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世界最小静電気発光センサによる可視化センシング技術の創成

研究課題

研究課題/領域番号 23K22774
補助金の研究課題番号 22H01504 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分21030:計測工学関連
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

菊永 和也  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究チーム長 (10581283)

研究分担者 平田 研二  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (40828282)
藤尾 侑輝  国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (90635799)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円)
キーワード静電気 / 発光 / センシング / 静電気発光 / 発光材料 / 第一原理計算 / センサ
研究開始時の研究の概要

本研究では静電気に由来する電荷を検知して光を出力するセラミック微粒子を超小型な静電気センサとして利用するために、静電気発光のメカニズムを解明し、静電気を可視化センシングする技術を開発する。

研究実績の概要

静電気発光のメカニズム解明のため、静電気発光の電子状態の調査を行った。発光機構に関与する欠陥準位は主に酸素空孔に起因すると推測されるため、酸素空孔を導入したSrAl2O4:Eu2+の誘電率を第一原理計算によって検討した。計算では単斜晶SrAl2O4のunit cellを2×1×2倍した112原子のスーパーセルでSrサイトにEuが置換したモデルを作成し、スーパーセル内に64か所ある酸素サイトにそれぞれ空孔を導入した。計算結果ではSrAl2O4:Eu2+は酸素空孔のエネルギー準位が主に2.5-5.0eV付近に分布しており、熱ルミネセンス曲線のピークから見積もられた実験結果よりも、伝導帯から見てより深い位置に分布していることが分かった。また酸素空孔のエネルギー的安定性のサイト依存性について分析したところ、どの荷電状態においても傾向は見られず酸素空孔サイトとエネルギー的安定性は相関性がないことが分かった。
次に、静電気発光材料の特性を定量的に評価するため、昨年度に開発したシステムを用いて、静電気発光現象に係る各物性を測定し、その特性を分析した。まず針への印加電圧を変えて静電気発光の輝度、印加電圧、電流との関係を調べたところ、発光はコロナ放電に伴う電圧、電流のそれぞれに相関関係があることが分かった。続いて静電気発光を画像として捉えたときの特性を調べた。具体的には静電気発生材料の発光を、コロナ放電照射時の印加電圧を変化させながらカメラで撮影し、「印加電圧」と「空間な形状変化」の関係を調べた。その結果、印加電圧との相関が、全体的な発光と空間的な形状変化において90%以上であることが分かった。このことから静電気発光を定量化できる可能性が示された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

静電気発光における発光モデルの構築の足掛かりを得るための第一原理計算において、64か所ある酸素欠陥に関する知見を得ることができた。また静電気発光の特性について関連する物性を明らかにし、定量化に向けてのメドをつけることができた。このことから当初の計画通りに実施できておりおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

静電気発光のメカニズム解明において、第一原理計算では材料物性の欠陥準位や励起状態の変化について更なる調査を実施し、静電気発光のモデル構築を目指す。また静電気発光評価システムおよび画像解析を用いて、様々な静電気発光材料の特性を評価するとともに、その特性を用いて発光を用いた静電気の定量性を試みる。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Analysis of static electricity-induced luminescent based on HLAC features2023

    • 著者名/発表者名
      Eguchi Taiga、Kikunaga Kazuya、Fukuda Osamu
    • 雑誌名

      Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers

      巻: 2023 ページ: 504-509

    • DOI

      10.23919/sice59929.2023.10354128

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 静電気の可視化技術2023

    • 著者名/発表者名
      菊永和也
    • 雑誌名

      静電気学会誌

      巻: 47 ページ: 80-84

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Development of an Interactive Touchless Technology Based on Static-Electricity-Induced Luminescence2023

    • 著者名/発表者名
      Abe Keina、Eguchi Taiga、Oyama Tatsuya、Fujio Yuki、Kikunaga Kazuya
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 23 号: 5 ページ: 2462-2462

    • DOI

      10.3390/s23052462

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Analysis of static electricity-induced luminescence based on HLAC features2023

    • 著者名/発表者名
      Eguchi Taiga、Kikunaga Kazuya、Fukuda Osamu
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 静電気発光を用いたタッチレスデバイスの検討2023

    • 著者名/発表者名
      江口大雅、阿部彗菜、Lee Jin Yien、佐藤友哉、福田修、菊永和也
    • 学会等名
      第47回静電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 第一原理計算によるSrAl2O4:Eu2+における酸素空孔のエネルギー準位2023

    • 著者名/発表者名
      江口大雅、平田研二、藤尾侑輝、菊永和也
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 酸素空孔を導入したSrAl2O4:Eu2+の誘電率の第一原理計算2023

    • 著者名/発表者名
      江口大雅、平田研二、藤尾侑輝、菊永和也
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 発光を用いた静電気可視化技術2022

    • 著者名/発表者名
      菊永 和也、寺崎 正
    • 学会等名
      静電気学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 発光材料を用いた新しい電荷評価技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      菊永 和也、寺崎 正
    • 学会等名
      電気学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 見えない静電気分布を発光可視化する静電気発光センシング材料の発見2022

    • 著者名/発表者名
      寺崎 正、菊永 和也
    • 学会等名
      応用物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 静電気発光材料を評価するためのシステム開発2022

    • 著者名/発表者名
      大山 達也、江口 大雅、江頭 正浩、坂本 昌孝、菊永 和也
    • 学会等名
      電子情報通信学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 静電気誘起発光を用いたタッチレスデバイスの開発2022

    • 著者名/発表者名
      阿部 彗菜、菊永 和也
    • 学会等名
      電子情報通信学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 目に見えない静電気の発光センシング技術2022

    • 著者名/発表者名
      菊永 和也
    • 学会等名
      日本化学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] ホームページ

    • URL

      https://staff.aist.go.jp/k-kikunaga/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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