導電性高分子への通電による湿度制御法を開発
2018-05-30 産業技術総合研究所
ポイント
- 導電性高分子の通電時の少ない温度変化と高い吸湿性を利用した簡単な湿度制御法を開発
- 周囲の温度上昇、気体流動、ガス放出がなく、20 %～80 %の任意の湿度に制御可能
- 湿度管理が求められる食料品などの輸送や保管に用いる容器、分析用保持セルでの利用に期待
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢良治】（以下「産総研」という）ナノ材料研究部門【研究部門長 佐々木 毅】ナノ薄膜デバイスグループ 向田 雅一 主任研究員（産総研・東大 先端オペランド計測技術オープンイノベーションラボラトリ（以下「オペランド計測OIL」という）兼務）、衛 慶碩 主任研究員（オペランド計測ＯＩＬ兼務）、石田 敬雄 研究部門付（オペランド計測OIL 兼務）、ナノバイオ材料応用グループ 丁 武孝 研究員らは、有機電極材料として開発されてきた導電性高分子PEDOT/PSSが高い吸湿性を示すことを見いだし、その性質を生かした簡単な湿度制御法を開発した。さらに、容積が約1リットルの簡単な構造の湿度制御容器を試作し、単3電池1本で20 %～80 %で湿度を制御できることを実証した。食料品、医薬品、生体材料などの任意の湿度環境での輸送や保管に用いる容器、実環境に近い高湿度環境下での分光分析用試料保持セルなどへの応用が期待される。
なお本研究は2018年3月22日に英国王立化学会（Royal Society of Chemistry, RSC）のRSC Advancesの電子版に掲載された。
導電性高分子PEDOT/PSSを用いて試作した湿度制御容器（左）と容器内の湿度制御の様子（右）
開発の社会的背景
大気中の水分は、生体の保湿、食品のみずみずしさの保持、文化財の適切な保存などに必要だが、一方で過剰な水分は物質を変質させる欠点もある。また、材料やデバイスの特性に、しばしば湿度が影響を及ぼすことがあるなど、研究分野でも湿度の制御が求められている。目的に応じた適切な湿度制御は重要な技術と言える。湿度制御には一般に除湿機やエアコンなどが用いられるが、振動や音、さらに空気の流れや温度変化をもたらす。また、小型容器には用いることができない。電解質膜を用いて水を電気分解して除去する小型除湿器もあるものの、応答速度が遅く、発生した水素や酸素の排出が問題となることもある。さらに、ガスフロー式の湿度調節チャンバーもあるが、ガス導入系、排気系、制御系からなる大掛かりな装置であり、フローガス成分の試料への影響や目的の分析成分のガスフローに伴う流出などの問題もある。そのため、新たな湿度制御法が求められている。
研究の経緯
産総研では、導電性高分子の中でも特に高い導電性を持つことで知られるPEDOT/PSSを用いた熱電変換について研究を行い(2012年8月31日 産総研プレス発表)、現在、熱電モジュールの実用化に向けた研究開発を進めている。その過程で、PEDOT/PSSは重量比で30 %程度の吸湿性を持つことを発見した。PEDOT/PSSは、主に電気伝導を担うPEDOTと主に構造維持を担うPSSの層状の構造で、高い吸湿性は、PSS部分に起因している（図1左）。そこで、PEDOTに通電すれば、生じるわずかなジュール熱でPSS部分の水分を放出できると考え、実証に取り組んだ（図1右）。
図1 導電性高分子PEDOT/PSSの構造と水分吸脱着の模式図
研究の内容
導電性高分子のPEDOT/PSSは最大で1,000 S/cmを超える非常に高い導電率で、電流が流れやすい。しかしながら、金属の電極やリード線との接触抵抗が非常に大きく、PEDOT/PSSが持つ本来の特性を生かすことができなかった。そこで、金電極をリード部分に用いて接触抵抗を低減させた。図2（左）のように、温度24℃で湿度43%の室内にある電子てんびん上にPEDOT/PSSをのせた状態で、図2（右）のように0 A/cm2から75 A/cm2の電流（数値は電流密度）を流すと、100 mgだったPEDOT/PSSの重量が電流値を大きくするほど減少し（15 mg以上）、電流を0 A/cm2にすると重量はもとに戻った。
図2 導電性高分子PEDOT/PSSの通電時の質量変化
（Q. Wei et al, RSC Adv., 2018, 8, 12540-12546. より一部抜粋）
以上の結果をもとに、1リットルの容器内に面積25 cm2、厚さ約300 µmのPEDOT/PSSを配置し、容器内の設定湿度に応じて電流をON-OFFする制御を行った結果、20 %～80 %の任意の湿度に制御（誤差±2 %）できた。応答速度に優れており、数分で設定した湿度に達した。この試作機は単3電池1本で駆動し、湿度80 %の設定（電流量大）では1日、30 %の設定（電流量小）では1週間以上の連続運転が可能であった。目的湿度の維持は、一般的な生活環境下（温度：0～40℃、湿度：20～80%）では容器などの容積にあわせたPEDOT/PSS膜の面積調整だけで可能である。また高湿度維持のためには水中に浸漬して十分に保水させた膜を用いることで、逆に低湿度維持のためには高温で乾燥させた膜を用いることで、それぞれ可能となる。通電により発熱するPEDOTと水を吸放出するPSSがナノメートルレベルで近接しているため、供給電力が効率よく水の放出に使われたと考えられる。また、通電による容器内の温度変化も4 ℃以内（使用温度22 ℃）であった。なお、PEDOT/PSS膜自体は温度200 ℃まで使用できる。
このように、可動部を持たず、導電性高分子に通電するだけで作動する、広範囲、高精度で低消費電力の湿度調節器を開発した。
今後の予定
リード線に貴金属を使用しないより安価なシステムの開発を行い、小型の湿度制御容器としての実用化を目指す。さらに、大容量の湿度制御が可能な手法の開発にも取り組む。
問い合わせ
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
ナノ材料研究部門 ナノ薄膜デバイスグループ
主任研究員 向田 雅一 E-mail：mskz.mukaida*aist.go.jp（*を@に変更して送信下さい。）
用語の説明
- ◆導電性高分子
- 電気が流れる高分子のこと。一般的には共役構造が長く続いた高分子が使われる。
- ◆PEDOT/PSS
- Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/Poly(styrenesulfonate)の略称。導電性高分子の中でも特に高い導電性をもつ。
- ◆熱電変換
- 熱エネルギーによりキャリア（電子など）が移動することで電気が発生する現象。逆に電気を流すことで発熱したり吸熱したりする現象。
- ◆ジュール熱
- 材料に電気を流した際の、材料の電気抵抗により生じる熱のこと。
