3Dプリンターで自由な形状の圧電デバイスを作る手法を開発

3Dプリントされた柔軟な圧電材料シート

バージニア工科大学の研究チームが、3Dプリンティングにより圧電デバイスをカスタマイズ製造する手法を開発した。どの方向の運動や衝撃、応力も、任意な方向および大きさの電気エネルギーに変換するデバイスをカスタム設計できる。形状やサイズの制約を受けることなくインテリジェント材料やスマートセンサー、エネルギー変換器を開発できると期待している。研究成果は、2019年1月21日の『Nature Materials』誌オンライン版で公開されている。

ひずみや応力を電荷に変換できる圧電材料は、19世紀に発見された長い歴史を持っており、今では携帯電話からメロディ付グリーティングカードに至るまで、様々な用途に使われている。しかし、一般的に脆性結晶かセラミックから造られているため、複雑な形状に製造することが難しく、その製造にはクリーンルームと複雑な工程が必要とされる。このため、材料の持つ可能性が最大限に活用されているとは言い難い。

そこで研究チームは、圧電デバイスを形状やサイズに制限なく3Dプリントする技術に挑戦し、非常に高感度かつ紫外光によって複雑な3次元形状を造形できる圧電インクを合成した。このインクは、ペロブスカイト系圧電性ナノ結晶をUV感応ゲル中に高濃度に分散させており、溶融結晶のような混合溶液を構成する。これを、高分解能デジタル光3Dプリンターを用いて、積層しながら複雑な形状に造形する。重要なのは積層造形の過程で、各部の圧電定数を任意に設計制御でき、発生電荷の方向や大きさをプログラム制御できることだ。「3Dプリント可能な形状の組み合わせを通して、圧電材料の感度および動作モードを自由にカスタム設計できる。どの方向からの力や振動にも反応し、発生電圧をどの方向にも拡大、反転、抑制できる」と、機械工学科のXiaoyu Rayne Zheng助教授は説明する。

研究チームは、毛髪の直径の数分の1ほどのサイズの内部微細構造を有し、曲面状に巻かれたデバイスを造形し、手や指に装着して運動を電気エネルギーに変換できることを実証した。また、小さなスマート橋梁をプリントし、錘の落下位置と大きさを感知する一方、頑丈で衝撃にも充分耐えることを確認した。試作した材料は、従来の圧電高分子よりも5倍も高い感度を持つことも示された。

Zheng助教授は、「触角センシングやロボット技術だけでなく、エネルギーハーベスティング、スマートセンサーなどへの革新的な応用が期待できる。例えば靴の中敷きにして負荷を記録すれば、ユーザーの健康状態のモニターも可能だ。インフラ分野では、構造全体が圧電材料で構成され、衝撃や振動、運動を感知するとともに、圧力が加わった位置まで特定できるようになるだろう」と、その将来性に期待している。

3Dプリンターで自由な形状の圧電デバイスを作る手法を開発