JP2014024954A - 粘土材を添加した炭素電極を用いたアクチュエータ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】変形量が大きく、長時間通電しても変形量が大きく変化しないアクチュエータの創出。
【解決手段】カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜であって、前記高分子ゲルの内部もしくは表面に油脂及び撥水剤からなる群から選ばれる少なくとも１種を含む、導電性薄膜。
【選択図】なし

Description

本発明は、導電性薄膜、電解質膜、これらの積層体及びアクチュエータ素子に関する。ここでアクチュエータ素子は、電気化学反応や電気二重層の充放電などの電気化学プロセスを駆動力とするアクチュエータ素子である。

空中、あるいは真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを導電性の伸縮性のある活性層として用いるアクチュエータが提案されている（特許文献１）。

従来の素子の構造は、イオン液体ゲルを電解質層としてカーボンナノチューブとイオン液体とポリマーを含む電極層でサンドイッチ構造にしたものである。この素子は、変形の立ち上がり速度が早い点で優れているが、長時間通電すると変形量が縮小し、逆方向に変位することがあった。

特開２００５−１７６４２８

本発明は、一定電圧を長時間印加し続けた場合にもその変形量が維持され、逆方向の変位が生じないアクチュエータの創出を目的とする。

本発明者は上記課題に鑑み検討を重ねた結果、アクチュエータ素子を構成する導電性薄膜に粘土材を存在させることで、変形量が維持され、逆方向の変位が抑制されることを見出した。

本発明は、以下の導電性薄膜、積層体及びアクチュエータ素子に関する。
項１． 粘土材、ナノカーボン材料、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜。
項２． ナノカーボン材料を5〜90重量％；イオン液体を5〜80重量％；ポリマーを4〜70重量％含み、粘土材は、ナノカーボン材料、イオン液体及びポリマーの合計量100重量部に対し1〜50重量部含む、項１に記載の導電性薄膜。
項３． さらに導電性材料を含む、項１又は２に記載の導電性薄膜。
項４． 導電性材料の配合量は、粘土材１００重量部に対し１０〜２００重量部である、項３に記載の導電性薄膜。
項５． 項１〜４のいずれかに記載の1 枚または2 枚以上の導電性薄膜とイオン液体およびポリマーから構成される1 枚または2 枚以上の電解質膜を積層して得られる積層体。
項６． 項５に記載の積層体を含むアクチュエータ素子。
項７． イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、項１〜４のいずれかに記載の導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2 個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている項６に記載のアクチュエータ素子。

これまで開発してきたカーボンナノチューブ、イオン液体および支持高分子からなるアクチュエータ素子は電圧を印加すると屈曲変形が生じるが、一定電圧を長時間印加し続けるとその変形量が減少してきたり、あるいは、逆方向に変形してしまうという問題点が明らかになってきた。そこで、この問題を改善するために、アクチュエータ素子の電極膜中に粘土材を適当量添加したところ、変形の戻り現象を改善することに成功した。また、添加量を調節することにより、粘土材を添加しない場合に比べ、発生力も向上できることが明らかになった。

本発明によれば、高速ないし低周波域の応答性がさらに改善され、一定電圧を印加し続けた場合の変位の戻り現象を抑制することができるようになった。

本発明は、ナノカーボンを分散した電極を用いた高分子アクチュエータを実用化する上で極めて重要な発見である。

（Ａ）は、本発明のアクチュエータ素子（３層構造）の一例の構成の概略を示す図であり、（Ｂ）は、本発明のアクチュエータ素子（５層構造）の一例の構成の概略を示す図である。 本発明の実施例でアクチュエータ素子変位評価法に用いたレーザ変位計による評価法を示す。 カオリンの添加効果：導電性添加物無し。 カオリンの添加効果：イオン液体量の最適化。 カオリンの添加効果：戻り現象の改善。

１ 電解質膜
２ 導電性薄膜層
３ 導電層

本発明において、アクチュエータ素子の電極層に使用する導電性薄膜には、ナノカーボン材料、ポリマー、イオン液体と粘土材が使用される。

本発明に用いられるイオン液体（ionic liquid）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば０℃、好ましくは−２０℃、さらに好ましくは−４０℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン導電性が高いものが好ましい。

本発明においては、各種公知のイオン液体を使用することができるが、常温（室温）または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（IV）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン、第４級アンモニウムイオン）と、アニオン（Ｘ−）より成るものが挙げられる。

上記の式（Ｉ）〜（IV）において、Ｒは直鎖又は分枝を有するＣ_１〜Ｃ_１２アルキル基またはエーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基を示し、式（Ｉ）においてＲ^１は直鎖又は分枝を有するＣ_１〜Ｃ_４アルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ^１は同一ではないことが好ましい。式（III）および（IV）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。

直鎖又は分枝を有するＣ_１〜Ｃ_１２アルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどの基が挙げられる。炭素数は好ましくは１〜８，より好ましくは１〜６である。

直鎖又は分枝を有するＣ_１〜Ｃ_４アルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチルが挙げられる。

エーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、CH₂OCH₃、(CH₂)_p(OCH₂CH₂)_qOR²（ここで、ｐは１〜４の整数、ｑは１〜４の整数、R²はCH₃又はC₂H₅を表す）が挙げられる。

アニオン（Ｘ⁻）としては、テトラフルオロホウ酸イオン（BF₄ ^-）、BF₃CF₃ ^-、BF₃C₂F₅ ^-、BF₃C₃F₇ ^-、BF₃C₄F₉ ^-、ヘキサフルオロリン酸イオン（PF₆ ^-）、ビス（トリフルオロメタンスルホニル）イミド酸イオン（（CF₃SO₂)₂N^-）、過塩素酸イオン(ClO₄ ^-)、トリス（トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン(CF₃SO₂)₃C^-）、トリフルオロメタンスルホン酸イオン（CF₃SO₃ ^-）、ジシアンアミドイオン（(CN)₂N^-）、トリフルオロ酢酸イオン（CF₃COO^-）、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。

これらのうち、イオン液体としては、例えば、カチオンが１−エチル−３−メチルイミダゾリウムイオン、[N(CH₃)(CH₃)(C₂H₅)(C₂H₄OC₂H₄OCH₃)]⁺、アニオンがハロゲンイオン、テトラフルオロホウ酸イオンのものが、具体的に例示できる。なお、カチオン及び／又はアニオンを２種以上使用し、融点をさらに下げることも可能である。

ただし、これらの組み合わせに限らず、イオン液体であって、導電率が0.01Sm^-1以上のものであれば、使用可能である。

本発明で使用されるナノカーボン材料は、ナノサイズの炭素（カーボン）を含有する導電性材料を意味し、例えばカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーなどが挙げられ、これらを単独で、又は２種以上を混合して使用することができる。ナノカーボン材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノファイバーの場合には、平均短径がナノサイズ（例えば平均短径が500nm以下、或いは300nm以下、特に100nm以下）であればよい。長径は、特に限定されず平均でサブミクロンから数ｍｍ或いはそれ以上長くてもよい。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよい。

実用に供されるカーボンナノチューブの好適な例として、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なＨｉＰｃｏ（ユニダイム社製）が挙げられるが、勿論、これに限定されるものではない。

本発明に用いられるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、ポリ−２−ヒドロキシエチルメタクリレート（poly-ＨＥＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリ（メタ）アクリレート類、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。

粘土材としては、例えば、天然または合成のカオリン、タルク、クレイ、スメクタイト、ベントナイト、シリカ、ケイソウ土、ケイ酸カルシウム、雲母、アルミナ、ゼオライト、ハロイサイト、エンスタタイト、蛍石、セリサイト、ボールクレイ、モンモリロナイト、蝋石クレー、珪石クレー、蛙目粘土、頁岩粘土、ろう石、酸性白土、メタカオリン、ナノ粒子状クレイ、ナノクレイ、セピオライト、アタパルジャイト、長石などが挙げられ、天然または合成のカオリンが好ましい。

本発明の導電性薄膜には、さらに導電性材料を添加することができる。導電性材料としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、カーボン材(活性炭、黒鉛材料、カーボンブラックなど)或いはこれらの２種又は３種の混合物が挙げられる。導電性ポリマーの製造に使用される導電性モノマーは、アニリン、ピロール、チオフェン、あるいはこれらの誘導体が挙げられる。誘導体としては、重合に関与する以外の位置に１〜３個、好ましくは１〜２個の置換基を有していてもよい。置換基としては、メチル、エチル、プロピル、ハロゲン（Ｆ，Ｃｌ，Ｂｒ，Ｉ）、メトキシ、エトキシ、プロポキシ、アミノ、アセチルアミノ、ＯＨ、ＳＨ、メチルチオ、エチルチオ、トリフルオロメチル、メチレンジオキシなどが挙げられる。

アクチュエータ素子の電極層に使用される導電性薄膜層は、ナノカーボン材料、イオン液体、ポリマー、並びに、粘土材、必要に応じてさらに導電性材料から構成される。

導電性薄膜層中のナノカーボン材料、イオン液体、ポリマーの好ましい配合割合は導電性薄膜層全体に対し、：
ナノカーボン材料：
5〜90重量％、好ましくは7〜70重量％、より好ましくは9〜50重量%；
イオン液体：
5〜 80重量％、好ましくは15〜 73.4重量％、より好ましくは20〜69重量%；
ポリマー：
4〜70重量％、好ましくは7〜68.4重量％、より好ましくは10〜64重量%；
である。

粘土材は、ナノカーボン材料、イオン液体及びポリマーの合計量100重量部に対し
1〜50重量部、好ましくは5〜40重量部、より好ましくは10〜35重量部配合される。

本発明のアクチュエータ素子としては、例えば、電解質膜1を、その両側から、ナノカーボン材料とイオン液体とポリマーと導電補助剤を含む導電性薄膜層（電極層）2,2で挟んだ３層構造のものが挙げられる(図1A) 。また、電極の表面伝導性を増すために、電極層2,2の外側にさらに導電層3,3が形成された５層構造のアクチュエータ素子であってもよい(図1B) 。

電解質膜の表面に導電性薄膜層を形成してアクチュエータ素子を得るには、ナノカーボン材料、イオン液体、ポリマーおよび粘土材を溶媒に分散した電極用ゲル溶液とイオン液体およびポリマーからなる電解質用ゲル溶液を交互にキャスト法により塗布、乾燥、積層することにより行うか、もしくは、上記のようにキャスト、乾燥することにより得た電解質膜の表面に、同様に別途、キャスト、乾燥することにより得た導電性薄膜を熱圧着することにより得ることが出来る。

また、導電性薄膜層は例えば以下の様にして得ることもできる。粘土材及びポリマーを配合したナノカーボン材料にイオン液体を染み込ませる。あるいは、粘土材を配合したナノカーボン材料にイオン液体とポリマーを溶媒に分散させたイオン液体ゲルの溶液を染み込ませる、あるいは、溶液中に粘土材及びポリマーを配合したナノカーボン材料を浸し、その後、溶媒を乾燥させることによって得ることができる。電解質膜は、イオン液体とポリマー、溶媒から構成されるイオンゲル溶液をキャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させることによって得ることができる。

本発明では、粘土材、ナノカーボン材料とイオン液体、さらにポリマーを含む導電性薄膜層の調製において、各成分を均質に混合するのが重要である。各成分が均質混合された分散液を調製するためには、溶媒を用いるのが好ましく、例えば疎水性溶媒と親水性溶媒の混合溶媒を使用するのが特に好ましい。

親水性溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトン、メタノール、エタノールなどの炭素数１〜３の低級アルコール、アセトニトリル、N,N-ジメチルアセトアミド、N-メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。疎水性溶媒としては、４−メチルペンタン−２−オンなどの炭素数５〜１０のケトン類、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素類等が挙げられる。

本発明の導電性薄膜を製造するための分散液は、粘土材、イオン液体とナノカーボン材料を混練してゲル化させ、その後ポリマーと溶剤(例えば、イオン液体が親水性の場合には、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加えて分散液を調製してもよく、粘土材、ナノカーボン材料、イオン液体、ポリマー及び必要に応じて溶剤(例えば、イオン液体が親水性の場合には、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加え、ゲル化のプロセスなしに分散液を調製してもよい。その場合、各成分を混合するのに超音波による分散も有効である。

いったんゲル化させた後に分散液を調製する場合、混合溶媒の割合としては、親水性溶媒：疎水性溶媒（重量比）＝２０：１〜１：１０であるのが好ましく、２：１〜１：５であるのがより好ましい。また、N, N-ジメチルアセトアミドやN-メチルー２−ピロリドンを、それぞれ、単独の溶媒として用いることもできる。

また、ゲル化のプロセスなしに分散液を調製する場合、親水性溶媒（PC）/疎水性溶媒（MP）=1/100〜20/100が好ましく、より好ましくは3/100〜15/100を用いる。また、N, N-ジメチルアセトアミドやN-メチルー２−ピロリドンを、それぞれ、単独の溶媒として用いることもできる。

導電性薄膜層は、粘土材、ナノカーボン材料、イオン液体及びポリマーを含む高分子ゲルから構成される。

導電性薄膜層中の（粘土材＋ナノカーボン材料＋イオン液体）と（ポリマー）の配合比（重量比）は、（粘土材＋ナノカーボン材料＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：２〜２０：１であるのが好ましく、（粘土材＋ナノカーボン材料＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：１〜１０：１であるのがより好ましい。粘土材とナノカーボン材料とイオン液体を混合して予めゲルを形成し、このゲルにポリマーと溶媒を混合して導電性薄膜調製用の分散液を得ることもできる。この場合、（粘土材＋ナノカーボン材料＋イオン液体）：（ポリマー）は、より好ましくは１：１〜１０：１である。

さらに導電性材料を配合する場合、導電性材料の配合量は、粘土材を１００重量部として、１０〜２００重量部、好ましくは３０〜１００重量部である。

なお、導電性薄膜層には溶媒（疎水性溶媒と親水性溶媒）が若干含まれていてもよいが、通常の乾燥条件において除去可能な溶媒はできるだけ除去しておくのが好ましい。

イオン伝導層（電解質膜）を構成するゲル状組成物は、ポリマーとイオン液体から構成される。好ましいイオン伝導層は、このゲル状組成物を得る際の親水性イオン液体とポリマーの配合比（重量比）が、親水性イオン液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるのが好ましく、親水性イオン液体：ポリマー＝１：２〜２：１であるのがより好ましい。

２つ以上の導電性薄膜層を分離するセパレーターの役割を果たすイオン伝導層は、ポリマーを溶媒に溶解し、塗布、印刷、押し出し、キャスト、射出などの常法に従い形成することができる。イオン伝導層は、実質的にポリマーのみで形成してもよく、イオン液体をポリマーに加えて形成してもよい。

導電性薄膜層とイオン伝導層に使用するポリマーは同一であっても異なっていてもよいが、両者は同一であるか、性質の類似したポリマーであるのが、導電性薄膜層とイオン伝導層の密着性を向上させるのに好ましい。

電解質膜の厚さは、5〜200μｍであるのが好ましく、10〜100μｍであるのがより好ましい。導電性薄膜層の厚さは、10〜500μｍであるのが好ましく、50〜300μｍであるのがより好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート、印刷、スプレー等も用いることができる。さらに、押し出し法、射出法等も用いることができる。

このようにして得られたアクチュエータ素子は、電極間（電極は導電性薄膜層に接続されている）に０．５〜４Ｖの直流電圧を加えると、数秒以内に素子長の０．０５〜１倍程度の変位を得ることができる。また、このアクチュエータ素子は、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。

上記の方法で得ることのできるアクチュエータ素子によれば、ナノカーボン材料とイオン液体とのゲルの界面有効面積が極めて大きくなることから、界面電気二重層におけるインピーダンスが小さくなり、ナノカーボン材料の電気伸縮効果が有効に利用される効果に寄与する。また、機械的には、界面の接合の密着性が良好となり、素子の耐久性が大きくなる。その結果、空気中、真空中で、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久性のある素子を得ることができる。しかも、構造が簡単で、小型化が容易であり、小電力で作動することができる。さらに、ナノカーボン材料に導電性の添加剤を加えることにより、電極膜の導電性および充填率が向上し、従来の同様の素子より、効率的に力の発生が起こる。

本発明のアクチュエータ素子は、空気中、真空中で耐久性良く作動し、しかも低電圧で柔軟に作動することから、安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ（例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ）、また、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レスキュー用などの特殊環境下で働くロボット、また、手術デバイスやマッスルスーツ、床ずれ防止用などの医療、福祉用ロボット、ブレーキ、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。

特に、純度の高い製品を得るために、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、純度の高い製品を得るために、試料の運搬や位置決め等のためのアクチュエータの要求が高まっており、全く蒸発しないイオン液体を用いた本発明のアクチュエータ素子は、汚染の心配のないアクチュエータとして、真空環境下でのプロセス用アクチュエータとして有効に用いることができる。

なお、電解質膜表面への導電性薄膜層の形成は少なくとも２層必要であるが、平面状の電解質膜１の表面に多数の導電性薄膜層２を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータ素子の形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。例えば、径が１ｍｍ程度の電解質膜１のロッドの周囲に４本の導電性薄膜層２を形成したものが挙げられる。この素子により、細管内に挿入できるようなアクチュエータが実現可能である。

以下、本発明を実施例に基づき、より詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは言うまでもない。

なお、本実施例において、アクチュエータ素子変位評価は、以下のようにして行った。

アクチュエータ素子変位評価法：図２に示す様にレーザ変位計を用い、試験例1の結果のうち、図３、図４、図５については、素子を1mmx10mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の５mmの位置での変位を測定した。一方、表１では素子を2mmx10mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の４mmでの位置の変位と発生力を測定した。また、測定した変位から式（１）により伸縮率を求め、各アクチュエータ素子の変形量を比較した。

実施例および比較例で用いたイオン液体（ＩＬ）は、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ_４）である。

実施例および比較例で用いたカーボンナノチューブは、高純度単層カーボンナノチューブ（ユニダイム社製「ＨｉＰｃｏ」）（以下、ＳＷＣＮＴともいう）である。

実施例および比較例で用いたポリマーは、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）；商品名kynar2801］(Ｖ)である。

実施例および比較例で用いた溶媒はN,N-ジメチルアセトアミド（DMAC）である。

実施例で用いたカオリン(Kao)は、和光純薬工業株式会社社製である。

実施例で用いたポリアニリン(PANI)は、アルドリッチ社製である。

調製例１
［導電性薄膜層形成用分散液の調製］
DMAC溶媒中に、カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）とイオン液体（ＩＬ）、ポリマー［粉末状ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、粘土材、必要に応じてさらに導電性材料であるポリアニリン(PANI)を分散させて、マグネチックスターラーにて撹拌、その後、超音波による分散を行うことにより導電性薄膜層形成用分散液を調製する。

［電解質膜形成用溶液の調製］
イオン液体（ＩＬ）とポリマー［粉末状ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］を、上記導電性薄膜層形成用分散液の調製と同様にして、溶媒に溶解させることにより、電解質膜形成用溶液を調製する。

［アクチュエータ素子の製造］
導電性薄膜、電解質膜は、それぞれ上記のように調製した分散液および溶液を、別々にキャストし、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行うことにより得る。

得られた導電性薄膜2枚の間に、電解質膜を1枚挟んで熱圧着することにより3層構造のアクチュエータ素子を得る。

［アクチュエータ素子の評価方法］
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図２に示した装置を用いて行った。図３、図４、図５では、アクチュエータ素子を、幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍの短冊状に切断し、端３mmの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加え、レーザ変位計を用いて、固定端から５ｍｍの位置での変位変化を測定した。一方、表１では、アクチュエータ素子を幅２ｍｍ×長さ１０ｍｍの短冊状に切断し、端３ｍｍの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加え、レーザ変位計を用いて、固定端から４ｍｍの位置での変位と発生力を測定した。

実施例および比較例で用いた溶媒はN,N-ジメチルアセトアミド（DMAC）である。

実施例１：SWCNT/カオリン(50/50)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)，粘土材（カオリン）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/粘土材=50.0mg/80.4mg/120.3mg/50.3mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例２：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/50) (イオン液体量表記：1IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=50.5mg/80.4mg/121.0mg/50.6mg/50.2mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例３：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/50) (イオン液体量表記：2IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=50.3mg/80.4mg/240.1mg/50.2mg/50.3mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例４：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/50) (イオン液体量表記：3IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=50.5mg/81.0mg/361.0mg/50.8mg/50.4mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例５：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/50) (イオン液体量表記：4IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=51.0mg/80.4mg/480.2mg/50.4mg/50.4mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例６：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/100) (イオン液体量表記：2IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=50.6mg/80.4mg/240.4mg/50.0mg/100.0mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

実施例７：SWCNT/PANI/カオリン(50/50/25) (イオン液体量表記：2IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、カオリン(Kao)及びポリアニリン（PANI）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI/カオリン=50.6mg/80.6mg/241.0mg/50.0mg/25.4mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=101.8mg/114.3mg

比較例１：SWCNT(50) (イオン液体量表記：1IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄=50.0mg/80.3mg/120.0mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=200.3mg/200.2mg

比較例２：SWCNT/PANI(50/50) (イオン液体量表記：2IL)
以下の比率で、カーボンナノチューブ（SWCNT）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ_４）、ポリマー(kynar2801)、及びポリアニリン(PANI)を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。
電極：SWCNT/kynar2801/EMIBF₄/PANI=51.0mg/80.8mg/240.2mg/50.0mg
電解質：kynar2801/EMIBF₄=200.3mg/200.2mg

試験例１
実施例１〜８および比較例１〜２で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性、耐久性、電極膜の特性の評価を行った。得られた結果を、図３〜図５、表１に示す。

図５の結果から、粘土材を添加することにより、戻り現象（逆変位）が阻止できることが明らかになった。また、図３〜図５の結果から、粘土材とともにポリアニリンのような導電性材料を配合することが好ましいことが分かった。さらに、粘土材とともにポリアニリンを添加した系では、伸縮を改善するために適量のイオン液体を添加することが好ましいことが分かった。

Claims (7)

1. 粘土材、ナノカーボン材料、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲルから構成される導電性薄膜。
2. ナノカーボン材料を5〜90重量％；イオン液体を5〜80重量％；ポリマーを4〜70重量％含み、粘土材は、ナノカーボン材料、イオン液体及びポリマーの合計量100重量部に対し1〜50重量部含む、請求項１に記載の導電性薄膜。
3. さらに導電性材料を含む、請求項１又は２に記載の導電性薄膜。
4. 導電性材料の配合量は、粘土材１００重量部に対し１０〜２００重量部である、請求項３に記載の導電性薄膜。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の1 枚または2 枚以上の導電性薄膜とイオン液体およびポリマーから構成される1 枚または2 枚以上の電解質膜を積層して得られる積層体。
6. 請求項５に記載の積層体を含むアクチュエータ素子。
7. イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、請求項１〜４のいずれかに記載の導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも2 個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている請求項６に記載のアクチュエータ素子。