JP2008500189A - 幾何学的に異方性のナノ粒子に基づくアクチュエータ - Google Patents

Abstract

電解質の中に少なくとも１つの活性電極及び少なくとも１つの対向電極を有するアクチュエータであって、活性電極は少なくとも２つのウェブ（３）に直交して取り付けられたかつ優先方向に単一方向に配向された多数の幾何学的な異方性ナノ粒子（２）を有する導電性材料から成る少なくとも２つのウェブ（３）を含み、ナノ粒子とウェブとの間には導電性接続が存在し、電極及び対向電極には電圧又は電流源（１２）を介して電位差が印加可能である。本発明の課題は、アクチュエータをより高いアクチュエータ力及び振幅周波数に関して改善することである。上記課題はナノチューブが両側でそれぞれウェブに接続され、この接続が素材結合であることによって解決される。

Description

本発明の対象は、第１の請求項による、電気的に及び機械的に接続された幾何学的に異方性のナノ粒子、とりわけナノメートル領域の直径を有するチューブ又はファイバ、例えばカーボンナノチューブに基づくアクチュエータ、とりわけ並進又は曲げアクチュエータである。

アクチュエータは電気エネルギから機械的作動運動への直接的な変換に使用され、これによりとりわけロボット工学又はスイッチング技術における多くの技術的システムのための重要な構成要素を形成する。

冒頭に挙げた種類のアクチュエータはいわゆる電気機械的機能材料に基づく。このような材料では印加される電流、電界又は電圧との直接的な相互作用において形態又は機械的特性の変化がある。これらのアクチュエータの典型的な代表例は圧電又は電歪材料に基づく。

新しくとりわけ興味深いコンセプトはナノチューブによるアクチュエータである。これらの中で、アクチュエータ運動を発生するためのアクティブエレメントとして電解質の中の炭素から成るナノメートル領域の直径を有するチューブ（中空円柱体）（カーボンナノチューブ＝ＣＮＴ）が使用される。ＣＮＴは際立って熱的に及び化学的に安定している。ＣＮＴの長さは約１００ｎｍ〜１００μｍ以上である。電圧又は電流源を介して電荷がＣＮＴに注入されると、電解質イオン（Elektrolytionen）によって電気化学的な二重層が形成される。この二重層によって炭素原子間の共有結合の長さが変化し、これによりＣＮＴの長さ及び直径が変化する。

（チューブ軸に対するグラファイト格子の六角形構造の配向＝ヘリシティに依存する）金属的及び半導体的ＣＮＴの比電気抵抗は互いに大きく異なる。金属的ＣＮＴは理想的な観察においては実際的に比電気抵抗を持たない。なぜなら、ナノチューブの中の電子がほぼバリスティックに、すなわち散乱損失なしに、導かれるからである。しかし、このようなＣＮＴが金属接点に接続されると、各コンタクト箇所においてｋΩ領域の接合抵抗が生じる。半導体的ＣＮＴでは比抵抗は印加される電圧に依存し、これは約−０．５Ｖ〜０．５Ｖの領域において接続に応じて数ＭΩである。電流／電圧特性曲線はほぼ−１Ｖ〜１Ｖまでの領域において非線形である。電界効果トランジスタの場合のように半導体的ＣＮＴに第３の電極を介してゲート電圧を印加することによって特性曲線のこの非線形性は抑圧可能であり、比抵抗は低減可能である。

ＣＮＴの引張り強さは３００００Ｎ／ｍｍ²であり（比較すると、高張力鋼：約１９００Ｎ／ｍｍ²、高張力カーボンファイバ：約４９００Ｎ／ｍｍ²）であり、（引張り実験における）５％より上の破断伸び（Bruchdehnung）が達成される。

原理的にはＣＮＴの２つの構造形態がよく知られており、すなわち単層（single-walled carbon nanotubes, SWCNTs）及び多層（multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs）である。

文献［１］〜［３］に記述された単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）は継ぎ目のない中空円柱体であり、この中空円柱体はチューブ軸を中心にして巻き付けられたグラファイト層から成る。これらの単層ＣＮＴはチューブ軸に対するグラファイト格子の六角形構造の配向（ヘリシティ）に応じて金属的導電性であるか又は半導体的である。ＳＷＣＮＴは有利には優先配向を有するチューブクラスタに形成され、個々のＳＷＣＮＴはファン・デル・ワールス力を介して結びつけられる。ＳＷＣＮＴクラスタの電気的特性に関して確実なことを言うことは今日ではできない。なぜなら、個々のＳＷＣＮＴは均一なヘリシティを有さず、よって、様々な電気的特性を有するからである。ＣＮＴクラスタの電気的特性は、チューブクラスタのどのようなＣＮＴ（金属的か又は半導体的か）が電気的に接続されるかにも依存する。ＳＷＣＮＴの直径は０．４〜５ｎｍまでの領域にある。

これに対して、例えば［３］において言及されている多層ＣＮＴ（ＭＷＣＮＴ）は、同軸に互いの中に配置された異なる直径の複数の単層ＣＮＴから成る。この場合も電気的特性に関して述べることは厄介である。なぜなら、ＭＷＣＮＴの個々のＳＷＣＮＴは原則的に異なるヘリシティを有し、よって、異なる電気的特性を有するからである。さらに、実際的には外側にあるＣＮＴへの電解質のアクセスだけが妨げなしに可能である。ＳＷＣＮＴクラスタの場合のようにここでもＭＷＣＮＴのどのようなＣＮＴ（金属的か又は半導体的か）が電気的に接続されているかが重要である。ＭＷＣＮＴの通常の外径は１．４〜２００ｎｍまでの領域にある。

個々のＳＷＣＮＴ（金属的及び半導体的）のＥ−モジュール（E-Modul）はほぼ１００００００Ｎ／ｍｍ²である（比較では：スチールは約２１００００Ｎ／ｍｍ²）。これは原則的にＳＷＣＮＴクラスタのそれよりも大きい、なぜならば、個々のＣＮＴはクラスタにおいてはファン・デル・ワールス力を介してのみ結びついているからである。ＭＷＣＮＴのＥ−モジュールは、これに対して、ＭＷＣＮＴの中への力導入によって影響を受け、個々のＳＷＣＮＴの値に最大限に到達する。力が理想的にＭＷＣＮＴの同一のチューブを介して導入及び導出されるならば、Ｅ−モジュールはＳＷＣＮＴのそれに匹敵しうる。力が異なるＳＷＣＮＴを介して導入及び導出されるならば、そのＥ−モジュールが有効にもとめられないテレスコープのようなシステムが成立する。

これらの特性に基づいてＣＮＴはアクチュエータ、とりわけマイクロシステム、医療又はナノテクノロジにおける適用事例ならびにバイオメディカル適用事例（例えば人工筋肉）にとって魅力的である。このようなアクチュエータはとりわけ次のような興味深い特性を有する：
・既に僅少な電圧（約１Ｖ）及び僅少な制御電流における電気的に制御された負荷のないアクチュエータのアクティブエレメントの比較的大きな可逆的伸長領域（約１．６％まで）、すなわち高い効率
・高いダイナミック特性が実現可能
・入力量と出力量との間の線形関係
・アクティブエレメントの高い弾性率（Elastizitaetsmodul）、これによって高いアクチュエータ力が実現可能
・固体及び液体電解質において機能可能
・材料に統合可能（スマートマテリアル）
・適当なＡＶＴ（構成及び結合技術）を介してスケーリング可能
・大きな寿命
・比較的高い温度（約１０００℃まで）においても使用
・大きな容量及び重量作業キャパシティ。

文献［４］は例えば相応のアクチュエータコンセプトを記述しており、このアクチュエータコンセプトでは多数のＣＮＴがマクロスコピック層、いわゆる「バッキーペーパー」層にアクチュエータのアクティブエレメントとしてまとめられ、すなわち束ねられている。この場合、ＣＮＴはこの中で一意的な優先方向を有する。これに基づいて並進及び曲げアクチュエータが提案される。

［３］ではＣＮＴの優先方向をもたらすためにさらにナノチューブの配向に対して、例えば電界、磁界及び／又は電磁界による及び／又は沈殿する界面活性剤懸濁液の中の超音波の影響による公知の物理的又は化学的方法が提案される。

このようなアクチュエータは使用されるバッキーペーパーによって個別のＣＮＴに比べて極めて高い可撓性（ほぼファクタ２２００だけ大きい）を有する。このようなアクチュエータは機械的にはるかに負荷耐性がない。従って、アクチュエータにかかる力にアクチュエータ伸長が強く依存することによってならびに原理的に応力と伸長との間の非線形関係及び発生する伸長特性のヒステリシスが予期される。さらに、バッキーペーパー内部のＣＮＴへの電解質のアクセスは外側にあるＣＮＴに比べて初めは遅く、このことはバッキーペーパーの僅少な導電率と結びついてアクチュエータの最大可能振幅周波数を制限し、さらに比較的高い損失熱及び比較的僅少なアクチュエータ伸長をもたらす。

さらに比較的緩いバッキーペーパー構造における再構成及びセッティング過程を、すなわちアクチュエータのサイクルに依存する劣化効果を強く考慮に入れなければならない。

よって、本発明の課題は、幾何学的に異方性のナノ粒子、とりわけＣＮＴのようなナノチューブに基づく改善されたアクチュエータコンセプトを提案することである。とりわけ、アクチュエータは比較的高いアクチュエータ力、負荷耐性、剛性、伸長及び振幅周波数（Ausschlagfrequenz）に関して改善されるべきである。

上記課題は請求項１記載のアクチュエータによって解決され、従属請求項は有利な実施形態を表す。

本発明の重要な基本思想は、アクチュエータ内の理想的には全ての、有利には少なくとも８０％の又は更に良ければ９０％のナノ粒子又はナノチューブ、とりわけＣＮＴを粒子列又は粒子束に対して優先方向に、有利には±２０°の最大角度偏差で互いにパラレルに配向し、さらに、有利には上記配向に対して垂直に延在するウェブを介して電気的及び機械的に互いに固定的に接続すること（アクチュエータ層）である。引張り乃至は圧縮負荷方向においてさらに複数のこのようなアクチュエータ層が並んで配置されうる。

ナノ粒子としては原則的にその表面上に電解質の中で二重層が形成されうるあらゆる材料が適している。このような二重層は格子間隔の変化を惹起し、これによりナノ粒子の形状変化を惹起する。影響は原則的にあらゆる結合形式において観察されうる。ＣＮＴ又は他のナノチューブの特別な利点はこの場合（二重層を有する）表面積と容積との間の可能な最大比率にあり、すなわち前述の効果の最適な利用にある。

本発明の更なる重要な詳細はこの場合ナノ粒子とウェブとの間の素材結合による接続に関する。この接続はウェブ側の材料と粒子側の材料との反応生成物から形成され、これは反応生成物としても導電性を有する。さらに、各ナノ粒子は少なくとも２つのウェブと接続され、これによりアクチュエータ剛性の大幅な向上が実現可能である。

活性電極を製造するために、例えば幾つかのウェブが基板上に設けられ、ナノ粒子による分散によって周りを洗われる。ウェブ間の高周波交流電圧の印加によって、ナノ粒子は誘電泳動力を介して電気力線に相応して所望のやり方で互いにパラレルにウェブにデポジットされ、これらがウェブ間の中間空間を架橋する。後続のステップにおいて過剰な分散の除去及び上記の反応を介するナノ粒子とウェブとの間の電気的接続が行われる。

ウェブ及びナノ粒子から成る互いに重なっている複数のアクチュエータ層は様々なやり方で実現され、例えば、複数の層の単純な積層を介して又は１つの層を折り返すこと又は折りたたむことによって実現される。所望のコンタクト箇所におけるナノ粒子及びウェブの複数回のデポジション及び上記の反応を行うことによって（例えば約９００℃で電極を加熱すること）上記の層結合が生じる。

例示的かつ本発明の思想を制限しないウェブとＣＮＴ（又はカーボンファイバ）との接続において、ウェブはカーバイドを形成する導体材料、有利には金属から成り、導体材料もカーバイドも電気的な絶縁体ではない。有利にはウェブはチタンのような遷移金属又はシリコンから成る。代替的にウェブは上記の材料から成るコーティングを有する。約９００℃の温度でＣＮＴとウェブとの間のコンタクト箇所において固体反応によってメタルカーバイドが形成され、このメタルカーバイドはＣＮＴ及びウェブを機械的に負荷耐性をもって及び導電的に相互に接続する。このように製造された弾性エレメントを介してバイアス応力を加えられたアクチュエータは圧縮アクチュエータだけではなく有利には引張りアクチュエータとして適しており、弾性バイアス応力はＣＮＴの折れる危険性の低減に基づいてもはや必要ではない。接続の更なる改善のために、コンタクト箇所がＣＮＴの前記デポジションの後でさらに上述したような付加的な金属によってコーティングされ、これによってＣＮＴの端部は固体反応の後で完全にメタルカーバイド内に埋め込まれ、この場合もほぼ無視できるほどの電気的な接合抵抗がＣＮＴとウェブとの間に生じる。

ナノ粒子及びウェブから成る結合部はアクチュエータの活性電極を形成する。これらは場合によっては液体又は固体電解質（文献［１］〜［４］までに言及されている食塩溶液又は他の溶液）の中に対向電極と同様に存在し、極に電圧又は電流源が接続されている。ウェブの電気的制御によってナノ粒子は電気的に帯電される。電解質の中に電界が発生し、この電界が静電的に電解質イオンに作用し、これらをナノ粒子に結びつけ、これにより電気化学的二重層が形成され、ナノ粒子の有意な長さ変化を引き起こす。

ナノ粒子は機械的にウェブに結合されているので、長さ変化によってウェブ間の間隔も変化し、このことはアクチュエータ運動（膨張又は収縮）として外部からアクチュエータの端部において測定されうる。ウェブはさらに僅少な剛性を有するエレメントを介して基板に対して固定され及び／又は弾性エレメントによってバイアス応力をかけられうる。

アクチュエータの引張り乃至は圧縮負荷方向に対して垂直方向に重なって設けられた前述のアクチュエータ層の個数は前述のように直接的にアクチュエータの剛性に影響を及ぼす。ナノ粒子の上記の完全な又はほぼ完全な配向ならびにウェブへの素材結合は、有利にはアクチュエータのとりわけ高い剛性を惹起するだけでなく、ナノ粒子のほんの一部分でさえも無秩序ではないので、アクチュエータ特性の確実な決定のための大幅に良好な計算の基礎を提供する。アクチュエータの剛性、最大力及び作動距離はさらにＣＮＴ及びウェブから成る層の個数及び厚さによる。

本発明の特別な利点は次のようにまとめられる：
同じアクチュエータ寸法の場合にはより大きな伸長能力又はより小さいアクチュエータ寸法の場合には同じ大きさの伸長能力
とりわけ高い作動力及び負荷耐性
とりわけ高い作動周波数及び作動速度
とりわけ僅少な長時間劣化
とりわけ高いアクチュエータ剛性、これによりアクチュエータにかかる力への伸長の依存性は比較的僅少となる
アクチュエータ入力（電圧又は電流）とアクチュエータ出力（伸長又は曲げ乃至は力又は曲げトルク）との間の線形かつ計算可能な関係
比較的効率的な材料使用
比較的高い効率。

本発明を次に実施例及び図面によって詳しく説明する。この場合、
図１ａ及びｂは２つの平面図におけるアクチュエータの活性電極を示し、
図２はＣＮＴとウェブとの間の結合の詳細図を示し、
図３は並進アクチュエータの原理的構造を示し、ならびに、
図４は曲げアクチュエータの原理的構造を示す。

本発明の中心部分、活性電極を図１ａ及びｂは示しており、図１ｂは線Ａ−Ａ（図１ａ参照）に沿った活性電極の断面図を表す。これらは、互いにパラレルに配置された多数のＣＮＴ２及びこれらに対して直交に配置されたウェブ３を含む複数のアクチュエータ層１から成る。活性電極は図示された実施形態では端部によってウェブを介して固定軸受け４に結合されており、その自由端部を介して、有利には同様にウェブによって端部部分５として形成されて、アクチュエータ作動運動６を実施する。さらに図１ａには弾性エレメント７が圧縮アクチュエータのバイアス応力のために及びウェブ３のガイドのために再現されている。

ＣＮＴは図示された実施形態の活性電極においてクラスタ状にではなく有利には平面内で互いにパラレルに配置されている（図１ｂ参照）。これによって、妨害されない電解質のイオンのアクセスが保証され、これは作動運動の起こるかもしれない遅延及び不均一性を大幅に低減する。

図２は図１ｂにおいてマーキングＢにより図示されたＣＮＴとウェブとの間の接合領域の概略的な詳細拡大図を示す。この接合領域では、ＣＮＴ２は導体金属から成るウェブ３に当たっており、この導体金属は化学的に及び局所的に限定されてコンタクト点においてカーバイド領域８に変化される。カーバイド領域は、ＣＮＴとウェブとの間の素材結合による、従って安定的な機械的かつ電気的な接続に使用される。

図３は原理的な図示において有利には線形作動運動６のための並進アクチュエータの構造を示している。この場合活性電極９もアクチュエータの対向電極１０（受動性導電性電極）も共通する電解質１１の中に挿入されており、電圧又は電流源１２を介して電位差によって、有利には逆極性に電気的に帯電される。

図４は図３に対して有利には揺動運動のための曲げアクチュエータの原理的構造を示している。ここでもまた活性電極９も対向電極１０も電解質１１の中に存在する。図３に図示されたアクチュエータに対して、ここに図示された曲げアクチュエータでは対向電極もＣＮＴ及びウェブから成る結合部として前述のやり方で構成されている。電圧又は電流源１２は電位差によって、有利には逆極性にこれらの電極を電気的に帯電するのに使用される。僅少な電気的帯電はこれら２つの電極において異なる極性符号による形状変化を惹起する。図４に再現されているようなこれら２つの電極が機械的に電気的絶縁性結合エレメント１３を介して互いに結合されているならば、このアクチュエータはバイメタルストリップに匹敵するほどにアクチュエータ作動運動６として曲げ運動を行う。このアクチュエータコンセプトにおいても剛性及び最大力及び伸長は上述の手段によって制御される。

とりわけ上述の実施形態のアクチュエータの実現のためには、原則的にあらゆるタイプのＣＮＴが使用可能であり、しかも個別の金属的ＳＷＣＮＴ、個別の半導体的ＳＷＣＮＴ、個別の金属的及び個別の半導体的ＳＷＣＮＴの混合物、ＭＷＣＮＴ及びＳＷＣＮＴとＭＷＣＮＴとの混合物のようなＳＷＣＮＴクラスタも使用可能である。しかし、重要なのはＣＮＴの中への電荷の注入による同期的（ミクロスコピック）又は準同期的（マクロスコピック）伸長挙動である。上記のＣＮＴタイプはとりわけ冒頭で説明したように比電気抵抗及びＥ−モジュールにおいて異なる。Ｅ−モジュールに関してはこれによって高い剛性、大きな力及び伸長を有するアクチュエータのための個別のＳＷＣＮＴ又は正しく接合されたＭＷＣＮＴの使用が有意義である。

ＣＮＴを電気的に帯電することはＣＮＴの電気機械的特性の利用のために必要不可欠であり、さらに付加的なコストなしでの入力量（電流又は電圧）と出力量（伸長／曲げ乃至は力／曲げトルク）との間の線形関係は望ましいので、この観点からアクチュエータに対する金属的ＳＷＣＮＴの使用は有利である。それゆえ、Ｅ−モジュール及び比電気抵抗に関して、上述の特性を有するアクチュエータの実現のために個別の金属的ＳＷＣＮＴはとりわけ有利であるが、このことは他の上記のＣＮＴ種類の使用を排除しない。

電解質としてはあらゆるイオンキャリヤ、とりわけアルカリ金属イオン及びハロゲン化物イオンを有する塩水溶液（例えば食塩溶液）、固体電解質、希釈された硫酸又はＫＯＨ水溶液が考慮の対象となる。

文献
[l] R.H.Baughman et al.: Carbon Nanotube Actuators; Science, Vol. 284 (21 May 1999) S.1340-1344
[2] G. Sun et al.: Dimensional Changes as a Function of Charge Injection in Single-Walled Carbon Nanotubes; J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) S.15076-15080
[3] DE 102 44 312 A１
[4] WO 00/50771。

図１ａ及びｂは２つの平面図におけるアクチュエータの活性電極を示す。 ＣＮＴとウェブとの間の結合の詳細図を示す。 並進アクチュエータの原理的構造を示す。 曲げアクチュエータの原理的構造を示す。

符号の説明

１ アクチュエータ層
２ 幾何学的に異方性のナノ粒子ナノチューブ／ＣＮＴ
３ ウェブ
４ 固定軸受け
５ 端部部分
６ 作動運動、作用方向
７ 弾性エレメント
８ カーバイド領域
９ 活性電極
１０ 対向電極
１１ 電解質
１２ 電圧又は電流源
１３ 結合エレメント

Claims (13)

1. 電解質（１１）の中に少なくとも１つの活性電極（９）を有するアクチュエータであって、前記活性電極（９）は少なくとも２つのウェブ（３）に取り付けられたかつ優先方向において単一方向に配向された多数の幾何学的な異方性ナノ粒子（２）を有する導電性材料から成る前記少なくとも２つのウェブ（３）を含み、前記ナノ粒子と前記ウェブとの間には導電性接続が存在し、電極には電圧又は電流源（１２）を介してアースに対する電位差が印加可能である、電解質（１１）の中に少なくとも１つの活性電極（９）を有するアクチュエータにおいて、
   前記ナノ粒子（２）はそれぞれ少なくとも２つのウェブに接続され、この接続は素材結合であることを特徴とする、電解質（１１）の中に少なくとも１つの活性電極（９）を有するアクチュエータ。
2. 少なくとも１つの対向電極（１０）をアースとして電解質（１１）の中に含んでいる、請求項１記載のアクチュエータ。
3. ナノ粒子は主にナノチューブを含み、全ナノチューブの少なくとも８０％は最大±２０°の偏差を有して優先方向を指し示すことを特徴とする、請求項１又は２記載のアクチュエータ。
4. ナノ粒子は炭素から成り、ウェブはカーバイドを形成する導体材料から成るか又は導体材料によって被覆されており、主な部材への接続部は導体材料のカーバイドから成り、導体材料もカーバイドも電気的導体又は半導体であることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載のアクチュエータ。
5. 導体材料はチタン又はシリコンを含むことを特徴とする、請求項４記載のアクチュエータ。
6. ナノ粒子は単層又は多層ナノチューブであることを特徴とする、請求項１〜５記載のアクチュエータ。
7. 電極のウェブは互いに電気的に短絡されていることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載のアクチュエータ。
8. ナノ粒子（２）は２つのウェブ（３）の間でそれぞれ束又は粒子列を形成し、該束又は粒子列はウェブと共にそれぞれアクチュエータ層（１）を形成し、活性電極は優先方向において機械的に縦続接続された少なくとも２つのアクチュエータ層を含むことを特徴とする、請求項１〜７のうちの１項記載のアクチュエータ。
9. 活性電極（９）の端部はウェブ（３）を介して固定軸受け（４）に接続されており、前記固定軸受け（４）から発して優先方向が作用方向を予め設定することを特徴とする、並進作動運動のための請求項１〜８のうちの１項記載のアクチュエータ。
10. 活性電極は伸長に対して剛性を持つ（dehnsteif）エレメントに対してパラレルに配置され、このエレメントと機械的に結合されていることを特徴とする、曲げ運動のための請求項１〜９のうちの１項記載のアクチュエータ。
11. 伸長に対して剛性を持つエレメントは対向電極であり、活性電極及び対向電極は電気的絶縁性結合エレメント（１３）の向かい合った側面に配置されて機械的に互いに結合されていることを特徴とする、請求項１０記載のアクチュエータ。
12. 対向電極は活性電極に相応して形成されていることを特徴とする、請求項１１記載のアクチュエータ。
13. 電極（９）、対向電極（１０）及び結合エレメント（１３）は端部によって固定軸受け（４）に接続されており、作用方向（６）はもう一方の端部の揺動運動を含むことを特徴とする、請求項１１又は１２記載のアクチュエータ。

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