2021/08/24

汎用プラスチック極細繊維膜からなる発電型圧力センサ

京都工芸繊維大学 繊維学系
助教 石井 佑弥
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アウトライン 自己紹介 新技術の概要
 研究背景①～②
 新技術の内容①～⑪
 新技術の特徴，想定される用途
 実用化に向けた課題，企業への期待
 本技術に関する知的財産権
 お問い合わせ先2

自己紹介
石井 佑弥 （イシイ ユウヤ）
現職： 国立大学法人京都工芸繊維大学 繊維学系 助教[学歴] 1983年9月

福岡県うきは市生まれ

 2003年4月

京都大学工学部電気電子工学科～2007年3月
 2007年4月

北陸先端科学技術大学院大学マテリアルサイエンス研究科～2012年3月 博士課程前期・後期 博士(マテリアルサイエンス) 取得[職歴] 2009年～2012年
 2012年4月

日本学術振興会特別研究員(DC1)

豊橋技術科学大学 電気・電子情報工学系 助教～2018年1月
 2018年2月

京都工芸繊維大学～2018年3月 大学戦略推進機構系グローバルエクセレンス 助教

 2019年6月

シンガポール国立大学, 客員研究員～2019年11月
 2018年4月～現在

京都工芸繊維大学 繊維学系 助教

 2018年2月～現在

文部科学省卓越研究員事業 卓越研究員

スマートテキスタイル研究室ホームページ: http://www.fibro.kit.ac.jp/lab/ishii/index.html

3新技術の概要• フィルムでは圧電性を示さない安価な汎用プラスチックからなる電界紡糸極細繊維膜を用いた極軽量かつフレキシブルな発電型圧力センサを開発• 当該繊維膜の製造には、ポーリングなどの後処理を要しないため、製造工程の省工程化や省エネルギー化が期待される

T.S. Ramadoss et al. Nanomaterials, 11, 1320 (2021)

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研究背景①：センサへの需要と従来技術との比較

IDTechEx社: https://www.idtechex.com/ja/researchreport/flexible-hybrid-electronics-2020-2030-applicationschallenges-innovations-and-forecasts/732 より転載

https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/index.html より転載

 膨大量のセンサ回路が必要

 無給電動作もしくは超低消費電力のセンサが必須

IDTechEx社，「フレキシブル・ハイブリッド・エレクトロニクス 20202030年︓⽤途，課題，イノベーションおよび⾒通し」，2020年9⽉) (1US＄＝104円として計算）

ヤング率, E [Pa]フレキシブ
ル，軽量,柔らかさ

材料の価格

100－700

50 G≤ E ≤150 G

△〇

ポーリング

≤ 53

1 G≤ E ≤30 G〇△

ポーリング,加熱延伸

強誘電エレクトレット≤ 1400250 k<E ≤ 10 M〇◎ポーリング

電界紡糸ファイバ
(圧電ポリマー)PVDF, P(VDF分極, 摩擦帯電TrFE), PLLA

≤ 1065230 M≤E ≤500 M◎△

基本的に不要

電界紡糸ファイバ(非圧電ポリマー)

ポリスチレン

？？？

？？？

◎◎

不要

代表的な材料動作メカニズム 圧電d定数[pC/N or pm/V]

セラミックス系
フィルム

PZT

分極ポリマーフィルム(圧電ポリマー)PVDF, P(VDF- 分極,TrFE), PLLA
光学活性型

多孔性ポリマーエレクトレット

PP？？？

後処理

 圧電ポリマー以外の電界紡糸ファイバ膜の圧電特性の検討事例はなかった

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研究背景②：先行例との比較
先行例

本研究

Y.M. Yousry et al.
Adv. Func. Mater.
30, 1910592 (2020)

Poly(vinylideneﬂuoride) (PVDF)

Polystyrene(PS)

Poly(methyl methacrylate)(PMMA)

Poly(DL-lactic acid)(PDLLA)

Poly(vinylidene ﬂuorideco-triﬂuoroethylene )[PVDF-TrFE)]

非圧電ポリマーからなる電界紡糸極細繊維膜の疑似圧電特性を発見(世界初)L.Persano et al. Nat. Commun. 4, 1633 (2013)6新技術の内容①：材料およびファイバ膜の作製条件
Atactic polystyrene (PS; MW ≈ 280,000, Sigma Aldrich)
30 wt% aPS in N,N-dimethylformamide (DMF)

プレートコレクタ
電界紡糸PSファイバ膜
ニードル 28G

酸化インジウムスズ(ITO)電極

シリンジ

ガラス基板 (0.7 mm厚)
ITO膜厚: ≈150 nm

シリンジポンプ(吐出速度： 0.25 mL・h-1)

5.0 kV

平均直径： 3.88±0.12 µm

ファイバ膜

30 mm

ニードル－コレクタ間距離： 12 cm
ファイバ膜の堆積時間： 8分
PSファイバ膜(白色部分)

30 mm

平均膜厚≈130 µm
7300Release

Load (N)0.280.21100

0.1400.05023000
Press
4TIme (s)68-1200

dapp (pC N )

圧電特性評価装置(PF-02B, リードテクノ株式会社)[測定条件]
プレロード: 0.01 N
測定周期： 2.9 s,
金属端子の直径：8 mm

Integrated electric charge (pC)

新技術の内容②：疑似正圧電特性

2000

1000

00.00.1

Load (N)0.20.3

 非圧電ポリマーからなる電界紡糸ファイバ膜が疑似正圧電挙動を発現⇒ 圧力センサやエナジーハーベスタへ応用可能
 高度の見かけの圧電定数dapp :1250 –2890 pC/N (印加負荷: 0.05–0.25 N)
Cf. Film(PLLA, PVDF, or PVDF-TrFE): d33, d31, or d14≤40 pC/N＊, PZT film: d33<100－700 pC/N＊＊H. Wu et al. Adv. Mater. 28 9881 (2016). K Omote et al. J. Appl. Phys. 81 2760 (1997). K. Imoto et al. Jpn. J. Appl. Phys. 48 09KE06 (2009).

Y. Ishii et al. Smart Mater. Struct. 28, 08LT02 (2019).
Y. Ishii et al. Macromol. Rapid Commun. 41, 2000218 (2020).

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新技術の内容③：繰り返し測定の測定結果

1200

測定条件
 Preload: 0.01 N
 繰り返し印加負荷：0.15 N
 負荷の印加周期： 約2.9 s
 総測定時間： 約68分
 温度：23.8－24.9 ℃
 相対湿度：37.8－38.5 % 端子の直径：8 mm

dapp (pC/N)

1000
80060040020000200400600800 1000
Number of measurement

1200

約1200回の繰り返し測定では顕著なdappの減少は確認出来なかった

9新技術の内容④：疑似逆圧電特性

43Displacement (m)

レーザ変位計(LT9500/LT-9010M, Keyence)

2-3.3 μm(2.5 %)10-1-2-3

金箔(4号, 堀金箔粉株式会社)
箔厚≈0.17 μm

Scan speed:
10 V/s-4

3.5 μm
(2.6 %)
ファイバ膜厚:≈132 μm-100-50050
Voltage (V)100 非圧電ポリマーからなる電界紡糸ファイバ膜が疑似逆圧電挙動を発現⇒安価な汎用ポリマーなど材料選択の範囲が拡大
 非常に高い見かけの圧電d定数(dapp):≈ 32,000 pm/V (PS)1, ≈ 8,500 pm/V (PMMA)2, ≈ 8,500 pm/V (PDLLA)
Cf. Film(PLLA, PVDF, or PVDF-TrFE): d33, d31, or d14≤40 pC/N＊, PZT film: d33<100－700 pC/N＊＊H. Wu et al. Adv. Mater. 28, 9881 (2016). K Omote et al. J. Appl. Phys. 81, 2760 (1997). K. Imoto et al. Jpn. J. Appl. Phys. 48 09KE06 (2009).

Y. Ishii et al. Macromol. Rapid Commun. 41, 2000218 (2020).

10新技術の内容⑤：応用展開例
2.0

出力電圧 (V)

1.5

ファイバあり

タッチ

1.0
0.5

ファイバなしリリース

0.0-0.5
-1.0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.40.5

金属ブロック：約400 g

石井佑弥，“エレクトロスプレー／スピニング法とその応用―材料合成・成形・加工技術―(第II編第17章 汎用ポリマーからなる電界紡糸極細ファイバー膜が示す
疑似圧電特性”, シーエムシー出版, 2021年3月

T.S. Ramadoss et al. Nanomaterials, 11, 1320 (2021)-2

石井佑弥，“エレクトロスプレー／スピニング法とその応用―材料合成・成形・加工技術―(第II編第17章 汎用ポリマーからなる電界紡糸極細ファイバー膜が示す疑似圧電特性”, シーエ
ムシー出版, 2021年3月

850 ms

ハイパスフィルタあり
フィルタあり-10Signal

Signal

ハイパスフィルタなし
フィルタなし

-10

1

2-2

12

Time / sTime / s
石井佑弥他，“アクチュエータの新材料，駆動制御，最新応用技術(第8章5節光導波性を示すポリマサブミクロンファイバを用いた新しいアクチュエータ)”, 技術情報協会, 2017年3月

11新技術の内容⑥：なぜ疑似圧電特性を示すのか?
Surfaceelectrometer

KSD-3000,
Kasuga Denki, Inc.

BFiber mat
Electrode A or B

単層単層 A
単層 B
順方向積層 (A+B)
逆方向積層 (A-B)

B
A
順方向積層(A+B)

表面電位 (V)PS
PMMA PDLLA
412
404
135398400
151519608
219
1444A
逆方向積層(A-B)

正電荷負電荷Electrode 偏った両極性の電荷を担持した特異なファイバ膜の帯電状態⇑ 疑似圧電挙動を示した原因

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新技術の内容⑦：なぜ高いdappを示すのか？

 各ファイバ膜のヤング率：≈ 6.40 kPa (PSファイバ膜)≈ 13.3 kPa (PMMAファイバ膜)≈ 15.7 kPa (PDLLAファイバ膜)
従来の圧電ポリマーフィルム

Cf. 約10 GPa [P(VDF–TrFE)]*
約5 GPa (PLLA) *＊田實佳郎監修 ‘高分子圧電材料と無機圧電セラミック

スの基礎から応用’ シーエムシー出版 (2014).

本研究のファイバ膜
ヤング率 (Pa)PMMAPDLLA

多孔性ポリマーエレク
トレットフィルム*120.7±18.6 54.8±8.7

3.9±0.270

250860PS
ファイバ膜の膜厚(T) [µm]実効的な表面電荷密度 (σeff)の概算値 [μC/m2]

京都工芸繊維大学 先端ファイブロ科学専攻 佐久間研究室作成
https://www.jst.go.jp/tt/fair/ij2016/exhibitor/js20160171.html

5186*M. Paajanen et al. IEEE T. Dielect. El. In. 8, 629 (2001).

 非常にやわらかい性質と良好な帯電が高いdappが得られた原因
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新技術の内容⑧：電極離間構造での発電
レーザ変位計レーザ変位計

ロードセル

ロードセル

チャージアンプ＆ロガー

チャージアンプ
＆ロガー
反射板
反射板
上部電極

上部電極

接触状態

離間状態

電界紡糸極細繊維膜

電界紡糸極細膜

下部電極

下部電極

プローブ

ガラス基板

発生電荷量(積分値)Qout(h) (pC) (pC)

プローブ

ガラス基板

2000

実験データ
Experimental data
数理モデルの計算値
Theoreticalfunction

 上部電極が離間した状態でも発電

1500 離間構造の方がより多くの発電量

1000
500
0

接近＆押込

ファイバ膜と接触する高さ

0

100

200

300

h (m) (μm)
上部電極の位置400

Y. Ishii et al. Appl. Phys. Lett. 115, 203904 (2020).

⇑ エレクトレット＋疑似正圧電 繊維膜が非常にやわらかいため接触感がない
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新技術の内容⑨：新構造の離間型圧力センサⅠ

上部電極(アルミホイル)

下部電極(アルミホイル)

上部電極(導電布)
電界紡糸繊維膜

ゴムチューブ

上部電極(導電布)

通常布

電界紡糸繊維膜輪ゴム

電界紡糸繊維膜
下部電極(導電布)

下部電極(導電布)

特願2019-072448

上部電極が離間した構造で発電型圧力センシング
15新技術の内容⑩：新構造の離間型圧力センサⅡ

T.S. Ramadoss et al. Nanomaterials,
11, 1320 (2021).

15Voc(t) (V)105Release

0-5Grab-10
金属ブロック：約400 g-15-202412Time (s)1416 適用可能な圧力範囲を制御可能【例】 負荷の上限値： (従来)<0.30 N (新構造)≈5 N
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新技術の内容⑪：リアルタイム応答が可能

 優れた応答速度
 作製1年半後でも圧力センシング動作を確認
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新技術の特徴• 安価な汎用プラスチックの極細繊維エレクトレット膜からなる発電型圧力センサ• 電界紡糸のワンステップで当該極細繊維エレクトレット膜の作製が可能• 極軽量かつフレキシブルな発電型圧力セン
サや発電素子を開発可能

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想定される用途• ヒトや動物などの生体に装着する極軽量フレキシブルな圧力センサ• ソフトロボットに搭載する極軽量フレキシブルな圧力センサ• 振動発電する極軽量フレキシブルな発電素子
1.5

Voltage (V)1.0

900 Hz700 Hz500 Hz1000 Hz0.5
0.0-0.5-1.0-1.5

T.S. Ramadoss et al. Nanomaterials, 11, 1320 (2021)

0.00

0.05

0.10
0.15
Time (s)0.20

Y. Ishii et al. Macromol. Rapid Commun. 41, 2000218 (2020).

19実用化に向けた課題• 湿度耐性と熱耐性の向上(必要な場合)• プロセスコストの低減• 具体的な製品を見据えたセンサ構造の開発• 具体的な製品への実装

20企業への期待• パッケージングと封止構造の開発(必要な場合)• 量産化とプロセスコストの低減• 具体的な製品を見据えたセンサ構造の開発• 具体的な製品への実装

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本技術に関する知的財産権発明の名称: 発電素子および発電素子の製造方法• 出願番号: 特願2019-072448 （特開2020-170813）• 出願人: 国立大学法人京都工芸繊維大学、国立研究開発法
人産業技術総合研究所• 発明者: 石井 佑弥、延島 大樹、植村 聖

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お問い合わせ先

京都工芸繊維大学
産学公連携推進センター 知的財産戦略室（研究推進・産学連携課 知的財産係）
tel. 075-724-7039 / fax. 075-724-7030
e-mail chizai@kit.ac.jp
https://www.liaison.kit.ac.jp/index.php

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