| Project/Area Number |
23KK0071
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (International Collaborative Research)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
福島 誉史 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10374969)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清山 浩司 長崎総合科学大学, 工学研究科, 教授 (60412722)
梶原 一宏 長崎総合科学大学, 工学研究科, 講師 (10779937)
木野 久志 東北大学, 医工学研究科, 特任准教授 (10633406)
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| Project Period (FY) |
2023-09-08 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2027: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2025: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
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| Keywords | エネルギー貯蔵 / ロールトゥーロール / フレキシブルデバイス / 絶縁破壊電圧 / DC-DCコンバータ / 高分子誘電体 / トレンチキャパシタ / FHE / エネルギー / 蓄電池 / フレキシブル / マイクロ・ナノ加工 |
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| Outline of Research at the Start |
間欠的な再生可能エネルギー資源から各家庭でエネルギーを貯蔵し、効率的に利用できる環境負荷の少ない蓄電デバイスとして、安価な高分子シートの両面に立体的な電極を形成した大容量のキャパシタアレイからなる静電的エネルギー貯蔵ロールを提案する。数kmメートルの長いシートをロール状のまま使う「フレキシブルデバイスの新たな形態」に資する技術基盤を構築する。電磁界解析も加え、先端半導体実装工学を駆使して生産性に優れるRoll-to-Roll集積の方法論を確立する。また、エネルギー源から出力された直流電圧を昇圧して蓄電し、各家庭で利用できるように降圧できるコンバータの回路設計を含めたロール状システムを創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
間欠的な再生可能エネルギー資源から各家庭でエネルギーを貯蔵し、効率的に利用できる環境負荷の少ない蓄電デバイスとして、安価な高分子シートの両面に立体的な電極を形成した大容量のDeepトレンチキャパシタアレイからなる静電的エネルギー貯蔵ロールを提案している。必要な寸法に裁断して使う一般的なフレキシブルデバイスに対し、数kmメートルの長いシートをロール状のまま使う「フレキシブルデバイスの新たな形態」に資する技術基盤を構築する。鍵となるのは、静電容量を高めるため、高い絶縁破壊電圧を有する高分子シートの両面に形成して電極面積を増大させるSurface Area Enhancer (SAE: 表面積増強要素)の材料・構造設計とマイクロ・ナノ加工法である。高分子構造学と材料力学的な視点から三次元誘電体の絶縁破壊物理を深耕する。電磁界解析も加え、先端半導体実装工学を駆使して生産性に優れるフィルムレベル集積の方法論を確立する。また、エネルギー源から出力された直流電圧を昇圧して蓄電し、各家庭で利用できるように降圧できるDC-DCやDC-ACコンバータの回路設計を含めたロール状システムを創製する。UCLAのS. Iyer卓越教授およびそのグループと連携して機能検証する。２０２４年度は、研究分担者の清山がUCLAに半年間滞在し、IyerグループのBoris教授と回路の最適化を図る。また、大規模にフィルムレベル集積が実現できるような設備の構築も行う。材料物性学的なアプローチに加え、マイクロ・ナノ加工学を駆使し、価格も含めたロールトゥーロール製造などの量産性を視野に入れながら、新しエネルギー貯蔵ロールを創出する。さらに、回路的な要素も加えて実現可能性を強化し、Liイオン電池やスーパーキャパシタ、フライホイール電池やダムなどの広範なバッテリーに対してメリットが出せるように構造設計、プロセス設計、回路設計を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験的には、絶縁破壊電圧700V/μm以上、誘電率１０に迫る機能性高分子である厚さ100μmのポリフッ化ビニリデン（PVDF)フィルムを用い、ボッシュエッチで作製したSiピラーを熱圧着でインプリントし、PVDF中に直径１０μm以下、深さ数十μm以上の微細孔を形成することに成功した。PVDFは優れた電気的機械的特性を有する反面、高コストであり、その点を考慮してポリエチレンフィルムでも同様の加工ができることを確認した。導電性ペーストで電極を形成したPVDFの絶縁破壊耐性をオイル中で計測し、Breakdown field predicted for a lifetime of 10 years = 40V/m、Capacitor voltage = 4000 V (for 100 μm)の値を得ることができた。一方、電磁界シミュレーション上では、PVDFの物性値を用いて、直径、深さ、ピッチ、配置を試行錯誤して1kVの耐圧に耐えられる設計を導いた。DC-DCコンバータの設計は次年度から本格的に行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
三次元加工PVDFもしくはポリエチレン等の安価な高耐圧高分子フィルムを用いて絶縁破壊耐性に優れたトレンチキャパシタ構造を作製する。鍵となるのは、ボッシュエッチで形成したSiピラースタンパーのスキャロップである。このスキャロップハイトを低減するためのエッチング条件／アニール条件などの最適化を行い、平滑な側壁を有するPVDFトレンチキャパシタを作製するための技術開発を行う。また、コストの面からPVDF以外の高分子フィルムを用いたトレンチキャパシタの作製も進めるが、誘電率が低い点が懸念事項であり、スタンパーを脱着する際の歩留りが低い点も今後のフィルムレベル集積へ展開する課題と認識している。これらを解決できるように努める。また、DC-DCコンバータの設計に関しては、１００V以下の電圧から１ｋV以上の直流に昇圧する回路、ならびに１ｋV以上の電圧から数百V以下の直流に降圧する回路を分けて設計し、エネルギー貯蔵ロールが適用できるシステム設計を進める。
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