進展特性については調査例がほとんどない。そこで，本研究室では将来的なインバータ波印加時の水トリー発生・進展特性を調査している。図2(b)の試験装置を用いて民間企業との共同研究をおこなっている。

(a) 水トリー劣化現象	(b) 試験装置

図2 水トリー劣化現象および試験装置

(3) 500MHz～13GHz帯における複素比誘電率の測定

  　現代社会では，携帯電話，無線LAN，レーダー等，電気絶縁材料のUHF帯及びマイクロ波帯での使用が増大してきている。電気絶縁材料の持つ誘電率は，信号の伝搬速度と密接な関係があり，材料の電磁波吸収によって損失が生じる。そこで，図3のSパラメータネットワークアナライザを使用して複素比誘電率を測定することにより，高周波損失の少ない（誘電正接（tanδ）の小さい）材料の開発に役立てたいと考えている。

図3 Sパラメータネットワークアナライザ

  　独居高齢者や老々介護世帯の孤独死・孤立死、宅内での熱中症発症が社会問題化し、これらの世帯を効率的、効果的に見守る体制の整備が急ぎ求められています。一方、どの家庭にも電気の使用量を計測する目的で電力量計が設置されています。現在、家庭の電力量計は電気機械式のものが主流ですが、今後10年程で、通信機能を備えた電子式のスマートメーターにすべて切り替えられる予定です。スマートメーターは家庭の電気使用量を短い時間間隔で計測し、その都度、計測データを電力会社に送信します。これによって、家庭毎の電気使用量の遠隔検針が可能になるほか、計測データは「電気使用量の見える化」による節電の促進や電気需要のピークカットのために活用されます。

図1 スマートメーターによる見守りのイメージ

  　さらに、このメーターで得られるデータから居住者の生活状態やエアコンの使用状態が把握でき、この情報を社会的に安心して活用できれば、社会インフラとしての見守りネットワークを安価かつ効率的に構築できます。

図2 スマートメーターを活用した見守りネットワークのイメージ

　本研究では、スマートメーターで得られるデータから居住者の生活状態とエアコンの動作状態を正確に把握する手法を開発し、スマートメーターを活用した見守りネットワークの具体像とその実現に向けた課題と解決策を提示していく計画です。