2016 Fiscal Year Research-status Report
フィブロインタンパク質を配向場とした新規有機焦電体の薄膜構造制御
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16K17513
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
森本 勝大 富山大学, 大学院理工学研究部(工学), 特命助教 (90717290)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 薄膜成長 / ポリ尿素 / フィブロイン / 焦電性 / 圧電性 / 構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は圧電性高分子として報告例のある、ポリ尿素とシルクフィブロインを用いた高配向高結晶性薄膜の作製と、それら圧電性薄膜の構造解析をもとに分子配向や結晶性を制御することで、発現した機能性をセンサデバイス等へ応用することを目的としている。ポリ尿素薄膜中の分子内電気双極子を外部電界印加によって任意に配列させることで、圧電性や焦電性などの電気特性発現を確認している。圧電性の応用として振動型エナジーハーベスターの作製および発電性能評価を行うことで、ポリ尿素薄膜の圧電定数と発電性能の相関を解明した。(雑誌論文掲載)また、圧電性高分子を延伸および積層した場合の発電性能に関しても本年度に報告済み(雑誌論文掲載)であり、高分子薄膜の延伸方向に伸縮する素子を開発することで発電性能の向上を達成した。薄膜中の分子配向や結晶構造が圧電性や発電性能に与える影響を解明することで、今後のデバイス性能向上に向けたポリ尿素薄膜の構造制御指針が得られた。
シルクフィブロインは過去から繊維状試料の圧電性に関する報告はあるものの、薄膜化やその電気特性に関する報告例は限られている。本研究ではシルクフィブロインの薄膜化および圧電性の利用を目的にしていたが、研究当初から薄膜化に難航し良質な薄膜を成膜出来なかった。そのため、薄膜にこだわらずシート状の厚膜での構造制御を前段目標として研究遂行にあたった。その結果シート状フィブロインを作製することができ、薄膜の構造解析と並行して構造制御プロセス開発を行うことで、フィブロイン分子の２次構造の制御とそれに伴う誘電特性の相関が得られた。
これら研究実績は学術論文に投稿し掲載されることで他研究者からの評価を得るに至っており、また学術講演会での発表により多くの研究者と意見交換を行った。
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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
実施計画ではフィブロイン薄膜の作製と構造制御を本年度中に実施する予定であったが、フィブロイン薄膜の成膜に難航したため予定を変更し、シート状厚膜を作製し段階的に薄膜化するよう計画を変更している。作製したシート状試料に熱処理や溶媒処理等の構造制御プロセスを適用することで構造変化を誘起し、薄膜分子配向や結晶性は赤外分光法やX線回折法により評価した、また分子内電気双極子の配向は赤外分光だけでなく誘電特性を併用することで評価した。本年度はフィブロイン厚膜の構造制御に関して知見を得られたため、次年度の薄膜化および構造制御へと活かしてゆく。
フィブロインの薄膜化および構造制御が難航したため、次年度計画であったポリ尿素薄膜の電気特性評価およびセンサデバイス等への応用を先行して実施することで、研究全体の進捗を進めることとした。ポリ尿素薄膜に上下電極を形成し外部電圧を印加することで、薄膜中の電気双極子を配列させ圧電性発現の有無を評価した。圧電定数は励振電圧印加時の試料変形量から算出し、変形方向により異なる圧電定数を算出した。圧電体の膜厚方向の圧電性を利用することで感圧センサを作製し、圧電定数とセンサ感度等を比較した。また、異なる変形方向として、薄膜面内方向の圧電性を利用するためカンチレバー型の振動型エナジーハーベスターを作製し、振動発電性能を評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の主な成果であるポリ尿素薄膜の構造制御による圧電特性発現と、薄膜中の分子配向と圧電定数の相関解明は次年度計画であったが、これを前倒しで実施することで研究全体の進捗管理につなげている。本年度は難航したフィブロイン膜の作製と構造制御および電気特性評価に注力する。薄膜状フィブロインは報告例が非常に少なく、薄膜構造と電気物性との関係性は不明瞭な点が多い。そのため、本年度作製した厚膜プロセスを効果的に利用することで薄膜化を進める。その際、緻密に確実な薄膜化と構造評価を行うことで、報告例の少ないフィブロイン薄膜の基本的な構造解析と機能性発現に向けた知見をえる。
フィブロイン薄膜の圧電性や構造との相関が得られたのちは、本年度得られた知見をもとにフィブロイン薄膜を用いた場合のセンサデバイス性能を評価する。すでに圧電定数とデバイス性能との相関は得られているため、フィブロインにおいても適応可能と考えられる。また、得られた研究成果は本年度分を含め学術論文や学会発表において報告する。
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| Causes of Carryover |
計画では温湿度制御付き電圧印加成膜装置を購入予定であったが、一部仕様変更を伴ったため各部品購入ののち手作業にて組み立てを行った。そのため、予定より安価な製作費で同等の装置構築を達成し、余剰分を次年度持ち越しとした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度持ち越し分は成果報告用の学術論文や学術講演会参加費として補てんする。
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