汎用樹脂がマイクロファイバー化で高度の逆圧電的特性を示すことを発見――圧力センサやアクチュエータの低コスト/大面積化に期待 京都工芸繊維大ら

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京都工芸繊維大学の石井佑弥助教、産業技術総合研究所の延島大樹研究員、植村聖研究チーム長ら共同研究チームは2020年6月30日、汎用樹脂のマイクロファイバーで高度の電気機械特性を発見したと発表した。世界に先駆けて、膜状態では圧電効果を示さない汎用樹脂(ポリスチレン)が、電界紡糸法によってマイクロファイバー化するだけで、圧電材料の逆圧電特性に似た電気機械特性(逆圧電的特性)を示すことを明らかにした。

圧電特性の指標の一つである圧電d定数(見かけの値)は、従来の圧電材料の値を大きく上回る3万pm/Vを超える値を示し、1kHzの高周波動作でも従来の圧電材料の値を大きく上回る約1万3000pm/Vが得られたという。さらに、この電界紡糸ポリスチレンマイクロファイバー膜で得られた特異な逆圧電的特性を説明する数理モデルを初めて提案した。

圧電効果を示す樹脂製ナノ/マイクロファイバーの研究領域では、膜状態でも圧電効果を示す圧電樹脂(ポリフッ化ビニリデンなど)を材料として用いた研究が数多く報告されていたが、汎用樹脂(ポリスチレン)であっても電界紡糸法によるマイクロファイバー化によって、高度の逆圧電的特性を示すことを発見したという。

これまでに石井助教らは、世界に先駆けて、膜状態では圧電効果を示さない汎用樹脂(ポリスチレン)が、電界紡糸法によってマイクロファイバー化するだけで、既成概念に反して圧電的特性(正圧電的特性)を示すことを明らかにしている。しかし、従来の圧電材料は正圧電特性を示すことに加え、逆圧電特性も示すが、当該電界紡糸ポリスチレンマイクロファイバー膜が圧電材料のように逆圧電特性も示すかどうかは解明できていなかった。

さらに、圧力をゆるやかに印加したときに発生する電荷量を測定した準静的な圧電的特性(準静的な正圧電的特性)のみの報告で、高周波の動的な特性については詳細な報告がない状態だったという。

こうした状況のなか、膜状態では圧電効果を示さない汎用樹脂(ポリスチレン)が、電界紡糸法によってマイクロファイバー化するだけで、圧電材料の逆圧電特性に似た電気機械特性(逆圧電的特性)を示し、またその見かけ上の圧電定数が非常に高い値を示すことを明らかにした。

研究では、直接電界紡糸法で、ポリスチレンからなるマイクロファイバー(平均直径4.8μm)を下部電極がコートされたガラス基板上に堆積させ、マイクロファイバー膜を製膜。金箔を上部電極として接着し、上部電極と下部電極間に、ゆるやかに印加電圧値を変化させる準静的な電圧と高周波の交流電圧を印加した。

ここで、レーザー変位計を用いて点もしくは面で電圧印加時の金箔の変位(当該ファイバー膜の膜厚変化)を測定し、印加電圧と膜厚変化の関係を測定した結果、圧電材料の逆圧電特性に似た電気機械特性(逆圧電的特性)を示すことが明らかになった。特に高周波電圧の測定では、高周波電圧に良好に追従し、上部電極の金箔を接着した部分が面で上下する様子が確認された。

a.電界紡糸ポリスチレンマイクロファイバー膜にゆるやかに電圧を印加したときの上部電極(金箔)の変位(準静的な逆圧電的特性)、b.高周波(1kHz)の交流電圧を電極間に印加したときの3次元変位像(最大変位時)

また、世界で初めて、当該電界紡糸ポリスチレンマイクロファイバー膜で得られた逆圧電的特性を説明する数理モデルを提案した。これまでに、電界紡糸法で作製したポリスチレンからなるマイクロファイバー膜が、ファイバー膜の上側付近に正電荷が偏って担持され、下側付近に負電荷が偏って担持されたエレクトレットであることを報告しているが、当該ファイバー膜でこのユニークな帯電状態を支持するヒステリシス特性が初めて測定された。

この帯電状態を簡略モデル化し、かつ上部、下部電極に誘導される誘導電荷量と両電極間に生じる力を考慮して特異な逆圧電的特性を説明する数理モデルを構築したという。また、準静的な方法と動的な方法で、当該電界紡糸ポリスチレンマイクロファイバー膜の正圧電的特性も測定し、得られた見かけの圧電d定数を比較した。この結果、逆圧電的特性から計算した見かけの圧電d定数の方が高い値を示すことがわかった。

今回の発見により、安価な汎用樹脂で極軽量、柔軟、優れた特性の圧力センサーやアクチュエータが安価かつ大面積で製造できる可能性が示された。ポーリングなどの後処理が必要ないことから、製造工程の省工程化や省エネルギー化も期待されるという。今後は、より詳細なメカニズムの解明を進め、着用型の生体動作センサーやアクチュエータとしての応用展開を目指す。

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