振動発電素子の微視的な仕組みを解明 ～自ら発電するデバイスが身近に～

ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、静岡大学 工学部の橋口 原　教授と東京大学 生産技術研究所の年吉 洋　教授らの研究グループは名古屋大学 未来材料・システム研究所の白石 賢二　教授、中西 徹　大学院生、長川 健太　研究員、洗平 昌晃　助教らと共同で、振動発電素子において非晶質シリカが負に帯電する微視的な仕組みを世界で初めて解明しました。

充電不要の自立電源を実現する技術として、外界の振動だけで動作する振動発電素子が期待されています。研究グループが以前開発した、非晶質シリカを負に帯電させることで動作するカリウムイオンエレクトレットが振動発電素子として期待されていますが、負に帯電する微視的な仕組みは未解明でした。

研究グループは、非晶質シリカ内にカリウム原子を挿入するとカリウム原子からケイ素原子に電子が供給され、ケイ素原子があたかもリン原子のように振る舞うことを量子力学に基づく計算から発見しました。そして、ケイ素原子は通常の４本ではなく５本の共有結合を酸素原子と形成してＳｉＯ_５構造となり、この構造が負電荷を蓄積することを明らかにしました。

本成果により、振動発電素子の信頼性向上や長寿命化への設計指針が得られます。充電なしで動作するセンサーなどが身近になる他、モノのインターネット（ＩｏＴ）の実現にも貢献が期待されます。

本成果は、２０２０年１０月１９日（日本時間）に第３７回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（オンライン開催）で発表されます。