フォノンの応用で遠赤外線センサーを進化、パナソニックのフォノニック結晶構造：研究開発の最前線（2/2 ページ）

パナソニックは、フォトン（photon、光子）ではなく、フォノン（phonon、音子）の応用となる「フォノニック結晶構造」をシリコンウエハー上で量産するための作成方法を開発した。このフォノニック結晶構造は、遠赤外線センサーの感度を約10倍向上できるという画期的な技術である。

[朴尚洙，MONOist]

新時代の熱制御技術がブレークスルーを可能にする

　パナソニックは、この自己組織化ナノプロセス技術で作製できるフォノニック結晶構造を、遠赤外線センサーの高感度化に役立てたい考えだ。

　遠赤外線センサーのセンサー信号強度は、遠赤外光を受ける受光部の熱伝導率に反比例することが知られている。これは、遠赤外光の熱を受光部から外部に伝えにくいほど、センサーの感度を高くできることを意味する。とはいえ、受光部から電気信号を取得するには回路基板と電気的に接続しなければならないの。そこで、この受光部と回路基板をつなぐセンサー支持脚からできるだけ熱を逃げにくくするために、脚を長く、高い構造にしたり、材料として空気層を含む多孔体を採用したりなどしてきた。

　しかし、もう一段階上の性能向上を求めるためには、これらの取り組みでは限界があった。これに対してフォノニック結晶構造は「新時代の熱制御技術であり、ブレークスルーを可能にする」（藤金氏）という。実際に、遠赤外線センサーの支持脚にフォノニック結晶構造を適用したところ、従来の穴のないSiや多孔体の支持脚を大きく上回る断熱効果を確認できた。実際のセンサー感度としても、フォノニック結晶構造を搭載しないものと比べて10倍の高感度化を確認している。

フォノニック結晶構造の有無によるセンサー受光部の熱伝導特性の比較。上側がフォノニック結晶構造なし、下側がフォノニック結晶構造あり（クリックで拡大） 出典：パナソニック

フォノニック結晶構造の有無による感度の違い。フォノニック結晶構造がある場合、照射光強度に対する熱起電力の比例係数が約10倍になっているクリックで拡大） 出典：パナソニック

実用化はパートナーとの共創も視野に

　パナソニックがフォノニック結晶構造の研究開発に取り組み始めたのは2015年ごろからになる。当初は、熱電変換材料の研究開発を進める上で「電気を流すが熱は伝えない」という、一般的な伝導体では実現が難しい新材料の探索を目的としていた。フォノニック結晶構造の研究開発を進める中で、熱電変換材料以外の用途探索も進められ、有力な候補として挙がってきたのが今回発表した遠赤外線センサーへの適用になる。

　現在販売されている遠赤外線センサーの多くはMEMS構造を採用した素子がほとんどだ。フォノニック結晶構造を受光部の支持脚に組み込むことで10倍の高感度化が可能になるということは、受光部を10分の1に小さくしてしても従来と同じ性能が得られるので10倍の高画素化も可能になる。

　藤金氏は、フォノニック結晶構造の実用化時期について「2025年以降には何らかの形で顧客に届けたい」と述べる。パナソニック自身も、8×8の64画素で2次元エリアの温度検知を可能にする赤外線アレイセンサー「Grid-EYE」を展開するなどしているが「自社単独にこだわらず、パートナーとの共創も視野に入れて実用化の取り組みを進めたい」（同氏）としている。

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