2018 Fiscal Year Research-status Report
Remarkable improvement of accuracy of unsteady global pressure measurement by high-luminescence LEC-PSP
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17K06171
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| Research Institution | Aichi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
江上 泰広 愛知工業大学, 工学部, 教授 (80292283)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 佑 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (20402513)
森 竜雄 愛知工業大学, 工学部, 教授 (40230073)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 感圧塗料 / 圧力計測 / 高速度計測 / 電気化学発光セル / 高輝度化 / 高精度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
感圧塗料(PSP)を用いた光学的圧力計測法(PSP)は近年幅広い分野に適用され始めている．PSPからの発光は非常に微弱であるため，露光時間1マイクロ秒程度の高速度計測では光信号とノイズがほぼ同程度となっており計測精度向上のボトルネックとなっている．しかし現在のLEDなどによる光励起では十分な発光強度は得られないため，光励起に代わって発光化学電気セル(LEC)の原理を利用してPSPを電気的に励起することで発光強度を100倍以上にすることで，測定精度を飛躍的に10倍以上に向上させることを目的とした研究を遂行している．
本年度は第一に，昨年度成功したPtOEPを発光色素に用いたLECをより安定的に発光させるための作成方法や条件を調査した．最適な発光層の膜厚を調査したところスピンコートの回転数400rpm時の80-100 nm程度でもっとも安定した発光が得られることが分かった．また，通常の構造(順構造)のLECでは金属電極が上面となり酸素を透過しないため，膜構造を反転させ，酸素を透過する透明電極を上面とする必要がある．そのため，透明電極にPEDOT:PSSを用いた「逆構造」のLEC-PSPを作成した．その結果PEDOT-PSSを上面に塗布したLEC-PSPは通常のPSPと同等の圧力感度を有することが確認された．また，逆構造のLEC-PSPでは通常の順構造の場合と異なり，発光強度が低くなり発光持続時間も短くなる問題が見出された．そのため，今後は逆構造で安定的に高強度で発光するLEC-PSPの実現を目指すとともに，発光効率の良い順構造で酸素を透過させPSPとして機能させる試みを行う必要があることが分かった．
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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
昨年度，代表的な感圧色素の一つである白金ボルフィリンのPtOEPを発光ポリマとイオン液体と組み合わせることで，光励起と比較して，高駆動電圧で約3800倍，低駆動電圧でも1000倍以上の高輝度のLECを作成することに成功した．本年度は，安定的な発光を持続するための材料の組成や調合，作成方法について調査を行った．その結果最適な発光層の膜厚を調査したところスピンコートの回転数400rpm時の80-100 nm程度でもっとも安定した発光が得られることが分かった．これにより駆動電圧5-8Vにおいて一時間以上高輝度を持続することに成功した．また，PtOEP以外の感圧色素についても調査を行った．白金ポルフィリンのPtTFPPではPtOEPとほぼ同等の特性が得られたのに対して，ルテニウム錯体のRu(dpp)3では色素劣化による発光強度の低下がやや大きく，現在のイオン液体と発光ポリマとの組み合わせではPtTFPPやPtOEPの方が適していることが分かった．さらに，酸素を透過させる事ができるPEDOT:PSSを電極に用いた通常とは“逆”の構造のLEC-PSPを作成し，発光させる事にも成功した．また圧力を変化させた較正試験を行い，このLEC-PSPは通常の光励起のPSPとほぼ同等の圧力感度を有していることが分かり，LEC-PSPの圧力センサとしての基本的特性を有していることが確認された．一方この「逆構造」では発光強度の低下や発光持続時間が短くなる問題も新たに見出されたが，おおむね当初の研究計画通り順調に進展しているものと判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
Cの高輝度発光を保持したまま，PSP圧力センサとするため，オゾン処理フリーで透明電極を積層する方法について調査を行う．また，発光効率の良い順構造でアルミ蒸着膜を制御することで，酸素が透過する方法についても検討を行う．また，三次元模型への適用を行うため，スプレー塗装によるLEC-PSPの作成を行う．スピンコートによるサンプル作成で得た最適な膜厚などの知見を基に，塗装条件についての調査を行う．これらの作成したLEC-PSPの静的，動的な特性調査を行いより良い作成条件を見出す．また，これらと並行してLEC-PSPを用いた高精度計測法についても調査を行う．LEC-PSPを駆動する電圧を矩形または正弦波とすることで容易にPSPの発光強度を変調する事ができる．計測対象の圧力変動波とわずかに変調周波数をずらして得られた「うなり成分」を利用するヘテロダイン計測法によってノイズ成分を大幅に低減した高精度測定法を確立する．さらに，実際の流れ場にLEC-PSPを適用した実証試験を行う．角柱周りの流れ場で主流速度を変化させることで，得られる動圧を段階的に小さくすることで，計測可能な微小圧力変動について調査する．これらにより高輝度化による計測精度の向上に関する評価を行う．さらにこれらの実証試験を通じてLEC-PSPの問題点の抽出を行い，センサの作成にフィードバックすることでセンサ特性の改良に努める．
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| Causes of Carryover |
その他に計上していた国際学会参加費が予算よりも少なく済んだため少額の次年度使用額が生じた．次年度使用額は次年度に参加予定の国際学会参加費に充当したいと考えている．
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| Remarks |
研究内容，研究業績の部分を参照のこと
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