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有機強誘電体薄膜による圧電型振動発電の開発
神戸大学 大学院工学研究科/先端膜工学センター特命助教 堀家 匠平
平成30年8月21日
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概要
環境振動の収穫・電気変換
IoT関連、医療センサ用電源としての有機圧電型振動発電技術の実現
歩行動作（踏み込み） 心拍・脈拍 ホイールの振動 ボタンの押込み
ウェアラブル、インプランタブルな自立発電（防犯センサからヘルスケア機器まで）
環境中の振動現象
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原理 電磁誘導 静電誘導 圧電
イメージ図
特長高出力（大型発電機としては有利）
発電要素とばね要素を個別に設計可能
・単純な素子構造・高い電圧と出力・小型化に有利
課題・電圧が低い・低周波で不利・小型化に不利
・外部電源が必要・構造が複雑・誘導電荷の寿命
素子変形（109回）に耐える疲労強度と柔軟性の両立
振動発電技術比較
参考： 鈴木雄二監修『環境発電ハンドブック』
＋ ＋ ＋
＋
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圧電効果応力・歪（振動現象）⇔電気応答（発電）
逆効果の応用例アクチュエータトランスデューサスピーカ
正効果の応用例力学センサトランスデューサマイクロホン振動発電
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従来技術とその問題点
無機強誘電体（PZT） 有機強誘電体（PVDF）
大変形
環境振動（低周波数の振動）で大変形可能かつ
高出力な圧電材料が必要
・環境負荷（含鉛材料）
・高共振周波数（数百Hz以上）
・変形による素子破壊
・圧電定数 高
・低環境負荷（非鉛材料）
・低共振周波数（数十Hz）
・大変形に有利な柔軟性
・圧電定数 低
破壊
従来材料 本研究
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 有機圧電体の問題点であった
振動発電出力を分子配向によって改善
• 有機材料の圧電定数の大小が振動発電
性能に直結することを実証
• 圧電体/電極積層による占有面積当たりの
発電量向上（従来技術の100倍）
• 有機材料ならではの低い共振周波数を
大きく変えることなく出力を向上可能
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有機圧電材料有機強誘電ポリマー：
ポリ（フッ化ビニリデン/三フッ化エチレン） P(VDF/TrFE)
δ＋
δ- 自発分極（電気双極子）
HCF
応力印加 V
強誘電体（圧電体）
延伸（分子鎖を配向）
P(VDF/TrFE)フィルム
薄膜面内方向における圧電定数の異方性に期待
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P(VDF/TrFE)延伸膜の構造
1600 1400 1200 1000 800
Abs
/ -
Wavenumber / cm-1
延伸膜
延伸方向に対して垂直な偏光
延伸方向に対して平行な偏光
延伸方向に対して分子が平行に配向
延伸方向
未延伸膜
分子鎖に対して平行成分 分子鎖に対して垂直成分
1600 1400 1200 1000 800 600 400
Abs
/ -
Wavenumber / cm-1
分子鎖イメージ
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圧電定数
3軸
2軸
1軸
歪み方向電界方向圧電性の指標
分子鎖方向＝延伸方向
双極子
分子鎖
ポーリング処理
処理前
処理後
分極方向ランダム
e31: 延伸方向（分子鎖方向）の変形量に対する電気変位変化
e32: 延伸方向に垂直方向（分子鎖と直交）方向の変形量に対する電気変位変化
圧電定数emn (C/m2): 単位変形量あたりの電気変位量変化（正効果）
単位電気変位量変化あたりの歪み量（逆効果）
電気変位D
歪S e
正効果
逆効果
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下部電極
フィルム基板
P(VDF/TrFE)
上部電極(
任意波形発生器
レーザー干渉計
アンプ
交流電圧印加
延伸方向 // 長手方向未延伸 延伸方向⊥長手方向③②①
中 大 小約2.0倍
約0.2倍
測定用素子構造交流電圧印加時の歪イメージ（片持ち梁の長手方向に歪）
逆効果による圧電定数測定
変位量計測
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振動発電特性
振動加振器
オシロスコープ
最適外部抵抗
延伸方向 // 長手方向未延伸 延伸方向⊥長手方向③②①
下部電極
フィルム基板
P(VDF/TrFE)
上部電極
おもり
測定用素子構造 変形印加時の電圧発生イメージ（正効果）
出力電圧計測
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振動発電特性出力電圧と共振周波数の関係 延伸有無、延伸方向による出力電圧
共振周波数は低い値を維持
20 22 24 26 28 30
Frequency / Hz
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
Voltag
e /
V
Displacem
ant / m
m
20 22 24 26 28 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Voltag
e /
V
Frequency / Hz
未延伸延伸方向⊥長手方向延伸方向 // 長手方向
𝑃 =𝑉rms2
𝑅
出力の計算式
P: 出力 (W)
Vrms2: 実効電圧（V）
R: 最適外部抵抗値（Ω）
𝑅 =1
𝜔𝐶
: 片持ち梁型素子の共振周波数 （Hz)
C: 素子の静電容量（F）
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分子配向による圧電定数の異方性が振動発電特性の異方性に直結
出力電圧と共振周波数の関係
20 22 24 26 28 30
Frequency / Hz
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
Voltag
e /
V
Displacem
ant / m
m
20 22 24 26 28 300.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Voltag
e /
V
Frequency / Hz
未延伸延伸方向⊥長手方向延伸方向 // 長手方向
延伸有無、延伸方向による出力電圧
振動発電特性
延伸方向 // 長手方向未延伸 延伸方向⊥長手方向③②①
中 大 小約1.5倍
約0.3倍
P: 61.2 nW P: 103.8 nW P: 22.4 nW
共振周波数は低い値を維持
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積層型素子
P(VDF/TrFE)
電極
電極
P(VDF/TrFE)
電極
V
共振周波数は積層後も低い値を維持圧電体1層： 24.6 Hz
圧電体4層： 26.0 Hz Kajihara, Kanno, Ishida et al., Jpn J Appl Phys 56, 04CL04 (2017).
4層積層素子の出力密度： 2.5 W/m3
（従来研究1)の約100倍）(1) Oh et al., Smart Mater. Struct. 23, 015013 (2014).
圧電体/電極の界面を増やす → 占有面積当たりの出力向上に期待
P(VDF/TrFE)
電極
P(VDF/TrFE)
電極
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想定される用途
・センサノードや各種ウェアラブル素子など、隠すIoT機器の電源として利用が期待される
・配向制御と積層化を併用することで、単位面積当たりの発電量を稼ぐことができ、小型・高効率な機械・電気変換素子となる
・有毒な鉛、希少元素を含まない非鉛有機圧電素子であり、かつ大変形しても破壊しにくい特徴を持つ
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実用化に向けた課題
・分子配向と積層の両立
・発電効率のさらなる向上
・生体内発電の実証実験
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企業への期待
・積層数の向上については、フィルム積層技術により克服できると考えている
・有機デバイスの実用化に向けて腰を据えて取り組んで頂ける企業との共同研究を希望
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ： な し
• 出願番号 ： な し
• 出願人 ： な し
• 発明者 ： な し
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お問い合わせ先
神戸大学
学術・産業イノベーション創造本部
准教授 西原圭志
ＴＥＬ ０７８－８０３－５９４５（代）
ＦＡＸ ０７８－８０３－５９４７
e-mail [email protected]
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謝辞
本研究の一部は、JST CRESTならびに科研費のご支援のもと実施されました