「様式３」２００２

CNT を用いた高効率光マイクロモーターの研究［１］組織
代表者：松本 貴裕（名古屋市立大学 芸術工学研究科）
対応者：根尾 陽一郎（静岡大学電子工学研究所）
分担者：
三村 秀典（静岡大学電子工学研究所）［２］はじめに及び実験方法
光を照射することによって回転する“光モーター”について研究をおこなった。光モーターは 1873 年にクルックス博士によって発明されてより100年以上経つが [1]，現在においても，その原理の詳細は確立されていない。本研究において，その動作原理を明らかにし，高効率な光マイクロモーターを実現できることを目指す。この光マイクロモーターを利用することによって，電気を流すことなく人体内で発電をおこなうことが出来るため，感電の無い電力供給手法として，医療技術に大きな進歩をもたらすことができる。
今年度は光モーターの羽根を構成する材料として，カーボンナノチューブ（CNT）膜を使用した。この理由は以下に挙げられる。(i) CNT は，電磁波（可視光から遠赤外領域）を最も吸収する素材として知られており[2]，吸収した電磁波は熱に変換される。
(ii) 密度が 1.3-1.4 g/cm3 と非常に軽量であり [3]，光を吸収して高速な回転をおこすことができる 。
このような特性を有する CNT 膜を，光マイクロモーターの羽根材料に用いることで，羽根の表面と裏面の温度差を大きくし，回転効率をあげることが可能となる。
本研究で用いる CNT 膜は，熱化学蒸着法で作製された。膜の主成分となる材料の原料ガス(CH4 等)を反応容器内に封入し，加熱されたガスをシリコン（Si）基板上で反応させて，膜を堆積させることで生成される。本実験の CNT 膜としては，静岡大学
工学部電子物質科学科井上研究室にて Si 基板上に作製された CNT 膜を，図 1 に示すように，CNT 膜と Si 基板界面に鋭利な刃先を挿入することで CNT膜をのみを掬い出す手法を用いた。この掬いだした膜を光モーターの羽根に転写することで，モーター羽根を構成した。
また，本研究では，空気(Air)，窒素(N2)，アルゴン(Ar)を封入しての実験を行った。レーザー光は450 mW で一定にし，それぞれ封入気体ごとに圧力依存性について調べた。実験結果を図 2 から図 3 に示す。アルゴン，空気に関しては 2 度実験を行い，データの再現性を確認した。空気と窒素を図 2 にて比較する。空気と窒素の間で回転スピードに大きな差はない。そのため，気体が赤外線を吸収するかどうかについては回転に関係がないとわかる。
つまり，赤外線の放射によるガスへの熱伝導は行われていない，または，羽根から直接伝導によって受け取る熱量が多く放射による熱量は少ないと考えられる。窒素は空気中の約 78％を占めていることもあり，粘度や熱伝導率は，空気と大きくは変わらない。そのため，回転スピードも変わらなかったと推測される。

図 2. 光モーターの圧力依存性.．窒素と大気により相違がないた
図1. CNT 膜と Si 基板界面に鋭利な刃先を挿入することで CNTめ，黒の面の表面から赤外線の放射による気体分子への熱の膜をのみを掬い出すことが可能なことを示す写真．

受け渡しは少ないと考えられる.

次に，空気とアルゴンを図 3 にて比較する。0.1-3Pa 付近では大差はないが，0.1 Pa 以下，また 3 Pa以上では回転のスピードに差ができた。この原因として考えられるのが，ガスの粘度の違いや分子量の違い，羽根表面での運動量交換の効率の違いなどである。封入気体を変えて回転スピードを比較した実験のうち，空気と窒素についての結果から，赤外線の放射による熱伝導は大きくは行われていないことがわかった。このため，黒の面には CNT より熱の放射を抑制可能な選択吸収膜 [4,5]を用いた方が効率よく回転を起こすことが可能であると考えられる。
選択吸収膜は可視光から近赤外の領域で高い吸収率を持ち，遠赤外領域では放射率が低いため，赤外線の放射は少ないが表面温度は上がり易い性質を有する。CNT は全体として吸収率が高いが，放射率もその分高いため，赤外線の放射は多いが表面温度が逆に上がり難いことが判明した。実験結果から，回転により密接に関係しているのは赤外線の放射量ではなく，羽根の表面温度であることがわかる。そのため，羽根には選択吸収膜を用いることで高効率化が可能であると考えられる。
空気とアルゴンの比較においては，回転に粘度が関係しているという結果が得られた。最大のスピードには大きな変化は見られなかったが，粘度が小さい気体を封入した方が高い圧力下や低い圧力下であっても回転を生じさせることが可能であった。このため，封入する気体をより粘度の小さいものを選択することで，より効率的に回転を起こすことができると考えられる。例えばヘリウムガスは，粘度が小さい。そのため，ヘリウムガスを封入することで回転スピードを上げることが可能であると考えられる。また，気体の温度を下げることによって，気体の粘度や熱伝導率は小さくすることが可能である。
そのため，気体の温度を下げると，より高速で回転することが推測される。

［３］高効率化の検討およびまとめ実験結果から，黒の面の表面温度をあげ，両面の温度差を広げることや，羽根の縁に光を集中して集めることで高効率化が可能であると考えられる。本研究では光モーターの羽根の素材に注目して高効率化の検討を行った。黒の面に用いる素材として考えられるのは，表面温度が上がりやすい素材や，多孔質の素材である。
表面温度が上がり易い素材として，今年度はCNTについての検討を行った。しかし，CNT は光吸収率が高いが，放射率もその分高いため，赤外線の放射が多く表面温度が上がり難いことが判明した。今後は選択吸収膜の利用も視野に入れて研究をおこなう。選択吸収膜は，可視光ならびに赤外光領域での吸収率が高く，遠赤外領域では低いという特殊な吸収スペクトルを持つ素材であり，羽根の表面温度を光吸収によって CNT 以上に高温化することが可能となる [4,5]。また，真空中に残留したガスが，光吸収効果で高温になった羽と相互作用することにより羽が回転する点から，羽根の黒の面を多孔質にすることが高効率化に有効であると考えられる。多孔質の素材を用いることで，面の間の熱伝導を抑制することもでき，それぞれの面の間の温度差を広げることが可能となる。更に，入射した光を内部で散乱させることが可能であることから，光の受光量が大きくなることや，気体分子の付着量が増えることで，回転を起こす力を大きくすることが期待できる。この際，白の面には熱伝導率の低い，凹凸のない素材を用いることにより更なる高効率化が期待される。
この理由は，凹凸をなくすことで気体分子の付着量を減らすことができるためである。これらの仕様を満たす材料として，選択吸収特性を有しかつ軽量化が可能となる多孔質材料，もしくは CNT 材料に選択吸収効果を持たせた新しいナノ構造材料の作製，が必要となる。これらの新規ナノ構造材料の開発およびを光マイクロモーターへの応用については，今後の課題である。
［４］参考文献[1] W. Crookes, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 164, 501–527(1874).
[2] Z.-P. Yang, L. Ci, J. A. Bur, S.-Y. Lin, and P. M. Ajayan,Nano Lett. 8, 446–451 (2008).
[3] P. G. Collins, Scientific American. 283, 67–69 (2000).
[4] T. Matsumoto and M. Tomita, Opt. Exp. 18, A192-200(2010).
[5] 松本貴裕, 平成 23 年度－平成25 年度成果報告書, 省エネ

図 3. 光モーターの圧力依存性．大気と Ar による圧力依存性のルギー革新技術開発事業 挑戦研究, “メゾスコピック材料を相違. 1 Pa 付近を除き，Ar の回転スピードの方が遅い.．

用いた電力光無損失変換技術の研究開発” # 20140000000507.