Tokyo Denki University Repository (TDU) / 学術リポジトリ

東京電機大学博士（理学）2020doctoral thesi

久下, 晃雅

クゲ, テルマサ

KUGE, Terumasa

学位論文審査の結果の要旨    
報告番号 先端科学技術 甲第一五一 号 氏 名 久下 晃雅 
論文題目  水素の気泡発生を伴う電極触媒反応における非線形現象の研究 
論文審査委員会 
 委員（主査） 教授  向山 義治  
 委員（副査） 教授  小川 英生 
委員（副査） 教授  安食 博志 
委員（副査） 準教授 足立 直也 
 
  
 研究の背景 
近年，水を原料とした水素製造法である電気化学的水素発生反応が注目されている。こ
の水素発生反応（Hydrogen Evolution Reaction, HER と略）は，最も基本的な電気化学反応
（2H+ + 2e- → H2もしくは 2H2O + 2e
-
 → H2 + 2OH
-）で，反応の機構や効率等に関して膨大
な知見が得られている。また，電極表面から発生する水素の気泡によって電極反応全体が
影響を受けることが知られており，この観点から，気泡による電解液の対流の挙動に関し
ても多くの研究がある。この影響は大きく分けて 2つある。一つは，気泡による電解液の
撹拌効果に基づく電極反応の促進効果である。もう一つは，気泡が電極表面を覆うことに
よる反応の阻害効果である。この阻害効果を細分すると，気泡が電極に付着することによ
る電極の実効面積の減少に由来するものと，電極から脱着した気泡による実効的な溶液抵
抗の増加に由来するものがある。特に後者は，電極表面を覆うほどの大量の気泡が発生し
たとき（この状況はバブルカーテンと表現されている），顕著に発現することが知られてい
る。一般にファラデー電流は電極電位に依存する。通常，HERによるファラデー電流と電
極電位の関係には線形的な挙動（溶液抵抗が支配的となりオームの法則が成立する状態）
が観測される。前述したように気泡が電極反応に様々な影響を及ぼすため，これらの電流
や電位が自発的に振動するという現象が出現することがある。 
 
                研究の目的 
本研究はこの非線形性がなぜ発現するかを明らかにすることを目的とした。HERを制御
する上で，非線形性は不都合であり，本研究の成果は，HERそのものだけでなく HERを
伴う電極反応の研究活動や応用分野に対して大きなインパクトを与えることが予想される。 
 
研究の内容 
著者が所属する研究室では，強酸性水溶液中で進行する HERに関する研究を進めてきた。
その先行研究により，電解液に Na2SO4や K2SO4などの支持電解質を加えると定電流電解時
における電極電位が自発的に振動することを見出している。また，硝酸イオンの電気化学
的還元反応に関する研究も進め，Cu電極を用いて硝酸イオンを還元すると電極電位や電流
の振動が発現することも見出している。気泡の発生のために電気化学測定の再現性が低く，
先行研究では，それらの振動の発現メカニズムを十分に説明できていなかった。 
本研究では，振動の発現メカニズムを実験的な裏付けに基づき説明した。特筆すべきは，
「高圧装置を用いた電気化学測定」及び「重力電極を用いた電気化学インピーダンス測定」
の方法を提案し，測定の再現性とデータの質を著しく向上させたことである。前者の成果
（高圧装置により得られた成果）については，文献 [1]としてまとめられている。後者の
電気化学インピーダンスの測定法は，容易に他の電極系へ適用できることから，今後，様々
な電極反応の解析に応用されることが期待される。 
また，学位請求論文に書かれた内容以外に，著者は低級アルコールの電気化的酸化反応
の研究成果（文献 [2]としてまとめられている）があり，論文受理のために最低必要条件
は十分に満たしている。 
 
[1] T. Kuge, T. Nishimoto, M. Kurohagi, K. Maeda, S. Yae, Y. Mukouyama, “Mechanism of 
Potential Oscillation during Electrolysis of Water in Acidic Solutions”, Electrochemistry, Vol. 
88, No. 3, pp. 157-164 (2020). 
[2] Y. Mukouyama, K. Iida, T. Kuge, “Electrooxidation of Ethanol on Pt in the Absence of Water”, 
Electrochemistry, Vol. 88, No. 3, pp. 178-184 (2020). 
 
以上、本論文において著者が検討して得た結論に記された事柄は、水素発生反応に対す
る気泡の影響を検討する点で極めて有用であると判断できることから、本論文の価値は学
術的な観点からも十分に評価できる。よって、本論文は博士（理学）の学位論文として十
分な価値を有するものと認められる。 


Nonlinear Phenomena Induced by Hydrogen Bubble Evolution in Electrocatalytic Reactions

頼松, 瑞生

ヨリマツ, タマオ

YORIMATSU, Tamao

A Study on Eto Sokuoh’s Legal Thought

張, 建

ZHANG, Jian

A Practical Study on the Use of Visual Materials in Teacher Training Courses ―Focusing on the Lesson of Sociology of Education―

山村, 嘉雄

ヤマムラ, ヨシオ

YAMAMURA, Yoshio

The Lurking Snark in the Mind of Lewis Carroll

鈴木, 榮一郎

スズキ, エイイチロウ

松井, 和彦

マツイ, カズヒコ

SUZUKI, Ei-ichiro

MATSUI, Kazuhiko

理工系学生に向けたバイオ概論の講義目的と教育効果
鈴 木 榮 一 郎＊・松 井 和 彦＊＊
The Lecture Purpose of the Biotechnological Outline for Students of 
Science and Technology and its Education Effect  
SUZUKI Ei-ichiro＊，MATSUI Kazuhiko＊＊
キーワード：バイオ，生物，理工系学生，教育効果，科学リテラシー
１．はじめに 
2017 年度より，前期・後期とも，月曜・金曜の
2 クラス同時開講している自然科学概論 D (バイオ
テクノロジー)(以下，バイオ概論)では，履修する学
生の大半がバイオテクノロジー（以下，バイオと略
す）以外を専門分野とする学科に所属する非バイオ
系学生であること，及びバイオを専攻するバイオ系
学生も含まれることを念頭にバイオ全体を俯瞰で
きる講義内容で構成している。また，質問・感想を
義務付け，質問回答に時間を割く他，覚えさせるの
ではなく考えさせることに重点を置く講義手法を
採用している。その結果，バイオ系学生からは，高
校までの生物と違って生命の原理・原則を学ぶこと
が出来た，また，非バイオ系学生からは，例えば，
将来建築士になった際に役立つバイオ的視点が得
られた，等の感想が寄せられるに至っており，毎年
400 名以上の学生が履修している。
２．高等教育におけるバイオの重要性 
ガイダンスの際に，授業を進める上での参考とす
べく，高校で「生物基礎」を学んだか，「生物」を
選択したかを学生にアンケートを取ると，「生物基
礎」を学んだという学生は多いが，「生物」を選択
したという学生は毎回少数で僅かに数名程度であ
る。また，「生物基礎」を学ばず，「生物」も選択し
ていないという学生も少なからずいることがわか
った（表 1）。高校における理科の必修は「科学と人
間生活」，「物理基礎」，「化学基礎」，「生物基礎」，
「地学基礎」のうちから 2 科目（うち 1 科目は「科
学と人間生活」とする。）又は「物理基礎」，「化学
基礎」，「生物基礎」，「地学基礎」のうちから 3 科目
を履修させる，となっていることを反映した結果と
思われる。
天然資源依存経済，化石資源依存経済に続く次の
世界的な経済の潮流はバイオエコノミーといわれ
る。“21 世紀の企業は先端技術と生物学の交差点か
ら発する”とアップルの創業者故スティーブジョブ
ス氏が指摘した通り，現代は，バイオが広範な産業
に応用され，社会的価値，経済的価値を創出し続け
（2020 年度後期の月曜クラスの結果） 
＊工学部自然科学系列 非常勤講師 Part-time Lecturer, Department of Natural Science, School of Engineering 
＊＊工学部自然科学系列 非常勤講師 Part-time Lecturer, Department of Natural Science, School of Engineering 
表１ 高校での生物科目の選択状況 
回答者 
全 83 名
「生物基礎のみ」履修 64 名
「生物」も履修 6 名 以上計 70 名 
いずれも履修せず 13 名 
東京電機大学総合文化研究　第19号　2021年 107
ており，今や世界中が国家戦略としてバイオエコノ
ミー戦略１）を構築して推進中であり，それにより持
続可能な循環型社会の形成や更なる経済成長を実
現しようとしている。また，バイオは持続可能な開
発のための 2030 アジェンダ（SDGs）の 17 の目標
の内の 10 以上に貢献できることなどを含めて，将
来如何なる職業に就くにしても，バイオの素養を身
に付けることの重要性は益々増大するばかりであ
る。 
 
３．設置目的及び講義概要と達成目標 
 
自然科学概論 A〜G の概論シリーズの設置目的
については，本学学生に求められる自然科学の基礎
的な素養を涵養し，科学リテラシーの向上に資する
とともに，自然科学や科学技術の有用性や面白さに
触れることで，その後の専門的な科学技術教育科目
への学習動機を高めることとしている。その中で，
バイオ概論では，工業，化学，医療，食，健康，環
境，農業など，我々の生活・社会が，どのような，
そして，どのようにバイオによって支えられている
かを概説する。そして，生物情報学など学際領域も
対象とし，非バイオ系学生にも有益な講義を目指し
ている。 
上述した高校時代に生物を選択したがらない傾
向の背景には，“覚えなければならないことが多過
ぎる”との理由を挙げる学生が圧倒的に多いことが
ある。そこで，ガイダンスでは，バイオ・生物学に
限らず，理科は暗記科目ではなく考える学問である
ことの説明から始める。また，広範な専門分野の出
身者が取り組む人類最大のテーマであることを実
感させる上でも，バイオに取組む基盤となる専門分
野の異なる 2 名の教員によるオムニバス形式とす
ることで，学生がバイオの奥深さを実感出来ること
を目論んでいる。具体的には，現在 1 名は微生物学
を基盤とした発酵工学，もう 1 名は機器分析を基盤
とした情報科学であるが，それ以外にも全世界の多
くの学問分野から先端バイオの研究開発への挑戦
が日夜遂行されていることを概説する。 
シラバスに明示してある各回の具体的講義項目
は，次の通りである。 
 
第 1 回 ガイダンス（バイオの概要，及び，授業
の運営方法の説明） 
第 2 回 食とバイオ：伝統食品（酒類，味噌・し
ょう油，食酢等）と近年の食品（うま味調味料，食
品加工における酵素の利用等）の生産 
第 3 回 医療・健康とバイオ（１）：医薬品のも
とになる生物が生産する化合物，病原微生物 
第 4 回 医療・健康とバイオ（２）：腸内細菌，
バイオを活用した診断 
第 5 回 バイオの基幹技術としての遺伝子工
学・細胞工学および生体触媒の基礎  
第 6 回 生物情報学：生物情報の基盤となる遺
伝子のデータとそこから得られる情報，ウェブツー
ルとデータ解析法 
第 7 回 工業・化学とバイオ（１）：化学品の生
産とその基盤となる細胞システム  
第 8 回 工業・化学とバイオ（２）：生体触媒の
特色と化学品の生産 
第 9 回 環境とバイオ（１）：環境微生物の生態
と物質循環 
第 10 回 環境とバイオ（２）：光合成のしくみ，
植物の成長と土壌微生物 
第 11 回 環境とバイオ（３）：水の浄化，土壌の
浄化，バイオプラスチック 
第 12 回 農業とバイオ：遺伝子組換え作物 
第 13 回 ガイダンス時に出された課題に対する
グループ発表会 
第 14 回 学力考査及び解説 
 
2017 年の設置当初は，現在では第 5 回に実施し
ている狭義のバイオである遺伝子工学等に関する
講義を第 2 回の内容としていたが，それだとバイオ
は難しいものとの印象になってしまう傾向があっ
た。そこで，バイオが日常生活と密接な関りがある
ことを実感させ，バイオへの親近感と興味を喚起す
べく食と医療におけるバイオを先行させることに
した経緯がある。これと引き換えに，当初のガイダ
ンスでは，学生の選択判断のために簡潔な 45 分版
を 2 回実施していたが，ガイダンス内容を充実さ
せ，我が国の木原均博士のゲノム説確立２）による遺
伝進化学における先駆的業績，理論物理学の大家で
あるエルヴィン・シュレディンガー博士による物理
Bulletin of Tokyo Denki University, Arts and Sciences No.19 2021108
学の応用による生物学の新しい研究領域の提唱３），
後者に触発されたワトソン博士によるDNA二重ら
せん構造の発見４）などが現代バイオの根底にある
ことを概説し，人類の英知の結集による生命の原理
に関する基本概念（コンセプト）の重要性を十分に
理解した上で，第 2 回へと進むことにしている。 
最後に，このバイオ概論の履修による達成目標は， 
(1) 本科目で取り扱われる理工系の基礎知識を十
分に理解し説明できる。 
(2) 本科目の学習を通じて，技術者として必要な新
しい科学技術の獲得に努めることができる。 
(3)我々の生活・社会が，どのような，そして，どの
ようにバイオによって支えられているかの概要を
理解し説明できる。 
とシラバスに明記している。 
 
４．講義手法と授業形態・評価方法 
 
2021 年度の授業実施方法は，基本ハイブリッド
型授業の形態であり，学生を 2 グループに分け，
登校者が原則 2 分割されている。これに伴い，教
室での対面授業を Zoom による遠隔授業としても
同時配信している。履修生は，登校日・非登校日の
別に応じて，対面または遠隔いずれかの方式で全員
同時に同じ授業を受ける。対面での履修生も PC を
必携としている。新型コロナウィルスのパンデミッ
クで我が国に入国出来ない留学生等の特段の事情
に基く申し出により遠隔のみでの受講を許可され
た履修生は，対面授業回も遠隔授業を受けている。 
講義ではパワーポイントを主に使用し，そのスラ
イドを WebClass 上に PDF として事前掲載するこ
とで，それを毎回の事前・事後に閲覧可能とし，毎
回の授業開始時までに，指定されたこれらのシステ
ムへのアクセスを予め済ませておくとともに，事後
に講義動画も再視聴可能としている。 
授業形態は，講義が基本であるが，一部に後述の
グループワーク含む。関連科目は，生物学，化学生
物実験である。指定する教科書は特にないが，参考
図書としては，例えば，田村隆明著 「しくみから
わかる生命工学」（裳華房）を挙げている他，生物
工学会等の推奨する図書等を紹介している。 
次に，評価方法は，小テストやレポートなど授業
時の成果物 50％（達成目標（2）），学力考査（筆記
試験，及び期末レポート）50％（達成目標（1）及
び（3））；元々，バイオ概論では，小テストやレポ
ート提出等授業時の成果物 30％（達成目標（2）），
学力考査（筆記試験）70％（達成目標（1）及び(3)）
としていた。その上で，2021 年度前期においては，
ハイブリッド型授業となり，かつコロナウィルス感
染症に関わる特段の事情がある学生は遠隔のみの
受講が可能であり，受講生全員を教室に集めての期
末考査の実施は想定されていないため，授業時の平
常点の比重が高くなるとした。 
事前・事後学習 については，詳細は，ガイダンス
時及びその都度指示するが， 
【事前学習（60〜100 分）】資料の該当項目を理解
すべく，毎回の授業前には，講義で指示する範囲等
について，充分な予習を指示している。 
【事後学習（60〜100 分）】講義内容の要点整理を
行うことで，毎回の授業後には，その回の講義内容
について，充分な復習を指示している。 
アクティブラーニングの実施策としては，シラバ
スに【反転授業及び課題に関するグループワークの
実施】と明記して，ガイダンス時にある課題を出す
ので，それについてのグループワークを行なわせる
とし，履修届が確定した時点で 6 名以上 11 名以内
（平均的には 7 名程度）の計 15 程度のグループを
編成している。講義で得た知識も活用して，まず個
人で考究・調査・思索の後，グループ編成後に議論
を重ねて，講義最終週にパワーポイントでプレゼ
ン・討論させている。今年度の実際の課題は，「取
り組むべきバイオ研究のテーマの提案」であり，１）
研究手順，２）成功した場合に注意しなくてはなら
ない点，３）失敗した場合でも得られることは何か，
等々についてグループ発表会を実施している。 
その他，【ICT の活用】として，PC，タブレット，
スマートフォンを活用させており，Zoom・Box な
ど学習支援システムの各種機能を利用して教材提
示・問題演習・質疑応答・出欠確認などを行ってい
る他，質問への対応（オフィスアワー等）としては，
授業中に積極的に質問を促す他，e-mail で受け付
けている。 
尚，学習上の助言としては，学習内容は一般のニ
ュースでもよく扱われるものが含まれるので，講義
東京電機大学総合文化研究　第19号　2021年 109
に関連するニュースやウェブ情報を，そのサイトの
信頼性に配慮しつつ，積極的に調べることを推奨し
ており，特に，「あなたにとって，バイオを学ぶ上
で最も有用な WEB サイトは何処だったか？」を期
末考査の設問に加えることを予告周知することに
より，日常の学習意欲を向上させている。
５．履修した学生の感想文にみられる教育効果 
期末考査では，2021 年前期金曜クラス履修者 97
名に講義感想文を課した（100 点満点中の 5 点分）。
その結果，平均一人約 4 百字，総計約 4 万 2 千字
の自由記載の感想文を得たので，それを 1 ファイル
としてキーワード検索したヒット数（下記において
「キーワード」右脇の数値）をもとに教育効果を考
察したい。 
まず，理科は暗記科目ではなく考える学問である
としたことについては，「理解 62」「学ぶ 33」「学ん
（だ）39」「知識 68」とカウントされ，理解を深め
つつ学んで知識を獲得する取組み姿勢は，ある程度
浸透したと思われる。特に，「今までただ暗記する
だけで何もおもしろくなかった生物学の用語一つ
にも，物理的な作用が働いているということを知っ
てから，今までとは生物学の分野が全く違って考え
られるようになりました。」との率直な感想は模範
的であり期待通りである。 
次に，科学技術の一大分野であるバイオの有用性
や面白さに触れる講義内容を目指していることに
ついては，「興味 97」「面白 41」「楽し 21」「分か
（った）40」「身近 28」となっている一方で，これ
らに比して「難 20」「残念 3」は少数であったこと
からも，一定の成功は認められるのではないかと思
われる。中では，「大学に入り今回のバイオ分野の
講義を受けて，身近な所でバイオが利用されている
のを知り，高校の時よりバイオについて深く知れた
のでとても良かったです。」との感想は喜ばしい。 
また，一方向な講義でなく履修を通じて仲間をつ
くる機会を付与すべくグループワークを採用した
ことについては，「グループ 96」「発表 80」「仲間・
メンバー18」と高い印象度・体験実感があった。特
に，「グループ活動を通して，初めて先輩と関わる
機会があり，他学年との交流で課題解決をすること
ができたため，有意義な時間を過ごすことが出来
た。」との感想が印象的である。 
全体としての満足感については，「良かった 18」
「ありがとうございました 14」などの感想があっ
た。その他，一般的理解では非バイオ系学科である
建築学科の学生からは，当初バイオは異分野との認
識だったと思われるが，「今後バイオを使った，自
然を生かした，それとの共存を考えながら建築を考
えていきたいと思った。」「私は将来建築士になるこ
とを目指しているが，人にとって良い建築というの
はデザインや機能性，安全性，住環境など色々な要
素から成り立つはずである。その際に，他の班のプ
レゼンテーションでもあったように微生物によっ
て住環境が変化する可能性など，建築分野にもバイ
オを活用していくことは出来ると感じた。」などの
感想があったのが印象的である。 
尚，分野別の関心・傾向については，「食 113」
「化学 37」「医 35（遺伝子 37；ウイルス 27 内コ
ロナ 17；PCR16；DNA9）」「環境 57（微生物 34；
菌 51；発酵 15；酵素 2；バイオマス 14；プラステ 
ィック 21）」「農 17」「情報 25」であり，他に先行
して解説した「食」が断然多いものの，全体にバラ
ンス良く分布している。
その他のヒット数の多いキーワードは，「生活 34」
「生物 120（バイオ 264）＆「技術 48」「テクノロ
ジー214（内バイオテクノロジー211）」であった。 
 以上講義感想文の解析結果からは，総じてバイオ
概論の設置目的を果たしていると思われる。今後も，
改善に改善を重ねて何らかの形で可能な限り多く
の理工系学生にバイオの素養を身に付けさせるこ
との意義に迷いの余地はないと確信する。
参考文献 等 
1．我が国の場合，バイオ戦略 2021（内閣府）
2．木原均『染色体と遺伝』科学 2 巻 4 号〈岩波〉(1932）；
『小麦の祖先』創元社〈百花文庫〉，1947 年，1 頁
3．『生命とは何か物理的にみた生細胞』岡小天・鎮目恭夫共
訳，岩波書店〈岩波文庫〉，2008 年
4. J. D. Watson 著（江上不二夫・中村桂子 訳）『二重らせ
ん』講談社，2012 年
Bulletin of Tokyo Denki University, Arts and Sciences No.19 2021110


The Lecture Purpose of the Biotechnological Outline for Students of Science and Technology and its Education Effect

佐藤, 修一

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20E-01 
課題名（和文） 環境負荷低減型有機 EL デバイスの劣化挙動の解明とさらなる低電圧駆動の実現 
課題名（英文） Development of environmentally friendly organic EL device and their driving circuits. 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部、電子システム工学科、准教授 
氏名 佐藤修一 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では、日本で購入できる材料で“有機溶媒を使用せず”に低コストの有機 EL デバイスを製作し、そ
の発光特性や切り替え速度の長期安定性を解明する研究を行った。 
有機溶媒を使用せず作製するタイプの有機 EL デバイスでは、製膜時のピンホールなどの発生により発光し
ないデバイスになる確率が高いため、それを改善するために新たに電子輸送層を形成させた有機 EL デバイス
の開発にも取り組んだ。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
We newly develop an environmentally-friendly low-cost organic EL device using water-soluble organic 
phosphor.  And then, we develop the driving and measurement electronic circuits.  We systematically 
investigated the durability of the electro luminescent and switching properties in different preparation 
process for the device simulator.   
 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
近年、有機 EL(エレクトロルミネッセンス)ディ
スプレイは、液晶ディスプレイと違い別途バック
ライトを必要としないため、軽量化や薄型化が可
能であり、注目を集めている。しかしながら、有
機 EL は発光層以外にも様々な層が形成される多
層構造を有しており、製造過程において大規模な
真空装置や精密作業が必要であり、製造コストが
高くなってしまうといった欠点がある。一方、加
工性に優れ、低コストで実現可能な塗工方式で作
製する有機 EL も近年注目されている 
2.研究の目的 
本研究では、欠陥を生じにくく、より発光層に
電子を注入しやすくするために、電気的プロセス
で発光層上に導電性高分子のホール注入層を形
成させた異なるプロセスを混合させて調製する
塗工型有機 EL 素子を作製し、その電気特性およ
び光学特性について系統的に研究を行った。加え
て、従来の有機溶媒を使用して作製するタイプの
ものから、“有機溶媒を使用せず”に製作できるタ
イプの開発にも挑戦した。 
 
図１ 有機 EL デバイスの構造 
3.研究の方法 
本研究で作製した導電性高分子 PEDOTをホー
ル注入層として用いた塗工方式による有機 EL デ
バイスの層構造を図１に示す。透明電極である
ITO 上に電解プロセスによって EDOT を重合し、
PEDOT 層を形成させた。次に、ポリパラフェニ
レンビニレンの誘導体である MEH-PPV 層を発
光層として、スピンコート法とディップコート法
にて形成させた。電子注入層として、流動性の高
いガリウム・インジウム合金（Ga-In）を用いて、
その上に ITO 基板で封止したデバイス構造をと
っている。 
4.研究成果 
スピンコート方式で作製したデバイスの発光
時の様子を図２に示す。デバイスの中央に MEH-
PPV に起因する橙色の発光が観察され、導電性高
分子を用いた有機 EL デバイスの作製に成功し
た。 
 
図２ 塗工式有機 EL デバイスの発光時の様子 
 図３にはディップコートとスピンコートによ
りMEH-PPV層を形成させた有機ELデバイスの
電流電圧特性を示す。薄膜にしやすいスピンコー
ト方式で作製したデバイスはある電圧を境に電
流が急に流れ出す半導体特有の現象を示してお
り、膜厚保が厚いディップコート方式のものは直
線であり、発光しなかった。発光層を薄膜にする
ことで、低電圧で駆動する有機 EL デバイスを作
製することが可能であることを明らかにした。 
 
図３ 塗工式有機 EL デバイスの電流電圧特性 
 最後に図４のように導電性高分子層を削除し、
そこに水溶性の樹脂に赤色蛍光体を混入させた
シンプルな有機 EL を製作したが、発光層内部の
欠陥により発光するデバイスへの成功率が低く
なってしまった。 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
図４ 非有機溶媒型の有機 EL デバイス 
 
5.主な発表論文等 
〔学術論文〕（計 1 件） 
S. Sato, J. Yamauchi, Y. Takahashi, S. 
Kanehashi, K. Nagai  Effects of nanofiller-
induced crystallization on gas barrier 
properties in poly(lactic acid)/montmorillonite 
composite films  59(27),pp.12590-12599 
2020/7/1 査読あり 
                                                      
 
 


Development of environmentally friendly organic EL device and their driving circuits.

足立, 直也

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20L-06 
課題名（和文） 糖類を選択的に認識可能な液体性共役系化合物の合成およびセンサーへの応用 
課題名（英文） 
Synthesis and sensor application based on conjugated compound fluids for selective 
sugars sensing 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部、理工学科・理学系、准教授 
氏名 足立 直也 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
新たな構造の糖類認識部位を導入した室温下で液体性の共役系化合物の合成に成功した。この化合物は-10℃
程度から室温まで結晶化することなく液体状態を保持し続けることを確認することができたことから、室温下
で液体性の化合物であることが明らかとなった。次に、糖類認識脳について調査を行ったところ、THF/水の混
合溶媒中においてグルコースを添加すると、蛍光強度が大きく増加した。そのため、合成した共役系化合物が
糖類認識能を有することが明らかとなった。しかし、共役系化合物の薄膜を用いて固体状態の糖類認識能につ
いて検討を行ったが、共役系化合物の薄膜にグルコースを接触させても蛍光応答性は見られなかった。この結
果から固体の糖類の認識能は示さなかったため、さらなる改良が必要であることが分かった。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we developed chemical sensors for glucose based on conjugated oligomers with 
phenylboronic acid. We synthesized conjugated oligomer (OPV 2) with phenylboronic acid and investigated 
by fluorescence measurement for glucose chemical sensors. The fluorescence spectrum and intensity of 
OPV 2 was changed from 375 nm to 380 nm by addition of glucose solution. This change is due to the 
phenylboronic acid moiety of OPV 2 captured hydroxy groups in glucose. These results suggested that the 
synthesized OPV 2 is turn-on type fluorescence chemical sensors for glucose. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
共役系化合物を用いた化学センサーは、検出対象に
あわせた分子認識部位を導入することで生体関連物
質、糖類、や、酸・塩基などを溶液中で蛍光特性の
変化から選択的に検出することができる。しかし、
薄膜状態で共役系化合物は分子間相互作用により自
己集合を起こすと蛍光特性が制限されてしまうた
め、溶液中以外の環境での分子認識能に関して課題
を残している。そのため、「分子間相互作用の制御」
と「分子認識部位」を両立した共役系化合物は、固
体・気体分子を認識できると考えた。 
2.研究の目的 
本研究の目的は、「分子間相互作用の制御」と「分
子認識」を両立した液体性共役系化合物を合成し、
その糖類認識能について蛍光特性および蛍光色の変
化から明らかにすることである。そして、実際に合
成した液体性共役系化合物を用いて、溶液中および
固体の糖類を認識できるか、認識により蛍光色が変
化するか、溶液中と固体の糖類で蛍光特性の変化に
違いが生じるかについて確認する。これにより糖類
を認識可能な共役系化合物の構造的な知見、糖類認
識による蛍光特性の変化および、糖類の構造と蛍光
色変化の関係が明らかになると考えている。 
3.研究の方法 
 
Scheme 1. Synthesis of OPV 1 and 2 
合成した共役系化合物の構造および反応経路をス
キーム 1 に示した。 
2,4-dihydoroxybenzoic acid methyl ester に長鎖
アルキル基を Williamson 反応により導入した後、
DCCを用いた縮合反応を行いアミド基を持つ1を合
成した。これに対して、4-methylpyridine のメチル
基を臭素化後、トリフェニルホスフィンを反応させ
てリンイリド体 2 を合成した。それぞれ合成した 1
と 2 を tBuOＫを触媒として Wittig 反応により反応
させることで目的とする室温下液体性の OPV 1 を
得た。さらに、OPV 1 のピリジン環にフェニルボロ
ン酸部位を導入した OPV 2 を合成した。 
 合成したOPV 2をTＨＦ溶媒中に溶解もしくは基
板上に塗布し、グルコース認識能について吸収・蛍
光スペクトル測定および目視による蛍光色変化観察
を行うことで検討を行った。 
4.研究成果 
合成した OPV 2 の融点を調査したところ、−10℃
まで固体化しないことが冷却下における顕微鏡観察
により明らかとなった。そのため、合成した OPV 2
が室温下で液体性の化合物であることが分かった。 
 次にグルコース認識能について検討を行った。
OPV 2 の THF 溶液に対してグルコース水溶液をモ
ル濃度比で 0.1〜10 倍になるように混合溶液を調整
し、蛍光スペクトル測定を行った。その結果、OPV 2
はグルコース濃度が上昇することで蛍光強度が上昇
する Turn-on 型の蛍光応答性を示した。この結果か
ら、OPV 2 はグルコースの添加により蛍光強度が増
加することでグルコースを認識することが明らかと
なった。さらに OPV 2 の薄膜に対して固体のグルコ
ースを接触することで蛍光色が変化するか確認を行
った。しかし、蛍光色の変化は観察されなかったた
め、固体のグルコースを認識することはできず、さ
らなる分子構造の改良が必要だと分かった。 
 以上の結果から、新規な液体性 OPV の合成に成功
した。この OPV は溶液中ではグルコース認識能を示
したが、固体のグルコース認識能は示さなかったこ
とが明らかとなった。 
5.主な発表論文等 
〔招待講演〕（計 1 件） 
① 足立直也「共役系有機液体を用いた色の変化で
検出できるガスセンサ」色材セミナー2021 
2021/3/24 オンライン 


Synthesis and sensor application based on conjugated compound fluids for selective sugars sensing

小松, 聡

関戸, 雅斗

セキド, マサト

荒井, 建輝

アライ, タツキ

岩井, 一剛

イワイ, カズヨシ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q19J-02 
課題名（和文） 自己校正可能なオンチップ時間計測・時間差生成システムの自動生成とその応用 
課題名（英文） 
Automatic generation framework of on-chip time measurement system with self-
calibration capability 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電子システム工学科 教授 
氏名 小松 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電気電子工学専攻 修士課程 
氏名 関戸 雅斗 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電気電子工学専攻 修士課程 
氏名 荒井 建輝 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電気電子工学専攻 修士課程 
氏名 岩井 一剛 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本文（９ポイント：明朝） 
本研究では、近年重要性が増している SoC のシグナルインテグリティ、パワーインテグリティの問題につい
て、その影響を VLSI チップ上で評価・テストするために、遅延時間の高分解能な測定および任意の時間差を
生成することを目的とした「オンチップ TDC/DTC 混載システム」の設計とそれを自動生成するシステムの
構築を行った。自動設計を行うことが可能な TDC 回路、DTC 回路を提案し、それらの評価を行うことで SoC
設計の高効率化に資することができることを示した。 
 
研究成果の概要（英文） 
本文（９ポイント：Century） 
Recently, signal integrity and power integrity have become serious concern in high performance SoC 
design. To evaluate the signal integrity and power integrity of SoC, high precision time measurement 
system is necessary. However, designing such time measurement system needs long design time. In this 
study, we developed an automatic generation framework of on-chip time measurement system to reduce 
design time. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
現在の高度情報化社会において、システム・オ
ン・チップ(Sysnte-on-Chip; SoC)は様々な用途に
用いられ、必要不可欠な存在となっている。しか
し、最先端の微細プロセスを用いた VLSI では、
製造ばらつきなどによる回路の遅延時間のばら
つきが無視できなくなっており、タイミングマー
ジンを大きく取った設計では十分な性能を実現
できず、また、必要なタイミングマージンを取ら
ずに設計した場合は製造後に回路上で誤動作が
発生する、といった問題が起こり得る。このよう
な課題に対応するために、VLSI チップ上での高
分解能な時間測定回路である「時間-ディジタル変
換器（Time to Digital Converter; TDC）」、高分解
能な時間差生成回路である「ディジタル-時間変換
器(Digital to Time Converter; TDC)」が提案され
てきているが、それらの回路の設計に長い設計期
間が必要であり、製品サイクルの短いアプリケー
ションへの応用には適していない。本研究課題で
は、今後の SoC 開発における回路内の信号の高精
度な時間計測、高精度な時間差の生成を中心とし
た回路のデバッグを支援するための技術に取り
組む。 
2.研究の目的 
本研究では、以下の項目を目的として研究を行
った。 
(1) 極微細テクノロジーを用いた SoC 開発に必要
な、高分解能な TDC 回路と DTC 回路の実現 
(2) それを SoC 上に実現する際に、短期間での設
計を実現する TDC/DTC混載システムの自動生成
技術の確立 
(3) 提案 TDC/DTC 混載システムの応用例による
提案手法の有効性の実証 
3.研究の方法 
(1) 高分解能な TDC 回路と DTC 回路の設計 
図 1 に示すような自己校正可能な TDC/DTC シ
ステムを設計し、回路シミュレーションおよび実
デバイスの試作、測定を通じて評価を行う。スタ
ンダードセルを用いて TDC 回路、DTC 回路を設
計することで、アナログ回路としての特性は劣化
するが、商用の設計ツールの支援による設計自動
化が実現でき、短期間での設計環境を構築するこ
とが可能となる。 
(2) TDC/DTC 混載システムの自動生成技術 
図 2 に TDC/DTC 混載システムの自動生成かｎ
今日を示す。設計する TDC, DTC に要求される仕
様とスタンダードセルのライブラリをもとにオ
ン チ ッ プ TDC/DTC 自 動 生 成 シ ス テ ム が
TDC/DTC 混載システムを自動生成し、その生成
された設計データから商用の自動設計ツールを
用いて最終的な設計データが得られる。この環境
を用いて実際に TDC/DTC 混載システムを設計・
試作し、評価を行う。 
(3)応用例による提案手法の有効性の実証 
(1)(2)の技術を用いて、実際の VLSI チップに現
実的なアプリケーションを実装して評価を行い、
提案手法によるデバッグ効率の評価を行う。 
4.研究成果 
(1) 高分解能な TDC 回路と DTC 回路の設計 
 
図 1 自己校正可能な TDC/DTC システム 
 
図 2 TDC/DTC 混載システムの自動生成環境 
Sref
Sout
Sin
入力コード
等しくなるように TDC/DTC 特性制御値を制御
出力コード
DTC
DTC DTC
TDC
Calibration
制御回路
(Digital)
時間差指示値
時間差指示値
時間差測定値
TDC 特性制御値
DTC 特性制御値
キャリブレーション動作時
0110011
出力コード
0110100時間差
オンチップ
TDC/DTC
自動生成システム
論理合成ツール
配置配線ツール
仕様
時間分解能，面積
消費電力
など
スタンダードセル
ライブラリ
Verilog-HDL 記述
最終的な設計データ
商用ツール
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
スタンダードセルを用いた自己校正可能な DTC
回路を実現するために、図 3 のような DTC 回路
を用いた。この回路の校正機能を評価するため
に、環境変動として電源電圧変化を注入した場合
の入力ディジタル値と遅延時間との関係を回路
シミュレーショ 
ンによって評価した（図 4）。この結果より、外部
からの環境変動やプロセスばらつきによる DTC
回路の特性が変動したとしても、任意の遅延時間
を生成 
可能な校正を行うことができると言える。 
(2) TDC/DTC 混載システムの自動生成技術 
スタンダードセルを用いた TDC/DTC混載シス
テムを自動生成するために、様々な製造プロセス
と設計ライブラリに対して、仕様レベルからゲー
トレベルと RTL レベルで記述された ADC / TDC 
/ DTC 回路を自動生成し、最終的な回路レイアウ
トを生成するシステムを構築した。図 5 に様々な
製造プロセスで設計した ADC を示す。また、校
正可能な DTC 回路を実現する際に必要となる可
変容量キャパシタを実現するために、マニュアル
レイアウトのセルをスタンダードセル化する機
能も実現した。 
(3) 今後の展望 
 
図 3 校正可能な DTC 回路 
 
図 4 電源電圧変動に対する遅延時間の変化 
上記の成果から、自己校正可能なオンチップ時
間計測・時間差生成システムの実現とその自動生
成技術について基本的な技術を確認できた。一方
で、生成されたオンチップ時間計測・時間差生成
システムの評価については現在研究を継続して
おり、今後、それらの成果も発信していく予定で
ある。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 平野皓士, 小松聡, “自動配置配線可能な温度
センサセル,” 2021 年 電子情報通信学会 総
合大会 C12-2, 2021 年 3 月.オンライン. 
② 福島拓実, 小松聡, “スタンダードセルによる
Rail-to-Rail ハイブリッドコンパレータ ,” 
2021 年 電子情報通信学会 総合大会 C12-6, 
2021 年 3 月.オンライン. 
 
  
  
図 5 様々な製造プロセスで設計した ADC 


Automatic generation framework of on-chip time measurement system with self-calibration capability

小曽根, 崇

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20K-02  
課題名（和文） 
１次元配位高分子を原料とした配位子置換反応による二次元構造への機織り合成と磁気
物性評価 
課題名（英文） 
The unique synthesis of 2-dimentional coordination polymers Fe(L)2[M(CN2)]2 by 
solid state 1-D chain coordination polymer immersed in ligand (L) solution: structure 
and magnetic properties 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 理学系 助教 
氏名 小曽根崇 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
 本研究成果は、二次元シート構造を持つ新規ホフマン型アクア錯体 Fe(H2O)2[(CN)4]・2(1.4-ジオキサン) (M 
= Pt, Pd)の合成を行ない、得られたプレート状結晶に対しレイヤーバイレイヤー法によるコアシェル構造の
構築を試みた。加えて、結晶に配位子溶液を含浸させることで、結晶の内側に対してシェル構造を成長させる
新奇手法を開発した。両手法から得られたコアシェル構造の構造・物性についての比較をおこなってきた。 
 
研究成果の概要（英文） 
 Hofmann-like spin crossover (SCO) coordination polymers (CP) were constructed by traditional core-
shell method and new unique self-assembly process. Hofmann-like SCO-CP Fe(ligands)2[M(CN)4] (M = Ni, 
Pd, Pt) can be only modified axial ligands (L) at octahedral Fe site. We prepared new Hofmann-like 
coordination polymer with aqua ligand Fe(H2O)2[Pd(CN)4]･2G (1), Fe(H2O)2[Pt(CN)4]･2G (2) (G (guest 
molecule) = Dioxane, H2O, acetone) as core framework. Compounds 1 and 2 are immersed in aqueous 
solution of any pyridine derivatives (L) for 1~2 days. Then, ligand exchange reaction is occurred in solid 
(1 and 2)-liquid (L) phase, resulting Fe(L)2[Pd(CN)4]･2G (1’) and Fe(L)2[Pt(CN)4]･2G (2’) were obtained. 
The crystal structures and magnetic properties for 1’ and 2’ have been studied. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
Fe(II) のスピンクロスオーバー (SCO) 錯体は
磁性－非磁性のスピン状態転換を起こす単分子
磁性体であり、合成、物性研究が活発である。SCO 
はその構造に起因して、物性が多様に変化してし
まう。よって、構造が制御された物質系を確立し
ない限り、実用材料に向けた物性制御は達成され
ない。Fe(II) を組み込んだホフマン型配位高分子 
Fe(L)2[Au(CN)2]2 は配位子 L のみを変えること
で、様々な SCO 挙動を示す。L 以外の部分に着
目すると、二次元シート構造 Fe[Au(CN)2]2 を形
成している。L を脱離後に異なる配位子 L' を配
位させることができるなら、同一構造体に制御さ
れた、配位子の違いのみに依存した SCO 特性発
現が可能な物質群が得られると考えた。 
2.研究の目的 
本研究ではホフマン型配位高分子の特徴であ
る二次元構造の安定性を活かし、出発物質となる
１次元鎖配位高分子 Fe(H2O)2[Au(CN)2]2 を自己
組織化させ二次元シート構造に編み上げる合成
手法の開発、そして配位子再構成による SCO 特
性変換を目的とする。 
3.研究の方法 
(1) コ ア シ ェ ル 構 造 の 構 築 : 
[(C4H9)4N]2[Ni(CN)4] を 0.1 mmol と pyridine 
を 1 mmol 以上加えたエタノール溶液を 10 ml 調
製した。一方 Fe(BF4) 2･6H2O を 0.1 mmol と 
pyridine を 1 mmol 以上加えたエタノール溶液
を 10 ml 調製した。2 つの溶液に 1 の単結晶サン
プルを交互に 30 回浸漬した。同様の操作を 2 で
もおこなった。浸漬後のサンプルを冷やすとスピ
ンクロスオーバーと思われる色の変化を確認し
た。また走査電子顕微鏡で浸漬する前後のサンプ
ル表面を元素マップで分析した 。 
(2) 二次元層状構造を持つ固相のアクア錯体にピ
リジン系配位子 L の溶液を含侵させて、固相―液
相で同様の交換反応が可能か実験した。固相の層
状構造を維持したまま、配位子のみを置換する設
計的構造制御を試みた。二次元層状構造のアクア
錯体 Fe(H2O)2[Ni(CN)4] ·2G (G = 結晶溶媒) の
0.2 mm2 程度のプレート状単結晶を作成する。こ
の結晶に L (L = ピリジン, ピラジン 他) を各種
溶媒に溶かした溶液を滴下、静置し配位子置換を
おこなった。反応後のサンプルについて、単結晶
X 線回折、粉末 X 線回折、熱分析、各種分光分析
等からサンプルの構造、組成を同定した。 
4.研究成果 
配位子に使用した溶媒に依存して配位子置換反
応が進む（溶媒 = 水、エタノール）、全く進まな
い（溶媒 = アセトン、1,4-ジオキサン）サンプル
があった 。この結果は、Id 機構の反応速度モデル
である eigen-wilkins 機構から考えると、溶媒の
種類に依存して、解離するアクア配位子の溶媒中
への拡散速度に違いが現れていると思われる。本
研究成果から、配位高分子構造を一定に保ったま
ま、配位子置換反応を進行させることが可能であ
ることが明らかになった。この手法は構造と物性
の相関が非常に強い物質系において物性制御の
新たな手法となりうる。 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計１件） 
① T. Kosone*, et al, “A new systematic construction of 
novel 3-dimensional spin crossover coordination 
polymers based on [AgI2(CN)3] building unit”, 
ACSomega, accepted (2021)、査読あり 
〔学会発表〕（計４件） 
① ○小曽根 崇・新井 駿祐、「二次元層状構造
を持つ鉄(II)アクア錯体（固体）への配位子（液
体）含浸による配位子交換反応を利用したホ
フマン型構造の新奇構造設計手法」日本化学
会第 100 春季年会, オンライン, 2021 年 3 月
(口頭講演) 
② 小曽根 崇・〇新井 駿祐、「二次元シート構
造を持つ新規ホフマン型錯体の合成および
コアシェル構造の構築手法の検討と物性評
価」日本化学会第 100 春季年会, オンライン, 
2021 年 3 月(口頭講演) 


The unique synthesis of 2-dimentional coordination polymers Fe(L)2[M(CN2)]2 by solid state 1-D chain coordination polymer immersed in ligand (L) solution: structure and magnetic properties

駒野, 誠

コマノ, マコト

KOMANO, Makoto

Grab infinity ―Middle and high school mathematics is a subject to learn how to learn―

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