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強誘電体における電気熱量効果を利用した小型ヒートポンプの開発

研究課題

研究課題/領域番号 17J10583
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 電子デバイス・電子機器
研究機関大阪府立大学

研究代表者

松下 裕司  大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2017年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード電気熱量効果 / 強誘電体 / 強誘電体薄膜 / 熱デバイス / リラクサ強誘電体 / 有限要素法解析 / 熱伝導解析 / 有機強誘電体ポリマー / P(VDF-TrFE) / 小型ヒートポンプ / 有限要素法
研究実績の概要

電気双極子を有する物質に電界を印加・除去すると、分極エントロピー変化に由来する発熱・吸熱が起こる。これは電気熱量効果と呼ばれ、高効率なヒートポンプとしての応用が期待されている。本研究では低電圧動作に向けて強誘電体薄膜における電気熱量効果に着目してきた。熱容量の小さな薄膜においても、高周波電界により誘起される電気熱量効果を利用することでデバイスの実現可能性を示した。
・有機強誘電体薄膜における電気熱量効果の高熱密度化
薄膜熱電対による実測により、有機強誘電体薄膜における電気熱量効果について調べた。交流電界下において、高周波になるにつれ増加する温度変化が得られた。有限要素法を用い交流電界下の電気熱量効果を模した熱拡散モデルを計算した結果、熱の拡散長は周波数の増加に伴い減少する一方、膜を出入りする熱の面積密度は増大することがわかった。これは体積熱容量の小さな薄膜でも高周波電界を利用することで高い熱密度が得られることを示し、実験結果も説明される。10kHzにおいて、0.69 W/cm2の熱密度が得られることを明らかにした。また同様の測定・解析をリラクサ系有機強誘電体P(VDF-TrFE-CFE)薄膜において行い、1.54 W/cm2の熱密度を得た。
・高周波下電気熱量効果を用いたヒートポンプの提案
機械的な可動部を含む構造は適さないため、全固体構造において電界の印加方法を工夫する駆動方法を提案した。誘電体と電極を積層した構造を採用し、各層に印加する交流電界に位相差を与えることで、電界強度のピーク位置は一方向に伝播する。その位相速度と熱の拡散速度の相関を見ることで、最適な条件の検討を行った。10層のPVDFを積層した構造を想定し、数値計算によりデバイスの両端に誘起される温度差を計算した結果、位相に対し最適値が存在し、最大で0.91 mW/cm2のヒートポンプ動作が得られることを明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (25件)

すべて 2020 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Investigation of the electrocaloric effect in ferroelectric polymer film through direct measurement under alternating electric field2020

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, Daisuke Kiriya, and Norifumi Fujimura
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 13 号: 4 ページ: 041007-041007

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ab8053

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Water-based chemical solution deposition of NaNbO3 thin films2019

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Tanja Vrabelj, and Barbara Malic
    • 雑誌名

      JSI technical report

      巻: 12683 ページ: 1-33

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Investigation of piezoelectric energy harvesting from human walking2018

    • 著者名/発表者名
      Kakihara R、Kariya K、Matsushita Y、Yoshimura T、Fujimura N
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 1052 ページ: 012113-012113

    • DOI

      10.1088/1742-6596/1052/1/012113

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [雑誌論文] Direct piezoelectric response in vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer films2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Matsushita, I. Kanagawa, T. Yoshimura and N. Fujimura
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 57 号: 11S ページ: 11UG01-11UG01

    • DOI

      10.7567/jjap.57.11ug01

    • NAID

      210000149826

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct Measurement of Electrocaloric Temperature Change in Ferroelectric Thin Films2017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 雑誌名

      Proc. of 18th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Materials

      巻: - ページ: 171-171

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 強誘電体薄膜における電気熱量効果を利用した全固体ヒートポンプの検討2020

    • 著者名/発表者名
      松下裕司、吉村武、桐谷乃輔、藤村紀文
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] リラクサ強誘電体ポリマー膜における交流電界下の電気熱量効果2019

    • 著者名/発表者名
      松下 裕司、吉村 武、藤村 紀文
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 正圧電応答顕微鏡を用いたP(VDF-TrFE)膜のドメイン構造観察2019

    • 著者名/発表者名
      金川 いづる、松下 裕司、吉村 武、藤村 紀文
    • 学会等名
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Domain structure imaging in P(VDF-TrFE) films by direct piezoelectric response microscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Izuru Kanagawa, Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      11th International Symposium on Transparent Oxide and Related Materials for Electronics and Optics
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Large Photoluminescence Enhancement of Monolayer MoS2 by a Molecular Treatment with the Aid of UV Irradiation2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Yamada, Y. Aoki, A. Fukui, Y. Matsushita, T. Yoshimura, A. Ashida, N. Fujimura, and D. Kiriya
    • 学会等名
      Material Research Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] P(VDF-TrFE)薄膜とCMOSのモノリシック構造による広帯域超音波トランスデューサーアレイ2019

    • 著者名/発表者名
      中山 雄太、鈴木 健次、金川 いづる、松下 裕司、水野 隆、三田 吉郎、吉村 武
    • 学会等名
      第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Electrocaloric temperature change in ferroelectric polymer thin film under AC electric field2019

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      IEEE f2cpi2 2019 (IEEE ISAF; ICE; EMF; PFM: IWPM 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Characterization of direct piezoelectric response for P(VDF-TrFE) films using scanning prove microscopy2019

    • 著者名/発表者名
      Izuru Kanagawa, Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      IEEE f2cpi2 2019 (IEEE ISAF; ICE; EMF; PFM: IWPM 2019)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Monolithic Integration of P(VDF-TrFE) Thin Film on CMOS for Wide-band Ultrasonic Transducer Arrays2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji Suzuki, Yuta Nakayama, Izuru Kanagawa, Yuji Matsushita, Takeshi Mizuno, Yoshio Mita, and Takeshi Yoshimura
    • 学会等名
      2019 IEEE International Ultrasonic Symposium (IUS)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] P(VDF-TrFE)薄膜の固体ヒートポンプ応用の検討2019

    • 著者名/発表者名
      松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 正圧電応答顕微鏡によるP(VDF-TrFE)膜の圧電評価2019

    • 著者名/発表者名
      金川 いづる, 松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第66回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of μm-thick P(VDF-TrFE) Films and the electrical properties2018

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      2018 ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM Joint Conference (IFAAP 2018)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Characterization of Electricaloric Temperature Change in P(VDF-TrFE) Thin Films2018

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      12th Japan-Korea Conference on Ferroelectric (JKC-FE12)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Piezoelectric Properties of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer [P(VDF-TrFE)] films2018

    • 著者名/発表者名
      Izuru Kanagawa, Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      12th Japan-Korea Conference on Ferroelectric (JKC-FE12)
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 薄膜熱電対を用いたP(VDF-TrFE)薄膜の電気熱量効果の評価2018

    • 著者名/発表者名
      松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第79回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] P(VDF-TrFE)膜におけるe31,f圧電定数の評価2018

    • 著者名/発表者名
      金川 いづる, 松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第79回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] P(VDF-TrFE)厚膜の作製とその電気特性2018

    • 著者名/発表者名
      松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第65回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Fabrication of μm-thick P(VDF-TrFE) Films and Electrical Properties2018

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      2018 ISAF-FMA-AMF-AMEC-PFM Joint Conference (IFAAP 2018)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 強誘電体薄膜における電気熱量効果の直接測定Ⅱ2017

    • 著者名/発表者名
      松下 裕司, 吉村 武, 藤村 紀文
    • 学会等名
      第78回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Direct Measurement of Electrocaloric Temperature Change in Ferroelectric Films2017

    • 著者名/発表者名
      Yuji Matsushita, Takeshi Yoshimura, and Norifumi Fujimura
    • 学会等名
      18th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Materials
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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