JP4568885B2 - 高強度、高導電性薄膜によるアクチュエータ素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、導電性薄膜および該薄膜を有するアクチュエータ素子並びにその製造法に関する。特に、導電性薄膜は高密化されたものが好ましい。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）。
従来の方法では、特にカーボンナノチューブの含有量が多い場合にカーボンナノチューブとポリマー、イオン液体の均質混合が困難であり、アクチュエータの性能低下の原因となっていた。特にアクチュエータをパワー密度を大きくするため、電極層のカーボンナノチューブ量を増やした場合にはその傾向が顕著となった。
特開2005-176428
本発明の課題は、アクチュエータに有用な導電性薄膜及び該導電性薄膜を有する積層体並びにアクチュエータ素子及びその製造法を提供することにある。
また、本発明の課題は、パワー密度の大きいアクチュエータ素子を提供することを目的とする。
本発明は上記課題を解決するため、種々検討した結果、キャスト法において溶媒量に工夫を行い、カーボンナノチューブ量を16重量%以上にして高性能な素子を作製することに
成功した。またさらに、キャスト後、熱圧縮を加えることによりさらに厚密化することにより、密度を上げ、高性能アクチュエータ素子を作製する方法を開発した。
成功した。またさらに、キャスト後、熱圧縮を加えることによりさらに厚密化することにより、密度を上げ、高性能アクチュエータ素子を作製する方法を開発した。
本発明は、以下の発明を提供するものである。
１. カーボンナノチューブを16wt%以上含む、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーを含む導電性薄膜。
２. カーボンナノチューブを16wt%以上含む、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーを含む導電性薄膜を厚密化してなる導電性薄膜。
３. 項１または２に記載の導電性薄膜層とイオン伝導層を有する積層体。
４. 項３の積層体を含むアクチュエータ素子。
5. イオン伝導層の表面に、項１または２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４に記載のアクチュエータ素子。
６. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いる電極層用の導電性薄膜層の形成と工程２の溶液を用いるイオン伝導層の形成を同時にあるいは順次行い、導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造を有するアクチュエーター素子を製造する工程。
７. 導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャス
ト、または、射出により行う、項６に記載の方法。
８. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いて導電性薄膜を形成する工程；
工程４：工程３で得られた導電性薄膜を必要に応じて複数枚重ねて圧着して厚密化する工程；
工程5：工程２の分散液を用いてイオン伝導層を形成する工程；
工程6：工程4で形成した高密化導電性薄膜と工程5で形成したイオン伝導層を、圧着によ
り積層し、積層体を形成する工程。
9. 工程３の導電性薄膜層と工程５のイオン伝導層の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出により行う、項8に記載の方法。
１. カーボンナノチューブを16wt%以上含む、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーを含む導電性薄膜。
２. カーボンナノチューブを16wt%以上含む、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーを含む導電性薄膜を厚密化してなる導電性薄膜。
３. 項１または２に記載の導電性薄膜層とイオン伝導層を有する積層体。
４. 項３の積層体を含むアクチュエータ素子。
5. イオン伝導層の表面に、項１または２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４に記載のアクチュエータ素子。
６. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いる電極層用の導電性薄膜層の形成と工程２の溶液を用いるイオン伝導層の形成を同時にあるいは順次行い、導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造を有するアクチュエーター素子を製造する工程。
７. 導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャス
ト、または、射出により行う、項６に記載の方法。
８. 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いて導電性薄膜を形成する工程；
工程４：工程３で得られた導電性薄膜を必要に応じて複数枚重ねて圧着して厚密化する工程；
工程5：工程２の分散液を用いてイオン伝導層を形成する工程；
工程6：工程4で形成した高密化導電性薄膜と工程5で形成したイオン伝導層を、圧着によ
り積層し、積層体を形成する工程。
9. 工程３の導電性薄膜層と工程５のイオン伝導層の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出により行う、項8に記載の方法。
本発明によれば、ヤング率、電極発生圧などが従来のものに比べて格段に向上したアクチュエータ素子が得られる。
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、カーボンナノチューブ、ポリマーおよびイオン液体が使用される。カーボンナノチューブの配合量は、下限が16重量％、好ましくは16.6重量％、より好ましくは20重量％であり、上限は、カーボンナノチューブが均一分散可能である限り特に制限されないが、例えば90重量％、80重量％、70重量％、60重量％、50重量％、40重量％が挙げられる。以下の実施例に示されるように、カーボンナノチューブの配合量が16重量％以上になると、アクチュエータとしての特性が飛躍的に向上する。
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。
［ＮＲｘＨ４−ｘ］＋ （III）
［ＰＲｘＨ４−ｘ］＋ （IV）
上記の式（Ｉ）〜（IV）において、Ｒは炭素数１〜１２の直鎖又は分枝を有する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Ｒ１は炭素数１〜４の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ１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。
［ＰＲｘＨ４−ｘ］＋ （IV）
上記の式（Ｉ）〜（IV）において、Ｒは炭素数１〜１２の直鎖又は分枝を有する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Ｒ１は炭素数１〜４の直鎖又は分枝を有するアルキル基または水素原子を示す。式（Ｉ）において、ＲとＲ１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。
炭素数１〜１２の直鎖又は分枝を有する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。
炭素数１〜４の直鎖又は分枝を有する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。
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。
、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0.1Sm-1以上の
ものであれば、使用可能である。
ものであれば、使用可能である。
本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型に分けられるなど、各種のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。一般的には、アスペクト比が大きい、すなわち、細くて長い単層ナノチューブがゲルを形成し易い。例えば、アスペクト比が１０３以上、好ましくは１０４以上のカーボンナノチューブが挙げられる。カーボンナノチューブの長さは、通常１μm以上、好ましくは５０μm以上、さらに好ましくは５００μm以上である。カーボンナノチューブの長さの上限は、特に限定されないが
、例えば3mm程度である。
、例えば3mm程度である。
従って、本発明においては、ＳＷＮＴからゲル状組成物を得るのが好ましい。
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（カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製）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。
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。
アクチュエーター素子の電極層に使用される導電性薄膜層は、カーボンナノチューブ、イオン液体及びポリマーから構成される。
導電性薄膜層中のこれらの成分の好ましい配合割合は：
カーボンナノチューブ：16〜90重量％、好ましくは16.6〜70重量％、より好ましくは20〜50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10〜69重量％、より好ましくは15〜64重量％；
である。
カーボンナノチューブ：16〜90重量％、好ましくは16.6〜70重量％、より好ましくは20〜50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10〜69重量％、より好ましくは15〜64重量％；
である。
本発明では、カーボンナノチューブ、イオン液体、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、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒を用いる。
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が挙げられる。
混合溶媒の使用量は、ポリマーとカーボンナノチューブとイオン液体の合計量に対し、
好ましくは35倍量以上である。カーボンナノチューブの配合量が増加するにつれて、混合溶媒の量を増加させるのが望ましい。これは、カーボンナノチューブは凝集して塊状になりやすいためである。
好ましくは35倍量以上である。カーボンナノチューブの配合量が増加するにつれて、混合溶媒の量を増加させるのが望ましい。これは、カーボンナノチューブは凝集して塊状になりやすいためである。
本発明の導電性薄膜を製造するための分散液は、例えばカーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマー及び混合溶剤（親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒）を加え、混合して調製することができる。
また、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である。
導電性薄膜層中の（カーボンナノチューブ＋イオン液体）と（ポリマー）の配合比（重量比）は、（カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：２〜６：１であるのが好ましく、（カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：１〜４：１であるのがより好ましい。
は3/100〜15/100である。
導電性薄膜層中の（カーボンナノチューブ＋イオン液体）と（ポリマー）の配合比（重量比）は、（カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：２〜６：１であるのが好ましく、（カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：１〜４：１であるのがより好ましい。
なお、導電性薄膜層には混合溶媒（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。
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。
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。
本発明の導電性薄膜は、キャスト等により製造されたものをそのまま使用してもよいが、該薄膜を単独で、あるいは2枚以上(好ましくは2〜5枚、より好ましくは2〜4枚)を重ね
た後、プレス(熱プレス)して厚密化するのが好ましい。プレスの条件としては、圧力0.5
〜3MPa、温度40〜100℃程度が好ましい。プレスは１回のみ行ってもよく、2回以上繰り返して、さらに厚密化してもよい。プレス後の圧縮度（（元の厚みープレス後の厚み）／元の厚み）としては、３０％〜６０％程度である。本発明のアクチュエータ素子は、2枚の
厚密化導電性薄膜を予め形成し、これとイオン伝導層を重ねて圧着して製造することができる。
た後、プレス(熱プレス)して厚密化するのが好ましい。プレスの条件としては、圧力0.5
〜3MPa、温度40〜100℃程度が好ましい。プレスは１回のみ行ってもよく、2回以上繰り返して、さらに厚密化してもよい。プレス後の圧縮度（（元の厚みープレス後の厚み）／元の厚み）としては、３０％〜６０％程度である。本発明のアクチュエータ素子は、2枚の
厚密化導電性薄膜を予め形成し、これとイオン伝導層を重ねて圧着して製造することができる。
本発明の方法で製造するアクチュエータ素子としては、例えば、イオン伝導層１を、その両側から、カーボンナノチューブとイオン液体とポリマーを含む導電性薄膜層（電極層）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）。
イオン伝導層の表面に、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、例えば、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒からなる分散液（導電性薄膜層形成用）、ならびに、イオン液体(任意成分)、ポリマーおよび混合溶媒からなる溶液（イオン伝導層形成用）を、順次、キャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させれば良い。
イオン伝導層１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２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。
り好ましい。導電性薄膜層２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。
導電層３の厚さは、10〜50nmであるのが好ましい。
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０．５〜１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。
このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図２に示すように、イオン伝導層１の表面に相互に絶縁状態で形成された導電性薄膜層２，２に電位差がかかると、導電性薄膜層２，２内のカーボンナノチューブ相とイオン液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、導電性薄膜層２，２が伸縮するためである。図２に示すように、プラス極側に曲がるのは、量子化学的効果により、カーボンナノチューブがマイナス極側でより大きくのびる効果があることと、現在よく用いられるイオン液体では、カチオン４のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図２において、４はイオン液体のカチオンを示し、５はイオン液体のアニオンを示す。
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、カーボンナノチューブ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、カーボンナノチューブ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。
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などの医療、福祉用ロボット、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、イオン伝導層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、図３に示すように、平面状のイオン伝導層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、図４に示すものは、径が１ｍｍ程度のイオン伝導層１のロッドの周囲に４本の導電性薄膜層２を形成したものである。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。
このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図２に示すように、イオン伝導層１の表面に相互に絶縁状態で形成された導電性薄膜層２，２に電位差がかかると、導電性薄膜層２，２内のカーボンナノチューブ相とイオン液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、導電性薄膜層２，２が伸縮するためである。図２に示すように、プラス極側に曲がるのは、量子化学的効果により、カーボンナノチューブがマイナス極側でより大きくのびる効果があることと、現在よく用いられるイオン液体では、カチオン４のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図２において、４はイオン液体のカチオンを示し、５はイオン液体のアニオンを示す。
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、カーボンナノチューブ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、カーボンナノチューブ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。
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などの医療、福祉用ロボット、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、イオン伝導層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、図３に示すように、平面状のイオン伝導層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、図４に示すものは、径が１ｍｍ程度のイオン伝導層１のロッドの周囲に４本の導電性薄膜層２を形成したものである。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。
＜実験法の共通の説明＞
1. 使用した薬品、材料
使用したイオン液体(IL)：
エチルメチルイミダゾール(I)テトラフルオロボレート（EMIBF4）
＜実験法の共通の説明＞
1. 使用した薬品、材料
使用したイオン液体(IL)：
エチルメチルイミダゾール(I)テトラフルオロボレート（EMIBF4）
使用したカーボンナノチューブ：高純度単層カーボンナノチューブ(SWNT) HiPco (CNT Inc. 社製)
使用したベースポリマー：ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF(HFP)) (III)
使用したベースポリマー：ポリフッ化ビニリデンーヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF(HFP)) (III)
使用した溶媒
溶媒A：4-Methyl-2pentanone(MP) （疎水性）
溶媒B：Propylene Carbonate (PC) （親水性）
２．電極キャスト液の一般的作製方法
SWNT、PVDF(HFP)、IL、PC、MPを適当な割合で混ぜ、超音波洗浄機中で１時間以上、分
散させて、分散液を作製。その後、液温を80℃にあげ、３０分以上撹拌する。
３．ゲル電解質キャスト液の一般的作製方法
IL、PVDF(HFP)、PC、MPを適当な割合で混ぜ、80℃に液温をあげて３０分以上撹拌する
。
４．電極／電解質ゲル／電極３層構造からなるアクチュエータ素子の変位測定方法
図５に示す様にレーザー変位計を用い、素子を1mmx15mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の10mmの位置の変位を測定した。
５．電極／電解質ゲル／電極からなる曲げ力測定法
図6に示す様にロードセルを用い、素子を4mmx8mmの切り取り、電圧を加えた時の素子の先端の曲げの発生力を測定する。
６．電極導電率測定法
電極の導電率は、図7に示す様な構成で、電極の両端、および、表面の２点間に金ペー
ストで直径50μmの金線を接合し、両端の金線に定電流源で一定電流を流し、表面に接続
した接点間の電圧を測定することで、電極の抵抗を測定した。この時の電極の厚みd、電
極の幅をbとすると断面積S＝bdである。流した電流がI、測定した電圧がV、電圧測定端子間距離がLとすると、
コンダクタンス G＝I/V［S］
導電率＝GL／S［Scm-1］
となる。
７．ヤング率測定法
引張り試験機を用い、応力-歪み特性から、電極フィルムのヤング率をもとめた。
実施例１
1-A
共通説明２の方法に従い、表１の様な成分の６種類の電極キャスト液を作製し、キャストを行って、電極フィルムを得た。
溶媒A：4-Methyl-2pentanone(MP) （疎水性）
溶媒B：Propylene Carbonate (PC) （親水性）
２．電極キャスト液の一般的作製方法
SWNT、PVDF(HFP)、IL、PC、MPを適当な割合で混ぜ、超音波洗浄機中で１時間以上、分
散させて、分散液を作製。その後、液温を80℃にあげ、３０分以上撹拌する。
３．ゲル電解質キャスト液の一般的作製方法
IL、PVDF(HFP)、PC、MPを適当な割合で混ぜ、80℃に液温をあげて３０分以上撹拌する
。
４．電極／電解質ゲル／電極３層構造からなるアクチュエータ素子の変位測定方法
図５に示す様にレーザー変位計を用い、素子を1mmx15mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の10mmの位置の変位を測定した。
５．電極／電解質ゲル／電極からなる曲げ力測定法
図6に示す様にロードセルを用い、素子を4mmx8mmの切り取り、電圧を加えた時の素子の先端の曲げの発生力を測定する。
６．電極導電率測定法
電極の導電率は、図7に示す様な構成で、電極の両端、および、表面の２点間に金ペー
ストで直径50μmの金線を接合し、両端の金線に定電流源で一定電流を流し、表面に接続
した接点間の電圧を測定することで、電極の抵抗を測定した。この時の電極の厚みd、電
極の幅をbとすると断面積S＝bdである。流した電流がI、測定した電圧がV、電圧測定端子間距離がLとすると、
コンダクタンス G＝I/V［S］
導電率＝GL／S［Scm-1］
となる。
７．ヤング率測定法
引張り試験機を用い、応力-歪み特性から、電極フィルムのヤング率をもとめた。
実施例１
1-A
共通説明２の方法に従い、表１の様な成分の６種類の電極キャスト液を作製し、キャストを行って、電極フィルムを得た。
CNTが16wt％以上では溶媒MPが９mlと多くすることにより、CNTの分散性のよい電極をえることが可能となった。
1-B
1-Aの電極フィルムを共通説明６の方法に従い、導電率測定を行った。
その結果を表2、図8に示す。
1-B
1-Aの電極フィルムを共通説明６の方法に従い、導電率測定を行った。
その結果を表2、図8に示す。
1-C
1-Aの電極フィルムのヤング率測定結果は表３の通りである。
1-Aの電極フィルムのヤング率測定結果は表３の通りである。
1-D
電解質ゲルキャスト液を共通説明３の方法で作製し、表4に示す各電極液を用いて、電極
、電解質、電極の順にキャストし、溶媒を乾燥することでアクチュエータ素子を得た。電解質ゲルキャスト液の成分は、PVDF（HFP）200mg, PC 0.3ml, MP 3mlである。その素子の変位特性を±１．5Vの方形波電圧を加えて測定を行った。その時の素子の厚み、変位、変位より計算した電極層の伸縮率、またその時の各電極のヤング率、さらにその時の電極における伸縮の発生圧力を表４に示す。カーボンナノチューブ量が16wt％以上で電極の発生圧力が非常に大きくなっているのが分かる。電極層の導電率、およびヤング率が大きくなったことに起因する。
電解質ゲルキャスト液を共通説明３の方法で作製し、表4に示す各電極液を用いて、電極
、電解質、電極の順にキャストし、溶媒を乾燥することでアクチュエータ素子を得た。電解質ゲルキャスト液の成分は、PVDF（HFP）200mg, PC 0.3ml, MP 3mlである。その素子の変位特性を±１．5Vの方形波電圧を加えて測定を行った。その時の素子の厚み、変位、変位より計算した電極層の伸縮率、またその時の各電極のヤング率、さらにその時の電極における伸縮の発生圧力を表４に示す。カーボンナノチューブ量が16wt％以上で電極の発生圧力が非常に大きくなっているのが分かる。電極層の導電率、およびヤング率が大きくなったことに起因する。
電極伸縮率は、以下の式を用いて変位より計算した。
電極伸縮率（％）＝変位X厚み／（素子長）２x１００
電極発生圧はフックの法則より、伸縮率とヤング率から計算を行った。
電極発生圧はフックの法則より、伸縮率とヤング率から計算を行った。
電極発生圧＝ヤング率X伸縮率
実施例２ カーボンナノチューブ量の多い電極層の作製におけるキャスト液組成の影響
2-A
電極層中におけるCNT量を16wt％として、溶媒MP量を表５の様にかえ、電極キャスト液
を作製した。そのキャスト液を用い、１-Dと同様の電解質ゲルキャスト液を用いて、アクチュエータフィルムをキャスト法で作製した。
実施例２ カーボンナノチューブ量の多い電極層の作製におけるキャスト液組成の影響
2-A
電極層中におけるCNT量を16wt％として、溶媒MP量を表５の様にかえ、電極キャスト液
を作製した。そのキャスト液を用い、１-Dと同様の電解質ゲルキャスト液を用いて、アクチュエータフィルムをキャスト法で作製した。
2-B
2-Aの電極液を用い、1-Dと同様の電解質液を用いてキャストして製膜した4種類のアクチ
ュエータ素子の変位を測定した。その結果を表６に示す。
2-Aの電極液を用い、1-Dと同様の電解質液を用いてキャストして製膜した4種類のアクチ
ュエータ素子の変位を測定した。その結果を表６に示す。
2-C
2-Aの電極液から電極フィルムを作製し、電極のヤング率を測定した。
2-Bの変位測定結果と合わせ、電極伸縮率、発生圧をまとめた結果を表７に示す。溶媒量
が多い程、電極発生圧が大きくなることが分かる。電極層内のカーボンナノチューブの分散が良くなり、ヤング率、導電率が良くなったためであると考えられる。図９にインピーダンス測定で測定した電極層の抵抗を示す。固形分量が少ない程（溶媒量が多い程）抵抗が小さいことが分かる。
2-Aの電極液から電極フィルムを作製し、電極のヤング率を測定した。
2-Bの変位測定結果と合わせ、電極伸縮率、発生圧をまとめた結果を表７に示す。溶媒量
が多い程、電極発生圧が大きくなることが分かる。電極層内のカーボンナノチューブの分散が良くなり、ヤング率、導電率が良くなったためであると考えられる。図９にインピーダンス測定で測定した電極層の抵抗を示す。固形分量が少ない程（溶媒量が多い程）抵抗が小さいことが分かる。
実施例３
3-A キャスト液の作製
電極液の組成：SWNT 50mg, PVDF(HFP) 80mg, IL 120mg, PC 240mg, MP 9ml
電解質ゲル液の組成：PVDF(HFP) 100mg, IL100mg, PC 300mg, MP 3ml
以上の組成のキャスティング液を作製
3-B キャスト膜の作製
電極液、電解液を順次キャストして電極／電解質／電極の３層構造からなるアクチュエータフィルムを作製
3-C プレス圧縮膜の作製
電極液より電極フィルムを作製。３枚の電極フィルムを７０℃、１MPaでプレス圧縮して
１枚にする。その時のあつみ変化、圧縮率は表８の通り。
3-A キャスト液の作製
電極液の組成：SWNT 50mg, PVDF(HFP) 80mg, IL 120mg, PC 240mg, MP 9ml
電解質ゲル液の組成：PVDF(HFP) 100mg, IL100mg, PC 300mg, MP 3ml
以上の組成のキャスティング液を作製
3-B キャスト膜の作製
電極液、電解液を順次キャストして電極／電解質／電極の３層構造からなるアクチュエータフィルムを作製
3-C プレス圧縮膜の作製
電極液より電極フィルムを作製。３枚の電極フィルムを７０℃、１MPaでプレス圧縮して
１枚にする。その時のあつみ変化、圧縮率は表８の通り。
3-D
プレス圧縮膜と、キャスト膜、曲げ力の測定結果を表９に示す。素子の厚みはキャストのものが392μmでほぼ同様である。圧縮によりナノチューブの密度が大きくなった結果、曲げ力が大きくなったものと思われる。
プレス圧縮膜と、キャスト膜、曲げ力の測定結果を表９に示す。素子の厚みはキャストのものが392μmでほぼ同様である。圧縮によりナノチューブの密度が大きくなった結果、曲げ力が大きくなったものと思われる。
3-E
3-Aの電極キャスト液より電極フィルムを作製。７０℃、１MPaで１分間プレス圧縮する前後の導電率とヤング率を測定した結果を表１０に示す。いずれの値も大きくなっているのが分かる。
3-Aの電極キャスト液より電極フィルムを作製。７０℃、１MPaで１分間プレス圧縮する前後の導電率とヤング率を測定した結果を表１０に示す。いずれの値も大きくなっているのが分かる。
１ イオン伝導層
２ 導電性薄膜層
３ 導電層
４ イオン液体のカチオン
５ イオン液体のアニオン
２ 導電性薄膜層
３ 導電層
４ イオン液体のカチオン
５ イオン液体のアニオン
Claims (9)
- カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーを含む導電性薄膜とイオン伝導層を有する積層体を含むアクチュエータ素子であって、該導電性薄膜重量に対してカーボンナノチューブを16wt%以上含む、アクチュエータ素子。
- 導電性薄膜重量に対してカーボンナノチューブを16wt%以上含む導電性薄膜を厚密化して
なる、請求項１に記載のアクチュエータ素子。 - 導電性薄膜重量に対してカーボンナノチューブを16.6〜70wt%含む請求項１又は２に記載
のアクチュエータ素子。 - 導電性薄膜重量に対してカーボンナノチューブを20〜50wt%含む請求項３に記載のアクチ
ュエータ素子。 - イオン伝導層の表面に、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１〜４のいずれかに記載のアクチュエータ素子。
- 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いる電極層用の導電性薄膜層の形成と工程２の溶液を用いるイオン伝導層の形成を同時にあるいは順次行い、導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造を有するアクチュエータ素子を製造する工程。 - 導電性薄膜層とイオン伝導層の積層構造の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出により行う、請求項６に記載の方法。
- 以下の工程を含むことを特徴とするアクチュエータ素子の製造方法
工程１：カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび混合溶媒を含む導電性薄膜作製用の分散液を調製する（ここで、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーの合計量を１００重量％としたときのカーボンナノチューブの割合は、16wt%以上であり
、前記分散液の溶媒量は固形分（カーボンナノチューブ＋ポリマー＋イオン液体）の35倍以上であり、かつ、前記混合溶媒は、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒である）；
工程２：ポリマーおよび溶媒、必要に応じてさらにイオン液体を含む、イオン伝導層用の溶液を調製する工程；
工程３：工程１の分散液を用いて導電性薄膜を形成する工程；
工程４：工程３で得られた導電性薄膜を必要に応じて複数枚重ねて圧着して厚密化する工程；
工程５：工程２の分散液を用いてイオン伝導層を形成する工程；
工程６：工程４で形成した高密化導電性薄膜と工程５で形成したイオン伝導層を、圧着により積層し、積層体を形成する工程。 - 工程３の導電性薄膜層と工程５のイオン伝導層の形成を、塗布、印刷、押し出し、キャスト、または、射出により行う、請求項８に記載の方法。
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