リモート制御可能な非破壊検査イメージセンサを創出 　“半導体質”カーボンナノチューブが秘める潜在能力を最大限に発揮

・高純度に半導体質へ分離されたカーボンナノチューブ（CNT）により、透視なイメージセンサを設計。
・半導体CNT（s-CNT）材料特性の増幅、イメージセンサとしての高品質材料化に向けて、空気にさらされた状態にピペットで液体を垂らすだけで完結する“ケミカルキャリアドーピング”アプローチを導入。
・これにより、ドーピング前後におけるs-CNTのイメージセンサ感度を4,000倍超に底上げ。
・加えて、掌サイズの小型無線回路で遠隔制御可能な検査イメージセンサに最適なドーピングに昇華。
・検体環境を問わない“その場（オンサイト）”操作可能な高信頼非破壊検査デバイスの創出を示唆。

　中央大学 理工学部 電気電子情報通信工学科の李 恒 助教、河野 行雄 教授、高橋 典華 技術支援員（研究当時）らを中心とする研究チームは、新しいデバイス機能が備わった独自の光イメージセンサを創出し、モノつくりにおける非破壊検査技術としての有用性を強く示唆する実験/理論的実証へと展開していきました（図1）。モノづくりを支える基幹技術としてMMW–IRイメージセンサが注目を集める中で、CNTによる素子設計は優しい操作性・高い検査性から先導的な役割を担います。検査の観点では観察物が存在する“その場”におけるセンサ操作（オンサイト）が求められており、センサ自体が小型・軽量・柔軟である必要性に加えて、読み出し回路^注1）の小型化も必須となります。言い換えると、空間的な操作範囲において制約のない小型無線回路が必要となり、従来のCNTイメージセンサを操作するうえで、電気信号の取り扱いが高精度な一方、高重量かつ巨躯である有線回路が併用されてきました。小型無線回路では有線回路と比較して読み出し可能な電圧信号レンジが大きいため、CNTセンサにおける微小な電気信号は回路側では検出できません。従来のCNTセンサは、受光感度、すなわち光を照射されることにより発される応答信号が検査信頼性の妨げとなる雑音信号（ノイズ）に対してどのくらい大きいかの値に秀でる一方で、受光応答信号強度自体は数十µV–一桁mV程度と小さく、最低でも約1 mV以上の電気信号が対象となる小型無線回路との併用には不十分な特性となっていました。
　そこで本研究グループは、多様な電子状態を振る舞い得るCNTの中でも、s-CNTに着目しました。s-CNTはMMW–IR照射に対する受光応答信号を高強度に保つ一方で、デバイス信号に含まれるノイズ成分が多く、イメージセンサとしての材料利用においては取得画像の信頼性が低いことが懸念されていました。ノイズ成分とは、例えば、壊れたテレビの画面に本来の投影とは無関係な砂嵐模様が散見するようなものです。そこで本研究では、空気にさらされた状態（大気暴露下）においてピペットで液体を垂らすだけの簡便な方法により完結する、ケミカルキャリアドーピングが有効な打開策であると発想しました。具体的には材料特性を最大限に引き出す最適化条件のドーピングs-CNTにより、受光信号応答強度・受光感度をそれぞれに高い水準で発揮するイメージセンサを開発し、オンサイトだけでなく、小型無線回路によりリモート制御可能な非破壊MMW–IR検査デバイスとしての展開と、その基礎実証に成功しました。
　本研究成果は、2025年7月11日付で国際科学誌『Communications Materials』にオンライン公開されました。

　モノづくりの機械化・全自動化により工業部品および日用製品の製造や流通が飛躍的に加速し続ける中、非破壊検査技術の社会的な役割は日に日に高まっています。モノを壊さず・触れずに点検する非破壊検査技術において、イメージング（画像計測）という形式により大面積情報を非接触で取得可能な電磁波-光モニタリングは注目を集めています。特に従来は高い透視性からX線計測が検査技術の代表格と位置付けられており、工場における品質評価や空港内での安全審査へ積極的に用いられています。これはつまり、ヒトの眼で視認不可能なモノの内部を不透明パッケージ越しに可視化することを意味します。この様な利点の一方、被爆性が長年にわたって課題視されており、観察物が工業部品や日用品の場合においても、操作員を含めた環境全域への被爆事故も実際に報告され続けています。
　このような背景の中、イメージセンサは日本が発祥となる先端材料「カーボンナノチューブ（CNT）」から成り、ヒトの肉眼では見えない光であるミリ波・テラヘルツ・赤外線（MMW、THz、IR）を高感度に検出し、不透明な観察物の詳細な内部情報を透視画像として非破壊に抽出するものとして注目され、近年ではMMW–IR計測へ係る取り組みが全世界で精力的に進められています。MMW–IR照射は非侵襲であり、非金属材料の識別にも特化しています（参考論文1–3）。プラスチックやセラミック、半導体、ガラス等、工業部品や日用品はそれらの主要構造を非金属材料によって占めています。つまり透視という非破壊検査においては、ひび割れや傷の検知のみでなく、「対象は何の材料から成るか？」「どの非金属材料にて異常が生じているか？」といった詳細理解に資するMMW–IR計測型の非金属材料への材質同定は、極めて重要な役割を担います。X線計測は金属物・非金属物を明瞭に識別し，金属物を非常に高い空間分解能で観察することができるため、それらと相補的な役割を以って非破壊検査技術の拡充・モノつくりの持続性確保を実現するうえで、依然として萌芽的なMMW–IR計測において、更なる高機能化は喫緊の課題と言えます。

　現在、CNTはMMW–IRセンサとして注目を集めており、MMW–IR照射を包含する超広帯域な吸光特性（更に可視光や電波まで：参考論文4,5）によって、非破壊透視による広範な観察対象物への材質同定を可能にします（参考論文6）。またシートとしての操作性から湾曲状検体への死角が無い全方位包囲に特化しており、空間的に最も情報量が豊富な3Dモニタリングを非破壊透視・材質同定と両立する形で発揮します（参考論文7）。更に近年では分散液というインクとしての加工性からも、卓上での簡便・高効率な印刷量産も注目を集めます（参考論文8）。
　CNTセンサのMMW–IR計測における代表的動作原理は光熱起電力効果（Photo-thermoelectric effect: PTE）と呼ばれ、「外部からのMMW–IR照射に対するCNTの光吸収」「光吸収により誘発されるCNT内での（特に受光界面における局所的な）発熱・温度上昇」「CNT内での受光界面⇔残部エリアにおける温度勾配がもたらす熱電変換」が相補的・連続的に組み合わさり、最終的なデバイスとしての受光応答信号は電気的な起電力（電圧）となります（参考論文9）。上記の原理において、センサ性能を握るCNTの材料特性は主に3つ挙げられ、吸光率（Absorptance: A [%]（Aに比例する形で、CNTにおける吸光発熱量ΔT））、ゼーベック係数（Seebeck coefficient: S [µV/K]（熱電変換における効率指標））、電気抵抗（Resistance: R [Ω]）となります。受光応答信号強度であるPTE起電力はSとAに比例し、受光感度であるPTE感度はPTE起電力に比例・Rの平方根に反比例します。Rの平方根は、PTE素子に特有なノイズ：熱雑音信号の起源となります。
　これらの背景に続き、従来のCNT型PTEセンサ設計において、実験室環境下での基礎評価が中心であり、有線回路の併用が前提となっておりました。特に有線回路ではµV台という微弱な起電力検出が可能であり、高ノイズなs-CNTはセンサとしての利用が敬遠されています（図3）。

　一方、研究グループは従来の主流なPTEセンサ設計指針であるノイズ抑制が本質的には小型無線回路との併用障壁を解決しないと考えており、ポリマーや半導体といった他種センサ材料と比較してCNTは既に高いAを誇る点からも、s-CNTの有効活用が打開策としては相応しいと言えます。なお図3へ示す通りマテリアルサイエンス・エレクトロニクス分野におけるユニークな点として、CNTは個々のチューブという段階では半導体質⇔金属質と電子状態が可変であり、上記の集合体である“膜（センサではCNT膜としての採用が基本）”に関しては半金混合という状態も生み出される。よって本研究ではs-CNT本来の高ノイズ成分を抑制することで、高感度・高起電力が兼ね備わるPTEセンサを創出し、デバイスの小型無線回路との併用を通じて、オンサイトMMW–IR非破壊検査実証へのフィージビリティスタディを目的として掲げました。

　本研究では、優れた潜在能力を有しながらもイメージセンサへの応用には敬遠されてきた“半導体質”のCNT（semiconducting-separated single-walled CNT: s-CNT）に着目し、簡便かつ自由自在にCNT内の材料特性（電気、光、熱等）を制御可能にする“ケミカルキャリアドーピング”というアプローチにより、CNTのみでなく従来のマテリアルサイエンス・エレクトロニクスでは成し得なかったデバイス性能へと昇華させました。
具体的には、s-CNT型PTEセンサの基礎構造として、正孔過多なp型領域（Sが正極性）・電子過多なn型領域（Sが負極性）のジャンクション：pn接合を受光界面として扱います。大気中でCNTは元来p型であり、本研究は膜半面へトリフルイミド銀・ブタノール型pドーピング液を滴下し（p型領域としての材料特性の増強）、残る膜半面には水酸化物・クラウンエーテル型nドーピング液を滴下します。s-CNTに対して、本研究ではPTE起電力・PTE感度の中でもp型ドーピングが後者を選択的に改善すると解明し（つまりRを抑制）、n型ドーピングが両者を共に改善すると実証しました。特にn型ドーピングでは水酸化物の選定がCNT型PTEセンサを支配的に制御しており、代表的な水酸化ナトリウム（NaOH）・水酸化カリウム（KOH）の中で、KOHが好適な組成と言えます。ここで、ドーピング液を“ドーパント”として呼称します。
　研究グループの中でも高橋 技術員を中心に、s-CNTに対する「ドーパント極性」「ドーパント濃度」「n型ドーパントにおける水酸化物タイプ」「PTEセンサとしての動作対象の光波長」からの網羅的な材料特性・デバイス設計データベースを構築しております。具体的には本研究は最適なドーピング条件をそれぞれ20.6 mmol/L（p型）・0.7 mol/L（n型・KOHタイプ）として定義し、MMW・THz・IR（更に長波長光から順に遠赤外（far-IR: FIR）、中赤外（mid:IR: MIR）、近赤外（near-IR: NIR））の中でMIRを例として最適ドーピングs-CNTイメージセンサによるPTE感度変化は4,060倍にも及びます（図4）。

　またs-CNTを積極的に活用することで、ケミカルキャリアドーピングという外因的な刺激に加えて、本研究ではPTEセンサ自身が能動的にMMW–IR検出感度を底上げします（図5）。眼で見えない光の検出原理として、PTE効果に加え、ボロメトリックセンシングが挙げられます。ボロメトリックセンシングは外部からの光照射に対する吸収発熱を酸化バナジウムやシリコンといった素子材料におけるR減衰へと派生させ、左記の物理量変化を受光応答信号として扱います。李 助教は最適ドーピングs-CNTが「PTE効果（起電力発生）」および「ボロメトリック（R減衰）」というハイブリッドな物理機構を優位に両立するとモデル考案し、実際に外部からのIR照射下において起電力とRが連動して変化するというコンセプト実証を確認しています。言い換えると、「外部から光が照射される」というセンサとして本来の営みが、ボロメトリックとのハイブリッドな相補的高感度化を発現し、PTE感度という観点からは、受光中の信号対雑音比は706に及び、一方で非受光時の信号対雑音比は193に留まっています。

　上記の基礎材料特性評価に続き、研究グループでは高橋 技術員を中心として最適ドーピングs-CNT型PTEイメージセンサのデバイス性能をデータベース化していきました（図6）。秘めた潜在能力が活かされ切れていなかったs-CNTという材料内でのドーピング最適化による特製の最大化に加えて、オンサイトMMW–IR非破壊検査・小型無線回路によるリモートデバイス制御に向けた「半金無分離CNTとの比較」という本来の狙いでは、s-CNTセンサは従来構造と比較してPTE起電力を15倍以上に増大させています。本研究は最適nドーピングのみではs-CNT型PTEセンサの画像計測素子利用には不十分である傾向を実証しており、最適pドーピングとの併用により超広帯域MMW–IR照射下（更に可視光まで）での高感度・高起電力な画像計測応用が実現されています。

　基礎デバイス研究に続き、本研究グループは、最適ドーピングs-CNT型PTEイメージセンサが非破壊検査モジュールとしての十分な適性を有していることも実験的に実証しました（図7）。

　集大成として、研究グループは超広帯域MMW–IR検出において従来の主流設計とされてきた無分離CNT型素子（参考論文10）、そして最適ドープs-CNT型PTEイメージセンサを小型無線回路により操作していきました（図8）。結果としてはs-CNT由来の高いPTE起電力により創出デバイスでは小型無線回路への操作適性を優位に発揮しています。また、左記の優位性を示す中で、ケミカルキャリアドーピングにより非破壊透視イメージセンサとしても高い感度・信頼性を得ました。

　本研究は、ナノカーボン・センサデバイス・光計測といった分野に留まらず、非破壊検査という基幹技術の裾野を拡げる、極めて重要な役割を担うものとなります。
　この成果を基に、本研究グループは今後、① 現行アプローチから更に網羅的となる異種半金比率CNTへのドーピング制御、② 光学計測として使用する波長に応じた最適ドーピング条件・CNT半金比率の定式化、③ CNT型PTEイメージセンサの設計条件における大規模機械学習・数理統計的予測モデルへの展開、といった項目へ取り組みます。これらを通じ、「操作員・動作環境・観察対象の全てにフレンドリー」な非破壊検査基盤へと展開していきます。
 

1. K. Li, D. Suzuki, Y. Kawano, Series Photothermoelectric Coupling Between Two Composite Materials for a Freely Attachable Broadband Imaging Sheet, Advanced Photonics Research 2, 3, 2000095, 2021.　DOI: 10.1002/adpr.202000095
2. K. Li, Y. Mastuzaki, S. Takahara, D. Sakai, Y. Aoshima, N. Takahashi, M. Yamamoto, Y. Kawano, All-Screen-Coatable Photo-Thermoelectric Imagers for Physical and Thermal Durability Enhancement, Advanced Materials Interfaces 10, 35, 2300528, 2023.　DOI: 10.1002/admi.202300528
3. D. Shikichi, R. Ota, M. Kubota, Y. Kinoshita, N. Izumi, M. Kosaka, T. Nishi, D. Sakai, Y. Matsuzaki, L. Takai, M. Yamamoto, Y. Aoshima, R. Odawara, T.Q. Suyama, H. Okawa, Z. Zhou, T. Furukawa, S. Wada, S. Ikehata, I. Sato, Y. Kawano, K. Li, Multi Computer Vision-Driven Testing Platform: Structural Reconstruction and Material Identification with Ultrabroadband Carbon Nanotube Imagers, Advanced Materials Technologies 10, 7, 2401724, 2025.　DOI: 10.1002/admt.202401724
4. Q. Zhang, H. Li, R. Koshimizu, N. Takahashi, Y. Kinoshita, A. Sano, J. Jin, H. Okawa, Y. Matsuzaki, D. Shikichi, Y. Kawano, K. Li, Microwave Monitoring by Compact Carbon Nanotube Photo-Thermoelectric Sensors Beyond the Diffraction Limit Toward Ultrabroadband Non-Destructive Inspections, Advanced Sensor Research 4, 6, 2400159, 2025.　DOI: 10.1002/adsr.202400159
5. K. Li, Y. Kinoshita, D. Shikichi, M. Kubota, N. Takahashi, Q. Zhang, R. Koshimizu, R. Tadenuma, M. Yamamoto, L. Takai, Z. Zhou, I. Sato, Y. Kawano, Simple Non-Destructive and 3D Multi-Layer Visual Hull Reconstruction with an Ultrabroadband Carbon Nanotubes Photo-Imager, Advanced Optical Materials 12, 14, 2302847, 2024.　DOI: 10.1002/adom.202302847
6. K. Li, T. Araki, R. Utaki, Y. Tokumoto, M. Sun, S. Yasui, N. Kurihira, Y. Kasai, D. Suzuki, R. Marteijn, J.M.J. den Toonder, T. Sekitani, Y. Kawano, Stretchable broadband photo-sensor sheets for nonsampling, source-free, and label-free chemical monitoring by simple deformable wrapping, Science Advances 8, 19, eabm4349, 2022.　DOI: 10.1126/sciadv.abm4349
7. M. Yamamoto, D. Sakai, Y. Matsuzaki, L. Takai, Y. Kon, Y. Aoshima, N. Izumi, N. Hagiwara, H. Hamashima, D. Shikichi, J. Jin, Q. Zhang, K. Murakami, Y. Kinoshita, S. Yasui, N. Takahashi, H. Nishiyama, Y. Kawano, K. Li, Mechanically alignable and all-dispenser-printable device design platform for carbon nanotube-based soft-deformable photo-thermoelectric broadband imager sheets, npj Flexible Electronics 9, 42, 2025.　DOI: 10.1038/s41528-025-00419-2
8. L. Takai, Y. Kinoshita, N. Takahashi, M. Yamamoto, D. Shikichi, N. Izumi, Y. Matsuzaki, Y. Kon, N. Hagiwara, Y. Kawano, K. Li, n-type carbon nanotube inks for high-yield printing of ultrabroadband soft photo-imager thin sheets, FlexMat 2, 1, 115–125, 2025.　DOI: 10.1002/flm2.41
9. Y. Matsuzaki, R. Tadenuma, Y. Aoshima, M. Yamamoto, L. Takai, Y. Kon, D. Sakai, N. Takahashi, R. Koshimizu, Q. Zhang, N. Hagiwara, M. Sun, D. Shikichi, R. Ota, S. Hirokawa, Y. Kawano, K. Li, All‐Solution‐Processable Hybrid Photothermoelectric Sensors with Carbon Nanotube Absorbers and Bismuth Composite Electrodes for Nondestructive Testing, Small Science 5, 5, 2400448, 2025.　DOI: 10.1002/smsc.202400448
10. K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, Y. Kawano, Robot-assisted, source-camera-coupled multi-view broadband imagers for ubiquitous sensing platform, Nature Communications 12, 3009, 2021.　DOI: 10.1038/s41467-021-23089-w

　本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX23KL）、同 未来社会創造事業（JPMJMI23G1）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（研究活動スタート支援（JP23K19125）、同 若手研究（JP24K17325）、同 基盤研究（A）（JP23H00169）、同 基盤研究（B）（JP22H01553、JP22H01555、JP24K01288）、同 学術変革領域研究（A）（JP20H05953、JP22H05470、JP25H02154））、村田学術振興財団、松尾学術振興財団、鷹野学術振興財団、コニカミノルタ画像科学奨励賞・優秀賞、スズキ財団、イオン工学振興財団、東電記念財団、スズキ財団、双葉電子記念財団、フジシール財団、電気通信普及財団、機械システム振興協会、服部報公会、栢森情報科学振興財団、島津科学技術振興財団、八洲環境技術振興財団、徳山科学技術振興財団、パワーアカデミー、新素材情報財団、JKA・研究助成補助事業、立石科学技術振興財団、鹿島学術振興財団、天野工業技術研究所、神奈川県立産業技術総合研究所等における研究プロジェクトの一環として援助を受けました。

注１）読み出し回路：
センサの電気信号を制御し、MMW–IR応答を検査画像データへと変換するうえで補助的な役割を担うもの。