2016 Fiscal Year Annual Research Report
Flexible fabric having thermoelectric property using the conducting polymer nanofiber
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16H04200
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
下村 武史 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40292768)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荻野 賢司 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10251589)
兼橋 真二 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (80553015)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 導電性高分子 / ナノファイバー / 熱電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は導電性高分子ナノファイバーを用いたフレキシブルかつ軽量な熱電変換不織布の開発を目的とする。申請者らが研究してきたポリ(3-アルキルチオフェン)(P3AT)を原料とする太さ2×10nm2のP3ATナノファイバーは嵩高い疎な構造をしているため、厚みがあり断熱効果が高い不織布の作製が可能であり、細線効果と相まって、高い熱電変換効率を示すことが期待される。さらに、性能向上を目指し、内部の空気を各層に閉じ込めることで、断熱性の高い構造を実現する。さらなる性能向上のため、キャリアの生成層と輸送層の役割分担の考え方を導入し、P3ATナノファイバー不織布とPEDOT:PSSの多重積層構造をもつ熱電変換デバイスを作製する。本研究によりエネルギーハーベスティングを牽引する機能性不織布という新しいカテゴリーの創成を行う。
本年度の研究においてナノファイバーと汎用性の高分子を混合することで、強度のある凍結乾燥不織布ができることが明らかとなった。この方法では一見導電率が減少するため、良い特性がとれないようにみえるが、研究過程において、導電率は落ちるものの、ゼーベック係数を数桁と飛躍的に向上させることが可能であることを発見した。無次元性の指数も、従来のP3ATの研究で得られた値に十分匹敵する結果が得られている。また、一般に高価な導電性高分子の量が少なくて済むため、材料費の面でも優れており、産業界へのアピールも可能であると考えている。現段階において、民間企業との共同研究が決定し、本研究で得られた知見をもとに断熱性をもった材料の作製を進めている。
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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
当初、フレキシブルかつ軽量な熱電変換不織布の開発とP3ATナノファイバー不織布とPEDOT:PSSの多重積層構造をもつ熱電変換デバイスの作製を計画していたが、特に前者に関しては著しい進展が見られたと考えており、まず、初年度はこの材料の示す特性の確認に終始した。
汎用性高分子をマトリックスとしてその中で導電性高分子ナノファイバーを形成し、それを凍結乾燥などで発泡様の状態にすると、ゼーベック係数を数桁と飛躍的に向上させることが可能であることを発見した。導電率は汎用性高分子添加前と比べて当然低下するが、それを補って余りあるだけのゼーベック係数の向上が見られ、無次元性の指数も、従来のP3ATの研究で得られた値に十分匹敵する結果が得られた。このメカニズムが明確で無いため、それを明らかにするべく、各種パラメータの変更の準備を行った段階で初年度が終了した。この点に関して、研究は想定を超えた結果を得ていると考えている。
一方で、積層構造に関してはまだ着手できていない。これは前述のように、最初の目的が想定を超えた結果を得ているため、現在はそこに注力しているためである。このため、総合的に判断して研究は概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点ではゼーベック係数が飛躍的に向上するメカニズムがわかっていない。このため、いくつかのパラメーターを変えながら、原理に迫ることを考えている。無機熱電変換材料などではゼーベック係数が、狭い温度範囲ではあまり温度に依存しない傾向があり、高分子のようなキャリアの局在が強い系では依存する傾向があるため、伝導機構の解明の観点から、詳細な温度依存性の測定を実施する。また、マトリックスの種類や割合の変化に対する応答から、マトリックスの材質、ナノファイバーとの親和性、分子運動性、空孔導入量が与える影響の有無について調査する。特性の最適化の観点からは、ドーピング濃度の依存性の調査も不可欠な測定である。また、モルフォロジーについても現段階では明確で無いため、電子顕微鏡（SEMやTEM）を用いた調査を上記、電気物性の調査と平行して実施する。これらの総合的な評価からメカニズムに迫ることを今後目指すこととする。
特性向上の観点では民間企業の力も借りて、空孔導入の方法についての調査も実施する。熱伝導の観点からは空孔導入量は大きい方が有利であり、なおかつ空孔の独立性が高い方が断熱性能が向上することは明らかであるため、これらの調査を実施し、実際に本材料の応用の可能性について、厳しく検討することを今後の方針とする。
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