• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2021 年度 実施状況報告書

高導電性ソフト電極によるフレキシブル無電源マルチセンサの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K05616
研究機関山梨大学

研究代表者

奥崎 秀典  山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (60273033)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワードフレキシブルセンサ / ソフト電極 / 導電性高分子 / イオン液体 / 無電源
研究実績の概要

様々なエラストマーとイオン液体(IL)のスクリーニングを行った結果、熱可塑性ポリウレタン(PU)とアニオンにTFSIを有する4種類のイオン液体(EMI-TFSI、BMI-TFSI、HMI-TFSI、MOI-TFSI)がジメチルアセトアミドに可溶であり、均一なゲルが得られることがわかった。特に、EMI-TFSIはPUと高い親和性を示し、ILを含まないPUと外観はほとんど変わらず、優れたエラストマー特性を保持していることが明らかになった。IL:PUゲルの力学特性はIL濃度に大きく依存し、ヤング率は11 MPa(IL濃度0 wt%)から0.54 MPa(70 wt%)、切断強度は60 MPa(0 wt%)から1.6 MPa(70 wt%)へと大きく低下した。これは、ILがPUの可塑剤として作用するとともに、PUのネットワーク密度が低下したためと考えられる。興味深いことに、ILを70 wt%含むにもかかわらず、PUエラストマーと同等の高い切断伸度(約600%)を示すことが明らかになった。交流インピーダンス測定から求めたイオン伝導率はIL濃度の上昇とともに増加し、70 wt%で約0.1 mS/cmの高いイオン伝導度を示すことがわかった。さらに、IL:PUゲル上に導電性高分子であるPEDOT:PSSとポリグリセリン(PG)を混合した伸縮性電極(PEDOT:PSS-PG)をスプレー塗布したIL:PU/PEDOT:PSS-PG複合体を作製した。電極の膜厚はスプレー時間に比例して増加し、製膜速度は約200 nm/minであった。抵抗ひずみ曲線は電極膜厚に依存し、約1μmのPEDOT:PSS-PG膜厚において、断線ひずみは170%に達した。得られた実験結果から、高いイオン伝導性と電気伝導性、伸縮性をあわせ持つIL:PU/PEDOT:PSS-PG複合体の作製に成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では、イオン液体とエラストマーのスクリーニングを行い、力学特性とイオン伝導性に優れたIL-PUゲルの開発に成功した。また、高導電性PEDOT:PSSを活用した電極の開発についても検討し、高い電気伝導性と優れた伸縮性を併せ持つ新規電極材料の開発にも目途がついた。このように、本研究の目的であるフレキシブルセンサを構成する二つの重要要素の研究開発がすでに済んでおり、2年目終了時におけるハードルをすでにクリアしている。さらに、次年度予定の多機能型フレキシブル無電源センサの開発に向けた取り組みを一部前倒しで開始している。具体的には、IL-PUゲル上にPEDOT:PSS-PG電極をスプレー塗布した複合体を作製し、電気力学特性を評価した。興味深いことに、PEDOT:PSS-PG電極の最適膜厚が約1 μmであることを見出し、170%まで伸長しても使用可能なIL-PU/PEDOT:PSS-PG複合体の開発に成功している。次年度は、この複合体のセンサ特性評価に専念できることから、当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

これまで得られた知見をもとに、IL-PUゲルをPEDOT:PSS電極で挟んだ三層構造からなる多機能型フレキシブル無電源センサを作製する。センサ特性は、力学試験機と高速アナログ計測ユニット、加速度計測ユニット、データロガーを組み合わせた装置を用いて評価する。加速度センサの評価は、様々な加速度でセンサを屈曲させたときの発生電荷を加速度計測ユニットで読み取り、その勾配から加速度センサ感度を算出する。一方、変位センサの評価は様々な変位でセンサを屈曲させたときの発生電位を高速アナログ計測ユニットで測定し、その勾配から変位センサ感度を評価する。また、センサ応答の経時変化や耐久性を評価することで、素子の安定性や再現性、信頼性、劣化機構等に関する知見を得る。さらに、センサ特性におけるイオン液体の濃度と分子構造の関係を詳細に調べることで、ピエゾイオン効果のメカニズムを分子レベルで解明する。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2021

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 1件、 招待講演 7件) 図書 (3件)

  • [雑誌論文] 導電性高分子ソフトアクチュエータの開発2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 雑誌名

      機能材料

      巻: 41 ページ: 40-48

  • [雑誌論文] Effect of PEDOT:PSS composition on photovoltaic performance of PEDOT:PSS/n-Si hybrid solar cells2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Kurushima, N. Katsuyama, H. Okuzaki
    • 雑誌名

      JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS

      巻: 60 ページ: 091001-1-6

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ac19d2

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 溶媒に可溶な新規導電性高分子の開発2021

    • 著者名/発表者名
      宮井郁花、奥崎秀典
    • 雑誌名

      科学と工業

      巻: 95 ページ: 115-121

  • [学会発表] 熱応答性エラストマーアクチュエータ2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      次世代アクチュエータ材料応用研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱応答性エラストマーアクチュエータ2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      機能性流体フルードパワーシステムに関する第10回研究委員会
    • 招待講演
  • [学会発表] イオンゲルを用いたソフトセンサ・アクチュエータ2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      先端センサ・アクチュエータ・ネットワーク に関する研究分科会
    • 招待講演
  • [学会発表] EAPソフトアクチュエータ2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      2021年度オータムセミナー
    • 招待講演
  • [学会発表] イオンゲルを用いたソフトセンサ・アクチュエータ2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      超分子研究会・精密ネットワークポリマー研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Flexible Sensors Driven by Piezoionic Effect2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      The 11th International Conference on Flexible and Printed Electronics (ICFPE)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 可溶性導電性高分子の合成とプラスチックエレクトロニクスへの応用2021

    • 著者名/発表者名
      奥崎秀典
    • 学会等名
      高分子同友会
    • 招待講演
  • [図書] 導電性材料の設計,導電性制御および最新応用展開2021

    • 著者名/発表者名
      82名
    • 総ページ数
      983
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-867-8
  • [図書] 機能性流体入門―基礎と応用 (初歩と実用シリーズ)2021

    • 著者名/発表者名
      中野政身
    • 総ページ数
      278
    • 出版者
      日本工業出版
    • ISBN
      9784819033077
  • [図書] ストレッチャブルエレクトロニクスの技術動向2021

    • 著者名/発表者名
      関谷毅
    • 総ページ数
      228
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1607-9

URL: 

公開日: 2022-12-28  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi