2019 Fiscal Year Annual Research Report
炭素系薄膜を用いた高効率・高耐久性の高速横滑り型摩擦発電システムの開発
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18H01358
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
崔 ジュン豪 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30392632)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中尾 節男 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (60357605)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 摩擦発電 / DLC膜 / 発電効率 / 耐久性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)摩擦帯電材としてのDLC膜についての更なる検証:摩擦帯電材としてDLC膜を用いる場合の重要なパラメータである，膜厚の影響について研究を行い，摩擦発電に最適なDLC膜厚が存在し，厚さ方向に電荷が帯電するためには十分な厚さが必要であることと，帯電材と電極との間で静電誘導が起こるため膜厚が薄いほうがより高い出力を出すことができることの二つの効果から，その中間的な膜厚で発電性能が極大になることがわかった．また，大気中において超低摩擦性示すSi含有DLC膜およびダイヤモンドに匹敵する硬さを有するta-C膜について摩擦発電特性の評価を行い、シリコン添加DLC膜およびta-C膜の発電効率は水素添加DLC膜に比べると若干低いが，両者とも非常を優れたトライボロジー特性を有することから耐久性が求められる過酷な環境におけるDLC摩擦発電システムには十分応用が可能であることを明らかにした．
(2) DLC 膜を用いた高速横滑り型摩擦発電システムの開発
①発電効率の向上のため、摩擦試験機を改良した横滑り型摩擦発電システムを開発し、種々の摺動条件（低速滑り，高速滑り，高負荷荷重，低負荷荷重）におけるDLC膜の摩擦発電特性および耐久性を調べた。滑り速度は 10Hz, 負荷荷重 9.8Nの過酷な摩擦条件においても，安定した摩擦発電特性が得あれることが分かった．
②有機超薄潤滑膜によるDLC膜の摩擦・耐久性の改善および摩擦発電効率の検証：厚さ数ナノメートルの有機超薄潤滑膜（FDTS）をフッ素添加DLC膜に施すことで、KFMによる仕事関数の測定，摩擦発電特性、耐久性の評価を行った．有機超薄潤滑膜によりる仕事関数が大きくなること，発電効率も改善することが新たに分かった．また，摩擦発電システムの耐久性が改善できることが分かった．
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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
2年目の研究目標としては，大きく分けて，摩擦帯電材としてのDLC膜についての更なる検証およびDLC膜を用いた高速横滑り型摩擦発電システムの開発であった．摩擦帯電材としてのDLC膜の更なる検証では，1年目に用いたフッ素添加DLC膜以外に，Si添加DLC膜や高硬度ta-C膜についての評価を行い，その摩擦発電特性を明らかにした．ダイヤモンドに匹敵する硬度を有するta-C膜おいても摩擦発電が可能であることを初めて示したことから，将来より高い耐久性が要求される過酷な環境におけるDLC摩擦発電システムが応用可能であるこを示した．さらに，摩擦発電におけるDLC膜には最適な膜厚が存在することを明らかにした．DLC 膜を用いた高速横滑り型摩擦発電システムの開発に関しては，摩擦試験機の改良により横滑り型摩擦発電システムを開発し、種々の摺動条件（低速滑り，高速滑り，高負荷荷重，低負荷荷重）におけるDLC膜の摩擦発電特性の評価，従来ポリマー材との比較，耐久性を行い，それらの特性を明らかにした．また，数ナノメートル厚さの有機超薄潤滑膜をフッ素添加DLC膜に施すことで、発電効率および耐久性が改善できることを明らかにした．さらに，潤滑油環境下においてDLC膜の摩擦発電が可能であることを示した．過酷な摺動環境下においては，摩擦摩耗特性が優れるDLC膜でも摩耗してしまう可能性が高いため，油による潤滑が必須であるため，より過酷な環境においてもDLC膜を用いた摩擦発電が可能であることを意味する．以上の成果から，当初の計画通り研究が概ね順調に進んでいるといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 高耐久・低摩擦性DLC摩擦発電システムの構築
・保護膜として有機超薄潤滑膜，液体潤滑膜を施したDLC摩擦発電システムのを構築する予定である．2年目の基礎研究に引き続き、3年目では、膜厚数ナノメートルオーダーのフッ素系および炭化水素系の有機超薄潤滑膜を，それぞれ水素含有DLC膜とフッ素含有DLC膜の保護膜として修飾することで更なる低摩擦化・高耐久化かつ高発電効率化を行う。
・潤滑環境下における高硬度テトラヘデラルアモルファス カーボン(ta-C)膜の検討：さらなる高耐久性DLC摩擦発電システムの開発を目指し、3年目では潤滑環境下におけるダイヤモンドなみの硬度を有するta-C膜の摩擦発電材としての可能性を検討し、帯電特性および摩擦・耐久特性を明らかにする。
(2) 高速横滑り型摩擦発電システムの構築と応用
高速回転運動条件下におけるDLC摩擦発電システムの評価：2年目までは最大600rpmの摺動条件下または低速往復運動条件下におけるDLC摩擦発電試験を行った。今年度は、高速回転運動（数千rpm）が可能な摩擦モジュールを導入することで、更なる発電効率の向上が見込まれる、横滑り型の摩擦発電システムの開発を目指す．また，DLC摩擦発電システムの摩擦センサーへの応用のための研究を行う予定である．潤滑状態における摩擦発電システムの出力は、固体接触の割合、固体表面の摩耗、潤滑膜の膜厚変化、潤滑油の変質などにより変化することが予測される。開発した高速滑り環境下でのDLC摩擦発電システムを摩擦センサーとして用いることで、自動車エンジン内での高速滑り条件下における摩擦現象解明することを目指す。
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