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~

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2020-10-19 科学技術振興機構,静岡大学,名古屋大学

ポイント

  • 外界の振動だけで発電する振動発電素子が注目されているが、動作の微視的な仕組みは未解明だった。
  • 振動発電素子となる荷電体「エレクトレット」が負に帯電する微視的な仕組みを量子計算により世界で初めて明らかにした。
  • 性能向上への設計指針が得られ、センサーなどデバイスの自立発電やIoTの実現へ貢献が期待される。

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。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域:「微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出」
(研究総括:谷口 研二 大阪大学 名誉教授)
研究課題名:「MEMS振動発電を用いたパーペチュアル・エレクトロニクス」
研究代表者:年吉 洋(東京大学 生産技術研究所 教授)

研究期間:平成31年4月~令和5年3月

JSTはこの領域で、環境に存在する未利用で微小なエネルギーを電気エネルギーに変換(環境発電)する革新的な基盤技術の創出を目指しています。上記研究課題では、回路の動作に必要な電力を自給自足する新たな振動発電素子・システムの実現に挑戦しています。

詳しい資料は≫
<論文タイトル>
“Investigation of negative charge storage mechanism in the potassium ion electret by first-principle calculation”
(カリウムイオンエレクトレットにおける負電荷蓄積機構の第一原理計算による検討)
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
橋口 原(ハシグチ ゲン)
静岡大学 工学部 教授

年吉 洋(トシヨシ ヒロシ)
東京大学 生産技術研究所 教授

白石 賢二(シライシ ケンジ)
名古屋大学 未来材料・システム研究所 教授

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
科学技術振興機構 広報課
静岡大学 広報室
名古屋大学 管理部 総務課 広報室

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