東工大、静電アクチュエータの出力を1000倍にできる有機強誘電材料を開発

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東京工業大学(東工大)は11月17日、静電アクチュエータの出力を従来と比べて1000倍にできる有機強誘電材料(強誘電ネマチック液晶)を開発したことを発表した。

同成果は、東工大 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の西村涼特任教授、同・渡辺順次特任教授、同・市林拓特任准教授、同・陳君怡特任助教、ENEOS 機能材カンパニーの増山聡研究員、同・清水源一郎研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、応用物理学と基礎物理学の両方を扱うオープンアクセスジャーナル「Advanced Physics Research」に掲載された。

静電アクチュエータは、電気モーターなどで広く用いられている電磁アクチュエータに比べ、構造が簡単で軽量という優れた点を有する。一方で、大きな出力を得るには、印加される電界を強めるために電極間距離を狭めたり、高電圧を印加したりする必要があり、MEMSなどの限られた分野でしか実用化されてこなかったとする。

そこで研究チームは今回、静電アクチュエータの発生力が電極/誘電体間に蓄積される電荷量で決まることに着目し、電荷量を増やすために強誘電体の特徴である大きな自発分極を利用することを試みることにしたという。

強誘電体には、チタン酸バリウムに代表されるような無機系材料があるが、固くて変形量が小さいため、柔軟性や大きな収縮率が求められるソフトアクチュエータ用途には適していなかった。そこで、近年発見された有機強誘電体の一種である「強誘電ネマチック液晶」に注目。静電アクチュエータの媒体として利用することにしたとする。

しかし、これまでに発見されている強誘電ネマチック液晶は室温において結晶になってしまうため、デバイス応用例はほとんどなかったという。ただし、それらに共通する特徴として、剛直な棒状分子骨格を持ち、片方の分子末端が電子供与性、もう一方の末端が電子求引性で、大きな双極子モーメントを持つこと、同モーメントが分子長軸に対し20度程度傾いていることなどが挙げられるとする。

そこで、東工大が運用するスーパーコンピュータ「TSUBAME3.0」を用いて、双極子モーメントが大きな剛直分子という条件で網羅的な量子化学計算が実施され、前述の特徴を満たす分子のスクリーニングが行われた。それらを既存の強誘電ネマチック液晶と混合することで、強誘電ネマチック相の低温化が図られた。その結果、室温でも約5μC/cm2と大きな自発分極を持つ強誘電ネマチック液晶材料の開発に成功したとする。

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そして同液晶材料を有効面積1cm2の平行平板電極間に充填したところ、0.5MV/mの印加電界条件で1.3Nの静電力が得られたという。誘電率10程度の一般的な常誘電体では、同条件で約1mN程度の静電力しか得られないことから、同液晶材料では1000倍以上もの静電力を発生できることが明らかにされた。

また、強誘電材料特有の特徴である自発分極により、電圧無印加時にも電極/液晶材料界面に電荷が残存していることで、発生する静電力が印加電圧に比例することが実証された。常誘電体では発生力は印加電圧の2乗に比例することから、デバイス制御性の改善も期待できる成果とした。

さらに同液晶材料が、3Dプリンタと樹脂めっきで作製された2重らせんコイル電極に充填されたところ、9V乾電池2個を直列につないだ18V電源でも収縮動作が確認されたという。さらに200V印加時には約20％の大きな収縮率が得られ、従来のような高圧電源を必要とせずに実際にアクチュエータとして動作することも確認できたとする。

アクチュエータの軽量化や高出力化が求められる中、構造が簡単でレアメタルを必要としない静電アクチュエータの大幅な高出力化が可能になれば、電気自動車や産業機械などの多くの分野で使用されているモーターなどの電磁アクチュエータを代替できる可能性があるという。

また、開発された材料はソフトマテリアルであることから、人工筋肉のような柔軟性が求められる用途にも適用可能とした。パワースーツなどに用いれば、高齢化社会や労働人口減少といった社会問題にも貢献できる可能性があるとする。

なお、今回開発された液晶材料は粘性液体であり、実用に際しては封止技術などが必要になることから、現在、エラストマー化やゲル化を試みているとした。こうした固定化技術の発展に伴って、適用分野のより一層の拡大が見込まれるとする。

また、アクチュエータは電気エネルギーを運動エネルギーに変換する機器であるが、原理的には運動エネルギーを電気エネルギーに逆変換することも可能であることから、エネルギーハーベスティング分野への適用も検討しているとした。