明日を変える12の最先端エレクトロニクス技術

その名の通り、新興技術とは、その開発と実用的な応用がまだ広く実現されていない技術のことです。ロボティクス、人工知能、認知科学、ナノテクノロジーなど、さまざまな分野における進歩的な発展を表しています。

特にエレクトロニクス分野は、信号処理、情報処理、通信において重要な役割を果たしています。センサー、ダイオード、トランジスタ、集積回路などのコンポーネントを含む電気回路を扱います。簡単に言えば、現代のノートパソコンやスマートフォンのような複雑な電子機器やシステムを網羅しています。

最初のトランジスタが発明されたのは1947年です。それ以来、私たちは長い道のりを歩んできました。今日あなたが使っているスマートフォンだけでも、10億個以上のトランジスタが含まれています。

これはまだ始まりに過ぎません。多くの革命的なデバイスがまだ発明されていません。エレクトロニクス分野において、未来が私たちにもたらすものを探ってみましょう。

12. デジタル嗅覚技術

CEATEC 2016で発表されたアロマシューター

電子機器（電子鼻）が音声、動画、ウェブページなどの匂い付きメディアを感知、転送、受信できる嗅覚技術の分野では、多くの研究が進められています。

最初の放臭システム「Smell-O-Vision」は1950年代後半に発明されました。映画の上映中に臭気を放出し、観客の体験を向上させることができました。

それ以来、多くの研究施設が同様のデバイスを開発してきました。その一つが1999年に開発された「iSmell」です。128種類の臭気カートリッジで構成され、さまざまな混合臭を生成できました。しかし、一定の制限により、製品は商業的に発売されませんでした。

CEATEC 2016では、スマートフォンやPCで制御できる着用型嗅覚デバイスが発表されました。しかし、匂いのタイミングと分布、合成香料の健康リスクなど、まだ多くの課題が残されています。

11. 熱銅ピラーバンプ

単一基板上に統合された電気的および熱的バンプ

熱銅ピラーバンプは、レーザーダイオード、半導体光増幅器、CPU、GPUなどのエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスのパッケージングに使用されるマイクロサイズの熱電デバイスです。

Nextreme Thermal Solutionsは、チップレベルでアクティブな熱管理機能を統合するためにこの技術を開発しました。この手法は現在、IntelやAmkorなどのテック大手によって、マイクロプロセッサやその他の先進チップをさまざまな表面に接続するために使用されています。

電流が基板を通過すると、熱バンプが熱を引き寄せ、もう一方のバンプに移動させます。このプロセスはペルチェ効果として知られ、これが熱バンプが電子回路からの熱を減らす仕組みです。

固体熱ポンプとして機能し、チップ表面に熱管理機能を追加します。現在の熱バンプは高さ約20μm、幅（直径）238μmです。次世代技術では、熱バンプの高さを10μmまで引き下げることが期待されています。

10. 二硫化モリブデン

二硫化モリブデン (MoS₂)

二硫化モリブデンは、低摩擦と堅牢性のため、エレクトロニクス分野で乾式潤滑剤として広く使用されている無機化合物です。シリコンと同様に、1.23eVのバンドギャップを持つ反磁性の間接遷移型半導体です。

粒子サイズ1〜100マイクロメートルの範囲で一般的な乾式潤滑剤として使用され、効率的なトランジスタ、フォトディテクタ、2ストロークエンジン、ユニバーサルジョイントの製造に利用されています。

2017年には、二次元二硫化モリブデンを用いて115個のトランジスタを含む1ビットマイクロプロセッサが構築されました。また、3端子メモリスタの作成にも使用されています。今後数年で、この化合物があらゆる種類の電子ガジェットの基盤になる可能性があります。

9. E-テキスタイル（スマート衣類）

電子テキスタイル（スマート衣類）は、デジタルコンポーネントとエレクトロニクスを埋め込んだ繊維で、着用者に付加価値を提供します。インテリアデザイン技術など、エレクトロニクスを繊維に統合することに依存する他の多くの応用があります。

この技術は、従来の繊維では不可能なこと（エネルギー伝導、通信、変形、成長）が可能であるため、革命的と見なされています。

スマート衣類の将来的な応用として、健康モニタリング、兵士の追跡、パイロットの監視などが開発される可能性があります。個人の生理学的モニタリング、通信、暖房、照明など、すべてがこの技術の恩恵を受けることができます。

8. スピントロニクス

スピントロニクス（スピンエレクトロニクス）は、固体物理学における電子の固有スピンとそれに関連する磁気モーメントを指します。従来のエレクトロニクスとは大きく異なり、電荷状態に加えて電子スピンを利用することで自由度を高めています。

スピントロニクスシステムは、データの効率的な保存と転送に使用できます。これらのデバイスは、ニューロモルフィックコンピューティングと量子コンピューティングの分野で特に注目されています。

この技術は医療分野（癌の特定）でも使用されており、デジタルエレクトロニクスに大きな可能性を秘めています。

7. ナノ電気機械システム（NEMS）

単結晶シリコンで作製されたナノ電気機械システムの電子顕微鏡写真 | Credit: H. G. Craighead

ナノ電気機械システムは、ナノサイズの電子要素と機械要素を統合して物理および化学センサーを形成します。いわゆるマイクロ電気機械システム（MEMS）からの論理的な次なる小型化ステップを形成します。

驚異的な特性を持ち、超高周波共振子から化学・生物学センサーまで、さまざまな応用への道を開きます。ナノ電気機械システムの重要な属性は以下の通りです。

• マイクロ波帯域の基本周波数
• フェムトグラムオーダーの有効質量
• アトグラムおよびサブアトグラムレベルの質量感度
• アトニュートンレベルの力感度
• 10アトワットオーダーの消費電力
• 1平方センチメートルあたり1兆個の要素に達する極めて高い集積度

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6. 分子エレクトロニクス

単一分子デバイスのイラスト

名前が示す通り、分子エレクトロニクスは分子を電子回路の主要な構成要素として使用します。材料科学、化学、物理学にまたがる学際的な分野です。

この技術により、シリコンのような従来の半導体を使用して現在可能なよりもはるかに小さな電子回路（ナノスケール）の開発が可能になります。このようなデバイスでは、電子の運動は量子力学によって支配されます。

分子サイズの要素のみで構成される回路全体の実現はまだ遠いですが、より多くのコンピューティングパワーへの需要の高まりと、今日のリソグラフィ技術の限界により、この移行は避けられないように見えます。

科学者たちは現在、分子セグメントと電極のバルク材料との間で再現性と信頼性のある接触を達成するために、興味深い特性を持つ分子の研究に取り組んでいます。

5. 電子鼻

電子鼻は、臭気の特定成分を識別し、その化学的構成を分析します。電子センサーのアレイとパターン認識のための人工知能ツールを含む、化学検出のメカニズムを備えています。

このようなデバイスは20年以上前から存在していますが、通常は高価で大型でした。研究者たちは、これらのデバイスをより安価に、より小さく、より感度良くしようとしています。

電子鼻機器は、研究施設、生産部門、品質管理ラボで、汚染、腐敗、不純物の検出などさまざまな目的で使用されています。また、医療診断やガス漏れ・汚染物質の検出による環境保護にも利用されています。

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4. 3Dバイオメトリクス

生体認証情報の利用は、特に銀行、法医学、公共安全に関連する分野で年々増加しています。ほとんどの生体認証は二次元画像を使用しています。

しかし、過去数年間でいくつかの高度な生体認証技術が開発されました。これには、3D指紋、3D掌紋、3D耳、3D顔認識技術が含まれます。

ヒューマンコンピュータインタラクションのためであれ、セキュリティ強化のためであれ、堅牢なバイオメトリクスには幅広い応用があります。

3. 電子皮膚と電子舌

ワインテイスティング用電子舌 | Credit: Kenny McMahon / Washington State University

動物や人間の皮膚の特徴を模倣する伸縮性、柔軟性、自己修復性を持つ材料は「電子皮膚」と呼ばれます。圧力や熱の変化に反応し、物理的相互作用を通じて情報を測定できる幅広い材料が存在します。

これらの材料は、義肢、ソフトロボティクス、健康モニタリング、人工知能など、有用な応用への新たな扉を開く可能性があります。新しい電子皮膚の将来的な設計には、高い機械的強度、優れた感知能力、リサイクル性、自己修復特性を持つ材料が含まれるでしょう。

一方、電子舌は味を測定し比較します。複数のセンサーを含み、それぞれ異なる反応スペクトルを持ち、有機・無機化合物を検出できます。

電子舌は、食品・飲料分野から製薬業界まで、さまざまな分野で応用されています。また、ターゲット製品のベンチマークや環境パラメータの監視にも使用されます。

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2. メモリスタ

メモリスタの概念は、1971年にアメリカの電気技師レオン・チュアによって導入されました。彼は磁束と電荷を結びつける追加の非線形回路素子の可能性を推測しました。

すべての電子回路は、インダクタ、コンデンサ、抵抗器などの受動コンポーネントで構成されています。第4のコンポーネントとしてメモリスタがあります。これは、低消費電力ストレージデバイスを作成するために使用される半導体です。

メモリスタは、以前に流れた電荷量を記憶しながら回路内の電流の流れを制御します。メモリスタは不揮発性コンポーネントで、非常に高いストレージ容量と速度を備えています。

メモリスタの特許には、信号処理、脳コンピュータインターフェース、再構成可能なコンピューティング、プログラマブルロジック、ニューラルネットワークへの応用が含まれます。将来的には、これらのデバイスをNANDゲートに代わるデジタルロジックの実行に適用できる可能性があります。

1. フレキシブルディスプレイ

Royole: 超薄型フレキシブルディスプレイ | Image Credit: Paul Sawers / VentureBeat

多くの家電メーカーがフレキシブルディスプレイに関心を示しており、スマートフォンやタブレットへのこの技術の適用に取り組んでいます。

フレキシブル基板（金属、プラスチック、ガラス）上のOLEDは、曲げられる最も有望な電子視覚ディスプレイの一つです。フレキシブルOLEDに使用される金属とガラスパネルは非常に薄く、軽量、耐久性があり、実質的に破損しません。

CES 2018では、LGが65インチ4K OLEDディスプレイのローラブルプロトタイプを発表しました。ボタン一つでテレビが広がり、不要な時は視界から収納されます。

2019年9月、サムスンはタブレットとしてもスマートフォンとしても使える新しい折りたたみスマートフォンを発売しました。

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現在の折りたたみデバイスには多くの欠点があり、高価すぎます。それらのほとんどは、大衆市場向けのデバイスというより、アーリーアダプター向けの概念実証デバイスです。しかし、フレキシブルディスプレイがまったく異なるものへと進化しており、テック業界全体に驚くべき発展をもたらす可能性があることは明らかです。