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静電気を貯める液体を開発し,伸縮自在の振動発電素子を実現 ~脈拍・心拍センサなどの医療応用へ期待~

 国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)と同 産業技術総合研究所(AIST)は2019年9月30日,NIMSとAISTの研究グループが静電気を半永久的に貯められる液状のエレクトレット材料を開発し,それを用いて伸縮・折り曲げ可能な振動発電素子を実現した,と発表した.本研究は,独立行政法人日本学術振興会の科学研究費助成事業,およびTIA連携プログラム探索推進事業「かけはし」の支援を受け,NIMS国際ナノアーキテクトニクス研究拠点の中西 尚志グループリーダー,AISTセンシングシステム研究センター 吉田 学 研究チーム長らにより行われ,成果はNature Communicasions誌にオンライン掲載された(注).

 近年,IoT技術の進歩により各種の生体モニタリング用センサへのニーズが高まっている.脈拍・心拍などのセンサには伸縮自在で折り曲げ可能な特性が求められており,これまでは柔軟性のあるプラスチックフィルムにセンサ素子を加工したものが多く用いられていた.このようなセンサ素子には動きを電気信号に変換する材料が用いられるが,そのひとつに電荷を半永久的に保持するエレクトレットがある.しかし,従来のエレクトレット材料は固体やフィルム状であり,生体への装着性改良が望まれていた.

 本研究において,NIMSの研究グループは,π共役色素ユニットであるポルフィリン骨格を中心とし,その周囲にフェニル基を介して8本の分岐アルキル鎖を結合させたポルフィリン誘導体を開発した.この化合物は,ポルフィリン骨格の周囲が嵩高く柔軟なアルキル鎖で包まれており,常温における粘度が約18Pa・sの不揮発性液体である.分子の中心に存在するポルフィリンは,周囲のアルキル鎖により色素ユニットが孤立・安定化されるので,色素ユニットに注入される電荷は安定に保持される可能性が高く,伸縮自在で柔軟なエレクトレット材料としての利用が考えられた.それを実際のエレクトレット素子として実現したのがAISTの研究グループである.初めに試みられたのは液体ポルフィリンのエレクトレット素子としての動作である.-330Vの電圧でコロナ帯電させた液体ポリフィリンを,スペーサーを介し,対面するITO電極を有するガラス基板で封止し液体エレクトレット素子を作製した.指で加圧したところ-0.2~0.1Vの出力が得られ(圧力・振動センサ),また,100V1KHzの交流電圧を加えたところ200Hzで振動し(発振・アクチュエータ),従来の固体エレクトレット素子と同様の作動をすることが確認された.次いで,実際のウェアラブルなセンサとするため,帯電させた液体ポルフィリンを伸縮性の布地に含浸させ,ポリウレタンフィルムに銀メッキ繊維をパターニングした伸縮性電極で挟み込んで封止して,センサ素子を作製した.このセンサを指で押すと±100~200mVの電圧出力が得られ,伸縮性のセンサとして作動することが確認された.この液体エレクトレット素子は安定性良好で,少なくとも1ヶ月半以上の駆動実績が得られている.

 本研究で開発された伸縮性センサは,電池レスで駆動する脈拍・心拍センサ,筋電・モーションセンサなどの医療分野や,電圧印加で変形する機能を活用した触覚(ハプティクス)素子への応用が期待できるという.

(注)A. Ghosh, M. Yoshida, K. Suemori, H. Isago, N. Kobayashi, Y. Mizutani, Y. Kurashige, I. Kawa-mura, M. Nirei, O. Yamamuro, T. Takaya, K. Iwata, A. Saeki, K. Nagura, S. Ishihara, and T. Nakanishi, "Soft chromophore featured liquid porphyrins and their utilization toward liquid electret applications", Nature Communications, Vol. 10, Article number: 4210 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-12249-8; Pub-lished: 30 September 2019