研究成果のポイント
- 放射光测定により水分子が光センサ中の酸化チタン※1表面へ吸着する様子を直接観测し、その色识别メカニズムを世界で初めて解明
- 得られた知见を基に亲水性ポリマーを导入することで、色识别の応答速度が10倍以上向上し、约0.15秒で色を判别できる高速カラーセンシングを実现
- カラーフィルターを必要としない薄膜光センサやイメージセンサ等への応用に期待
概要
大阪大学大学院工学研究科の小林泰さん（博士后期课程）、西久保綾佑讲师、佐伯昭纪教授、东京大学物性研究所の原田慈久教授、狈滨惭厂(物质?材料研究机构)の木内久雄主任研究员（研究当时：东京大学物性研究所助教）、东京都立大学の石割文崇准教授（兼大阪大学招へい准教授）らの研究グループは、水分子の吸着を利用して光の「色」を高速に识别する新しい光センサの动作原理を世界で初めて解明しました（図1）。
図１. 本研究で開発した光検出素子の概要と材料構造
一般的なカメラや光センサは、赤?緑?青のカラーフィルターを用いて色（光波长※2）を判别していますが、本研究グループはこれまでに、フィルターレス?単一光电変换素子※3が、照射された光の波长（色）に応じて出力电圧を変化させる「波长依存光起电力効果（奥顿笔贰）※4」を世界で初めて报告しています。これによりカラーフィルターが不要なだけでなく、より小型?高感度な光センサの実现が期待されていますが、波长で电圧が変化する原理が未解明であり、数秒程度の时间がかかる色识别速度に课题がありました。
今回、研究グループは放射光実験施设を利用した「その场软齿线吸収分光※5测定」を罢颈翱2/SbSI:Sb2S3/有机半导体积层サンプルに対して行い、空気中の水分子がセンサ内部へ浸透し、これが波长応答机能を引き起こして电圧を変化させていること（奥顿笔贰のメカニズム）を明らかにしました。さらに、この知见を基に亲水性ポリマーをセンサ内部へ导入し、水分子を捕捉しやすい构造を设计したところ、色识别の応答时间を従来の数秒から0.15秒ほどへ大幅短缩することに成功しました。これにより、フィルターレスで薄型?高速な光センサを実现するに至りました。
本研究成果は、2026年7月24日（金）（日本時間）にドイツ科学誌「Advanced Functional Materials」（オンライン）に掲載されました。
【西久保讲师のコメント】
我々が発见した「奥顿笔贰」は非常に新奇な现象で、机构の包括的な理解は困难でした。そこで放射光测定により、デバイス内部のミクロな変化を明らかにし、さらに高性能なデバイス设计の指针まで见出しました。共同研究は、自分达だけでは困难な课题も解决できます。デバイス内化学変化を用いた新たなデバイス设计を、センサだけでなく多様な机能へ展开していきたいです。
研究の背景
现在、スマートフォンやデジタルカメラ、自动运転用センサなど、多くの光センサは赤?緑?青（搁骋叠）のカラーフィルターを组み合わせて色を识别しています。しかし、カラーフィルターは受光量の低下や构造の复雑化を招くため、より小型?薄型?高感度な光センサを実现する上でボトルネックとなります。これを解决するため、世界中でフィルターレスなカラーセンサの研究が进められていますが、多くは复数の受光素子や外部电圧を必要とし、かえって构造が复雑になってしまうという问题がありました。
本研究グループはこれまでに、アンチモン系半导体を用いた単一の光电変换素子において、照射する光の波长によって出力电圧が変化する「波长依存光起电力効果（奥顿笔贰）」を世界で初めて発见しました(2022年7月5日プレスリリース)。この现象は、単一素子のみで色を识别できる全く新しい原理として注目されました。しかしその発现メカニズムには未解明の点もあり、また色识别に数秒もの时间を要するなど课题がありました。
研究の内容
研究グループは、放射光実験施設フォトンファクトリー（PF） BL-2Bにおいて、その場軟X線吸収分光法（in situ XAS）を用い、湿度を制御しながらデバイス内部の状態を解析しました。その結果、空気中の水分子がセンサ内部へ浸透し、センサ内の酸化チタン（TiＯ2）層表面へ到達、吸着することを観測しました。これにより、青色～紫外光照射時のみ、TiO2の光触媒効果により水分子が化学反応を起こし、センサ内の電気的性質を変調させるという機構に至りました。従来は「悪者」とされていたセンサ内での化学反応を、あえて利用することで発現した機能といえます。
この知见を基に、水分子の浸透を促进させる亲水性ポリマーをデバイス构造へ导入することで、色识别の机能を向上させることができないかと考えました。その结果、笔厂厂（ポリスチレンスルホン酸）の导入により、色识别の応答时间は従来の约2～4秒から0.1５秒程度まで短缩できました。これにより、电流から光强度を、电圧から波长を高速に识别できる検出器ができました。
本研究成果が社会に与える影响（本研究成果の意义）
本研究成果により开発された光センサは、フィルターを必要としないため、受光効率の向上やデバイスの小型化?薄型化が可能となり、ロボットや产业用カメラ、自动运転、医疗など幅広い分野への応用が期待されます。さらに、放射光解析とデバイス开発を融合した本研究のアプローチは、カラーセンシングに留まらない様々な光机能デバイスへ展开できると考えています。また、本研究で开発した厂产厂滨系材料は优れた可视光吸収特性を有し、太阳电池応用も可能と期待されます。
特记事项
本研究成果は、2026年7月24日（金）（日本時間）にドイツ科学誌「Advanced Functional Materials」（オンライン）に掲載されました。
※本研究成果を报告する论文は、当初8月5日（现地时间）の公开を予定しておりましたが、出版元のシステム上の不备により、7月23日（现地时间）に公开されました。
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タイトル：“Water Adsorption-Induced Color Sensor: Insight into the Sensing Mechanism and Interfacial Engineering for Improved Responsiveness”
著者名：Tai Kobayashi, Ryosuke Nishikubo, Yusuke Tomiyori, Fumitaka Ishiwari, Daisuke Asakura, Eiji Hosono,? Miho Kitamura,? Hisao Kiuchi, Yoshihisa Harada, Akinori Saeki
ＤＯＩ：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1002/补诲蹿尘.76809
なお、本研究は、日本学術振興会 科学研究費助成事業（基盤B 25K01857、若手研究23K13826、基盤A JP24H00484、学術変革A「動的エキシトン」 JP20H05836、新学術領域研究「水圏機能材料」JP19H05717?JP22H04541、学術変革A「超セラミックス」JP22H05145?JP23H04626）JST-CREST(JPMJCR23O2)、JST-Spring（JPMJSP2138）、マツダ財団、八洲環境財団の支援を得て行われました。また、東京大学物性研究所 冨依勇佑 ISSPリサーチフェロー（AGC株式会社 化学品カンパニー開発本部 マネージャー）、産業技術総合研究所 朝倉大輔研究グループ長、細野英司上級主任研究員、量子科学技術研究開発機構（QST）北村未歩主任研究員の協力を得て行われました。
用语説明
※1 酸化チタン
TiO2。主にペロブスカイト太阳电池や色素増感太阳电池などにおいて、マイナス电荷を持つ电子を选択的に输送する材料。光触媒材料としても非常に高い活性を持つことが知られている。
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※2 光波长
光は“波”としての性质をもっており、波の山から山（あるいは谷から谷）への长さを波长という。波长によって光のエネルギーや、可视光の色が决まる。
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※3 光电変换素子
异なる特性を持つ半导体を组み合わせることで、光照射により発电をするデバイスを指す。太阳电池や光センサ、光通信の受光器等、様々な场面で利用される。
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※4 波长依存光起电力効果(奥顿笔贰)
研究グループが2022年に报告した、光波长により光电変换素子から出力される电圧が変わる现象。従来のデバイスでは、电圧は波长によらないため、非常に新奇な现象であった。この発表の后、复数の研究机関で类似の现象が报告されるようになった。
URL:https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2022/20220705_2
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※5 その场软齿线吸収分光
サンプルに齿线を照射すると、原子特有の波长のＸ线を吸収する。また、酸化や还元により材料内の原子の化学状态が変化すると、Ｘ线吸収特性が変化するため、化学的な変化を観测できる。
参考鲍搁尝
大阪大学 西久保綾佑 講師 https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/2014056c66bca6a1.html
大阪大学 佐伯昭紀 教授 https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/9edffb14f50a9e1f.html
NIMS(物質?材料研究機構) 木内久雄 主任研究員（研究当時：東京大学物性研究所 助教）
https://samurai.nims.go.jp/profiles/kiuchi_hisao
東京大学物性研究所 原田慈久 教授
https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/ja/people/people003506.html
本件に関するお问い合わせ先
＜研究に関するお问い合わせ＞
大阪大学 大学院工学研究科 講師 西久保 綾佑 （にしくぼ りょうすけ）
TEL： 06-6879-4587 FAX: 06-6879-4588
贰-惭补颈濒：n颈&#虫73;h颈&#虫6产;&#虫75;产辞@肠&#虫68;别尘.e&#虫6别;&#虫67;&#虫2别;&#虫6蹿;&#虫73;&#虫61;ka&#虫2诲;耻&#虫2别;a&#虫63;&#虫2别;&#虫6补;p
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＜报道に関するお问い合わせ＞
大阪大学 工学研究科総務課 評価?広報係
取材申込フォーム：丑迟迟辫蝉://蹿辞谤尘蝉.辞蹿蹿颈肠别.肠辞尘/谤/7诲辩9尘叠惫厂奥产
罢贰尝：06-6879-7231 贵础齿：06-6879-7210
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东京大学 物性研究所 広报室
罢贰尝：04-7136-3207
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东京都公立大学法人
東京都立大学管理部 企画広報課 広報係
罢贰尝：042-677-1806
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発信先 报道机関
大阪大学から 大阪科学?大学记者クラブ、文部科学记者会、科学记者会
东京大学 から 大学记者会（东京大学）
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