JP5539837B2 - 電歪複合構造体及びアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電歪複合構造体（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）及びアクチュエータに関し、特にカーボンナノチューブを含む電歪複合構造体及びアクチュエータに関するものである。

アクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換するデバイスである。例えば、アクチュエータは、電歪アクチュエータ、電磁気アクチュエータ及び電熱アクチュエータ３種類に分類することができる。

典型的な電熱アクチュエータは、二重層構造体であり、熱膨張係数が異なる二つの金属層を含む。前記電熱アクチュエータに電流を提供する場合に、前記二つの金属層の熱膨張係数が異なるので、該電熱アクチュエータは、湾曲することができる。

米国特許第７０４５１０８号明細書 国際公開第２００７/０１５７１０号 米国特許出願公開第２００８／０２９９０３１号明細書

しかしながら、前記電熱アクチュエータにおける前記二つの金属層の柔軟性が低いので、該電熱アクチュエータの熱応答速度が遅い。

従って、本発明は、前記課題を解決するために、熱応答速度が速い電歪複合構造体及びアクチュエータ提供する。

本発明の電歪複合構造体は、柔軟性の高分子構造体及び、該柔軟性の高分子構造体の一つの表面に設置されたカーボンナノチューブ膜状構造体を含む。少なくとも一部の前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、前記柔軟性の高分子構造体の一つの表面から、前記柔軟性の高分子構造体に埋め込まれている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、複数のカーボンナノチューブからなる。該複数のカーボンナノチューブが、分子間力で端と端が接続されている。

本発明の電歪複合構造体は、柔軟性の高分子構造体及び、該柔軟性の高分子構造体に全て埋め込まれた前記カーボンナノチューブ膜状構造体において、前記カーボンナノチューブ膜状構造体の長手方向の中心軸は、前記柔軟性の高分子構造体の長手方向の中心軸と重ならない。

本発明のアクチュエータは、電歪複合構造体、第一電極及び第二電極を含む。前記電歪複合構造体が、柔軟性の高分子構造体及び、該柔軟性の高分子構造体に全て埋め込まれた前記カーボンナノチューブ膜状構造体を含む。前記カーボンナノチューブ膜状構造体の長手方向の中心軸は、前記柔軟性の高分子構造体の長手方向の中心軸と重ならない。前記第一電極及び前記第二電極が、前記電歪複合構造体の対向する両方の端部に設置され、前記カーボンナノチューブ膜状構造体と電気的に接続されている。

本発明の電歪複合構造体及び該電歪複合構造体を利用したアクチュエータには、次の優れた点がある。第一に、本発明の電歪複合構造体及び該電歪複合構造体を利用したアクチュエータは、柔軟性の高分子構造体及び該柔軟性の高分子構造体の一つの表面に設置された複数のカーボンナノチューブ膜状構造体を含む。その製造方法が簡単であり、コストを下げることができる。第二に、前記カーボンナノチューブ膜状構造体は複数の隙間を有するので、前記柔軟性の高分子構造体の材料が前記隙間の中に浸漬することができる。これによって、前記柔軟性の高分子構造体と前記カーボンナノチューブ膜状構造体におけるカーボンナノチューブとが緊密に結合することができる。このような構造は、電歪複合構造体及び該電歪複合構造体を利用したアクチュエータの使用寿命を延ばすことができる。第三に、前記カーボンナノチューブ膜状構造体及び前記柔軟性の高分子構造体が異なる熱膨張係数を有し、前記電歪複合構造体が非対称構造を有するので、前記電歪複合構造体及び該電歪複合構造体を利用したアクチュエータが加熱される場合に、該電歪複合構造体及びアクチュエータは、所定の方向に沿って湾曲することができる。従って、前記電歪複合構造体及び該電歪複合構造体を利用したアクチュエータは、精確に制御する必要がある素子に応用することができる。

本発明の実施例１に係る電歪複合構造体の構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る電歪複合構造体の図１に示すＩＩ-ＩＩ線に沿って切断した断面図である。 本発明の実施例１に係る電歪複合構造体の断面図である。 図１中の電歪複合構造体に係るドローン構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 図４中のカーボンナノチューブフィルムのカーボンナノチューブセグメントの構造を示す図である。 本発明の実施例１に係る電歪複合構造体における綿毛構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 本発明の実施例１に係る電歪複合構造体におけるプレシッド構造カーボンナノチューブフィルムのＳＥＭ写真である。 図１中の電歪複合構造体の、電流を流す前と電流を流した後とを比較する図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータの構造を示す図である。 本発明の実施例に係るアクチュエータの１０に示すＸ-Ｘ線に沿って切断した断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１及び図２を参照すると、本実施例において、電歪複合構造体１０を提供する。該電歪複合構造体１０は、柔軟性の高分子構造体１４及びカーボンナノチューブ膜状構造体１２を含む。前記電歪複合構造体１０及びカーボンナノチューブ膜状構造体１２はシート状である。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、分子間力で相互に結合された複数のカーボンナノチューブ１２２からなる。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、前記柔軟性の高分子構造体１４の一つの表面に設置されている。該カーボンナノチューブ膜状構造体１２の少なくとも一部は、前記該柔軟性の高分子構造体１４の中に浸透されている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体の熱膨張係数は、前記柔軟性の高分子構造体の熱膨張係数と異なる。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の熱膨張係数は、前記柔軟性の高分子構造体１４の熱膨張係数より小さいことが好ましい。前記電歪複合構造体１０の厚さは２０μｍ〜５ｍｍである。

図３を参照すると、本実施例において、前記電歪複合構造体１０の形状は長方体であり、該電歪複合構造体１０における前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、全て前記柔軟性の高分子構造体１４に浸透されている。この場合、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の長手方向の中心軸は、前記柔軟性の高分子構造体１４の長手方向の中心軸と重ならない。

前記柔軟性の高分子構造体１４の厚さは２０μｍ〜４ｍｍである。該柔軟性の高分子構造体１４の材料は、シリコーンゴム、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸ブチル、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル、ポリアニリンなどの一種又は数種の混合物である。本実施例において、前記柔軟性の高分子構造体１４はシリコーンゴムからなる。該柔軟性の高分子構造体１４の形状は長方体であり、その厚さが０．７ｍｍ、その長さが６０ｍｍ、その幅が３０ｍｍである。

前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、複数のカーボンナノチューブ１２２からなる自立構造を有するものである。ここで、自立構造とは、支持体材を利用せず、カーボンナノチューブ膜状構造体１２を独立して利用することができるという形態のことである。すなわち、カーボンナノチューブ膜状構造体１２を対向する両側から支持して、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の構造を変化させずに、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２を懸架させることができることを意味する。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２には、前記複数のカーボンナノチューブ１２２が均一に分散されている。前記複数のカーボンナノチューブ１２２は分子間力で接続されて、ネット状の構造体に形成されている。

本発明のカーボンナノチューブ膜状構造体１２としては、以下の（一）〜（三）のものが挙げられる。

（一）ドローン構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ膜状構造体は、図４に示す、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム１４３ａを含む。このカーボンナノチューブフィルムはドローン構造カーボンナノチューブフィルム（ｄｒａｗｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、超配列カーボンナノチューブアレイ（特許文献１と特許文献２を参照）から引き出して得られたものである。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブが同じ方向に沿って、端と端が接続されている。即ち、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、分子間力で長軸方向端部同士が接続された複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは自立構造を有するものである。図４及び図５を参照すると、単一の前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａは、複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂを含む。前記複数のカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、長軸方向に沿って分子間力で端と端が接続されている。それぞれのカーボンナノチューブセグメント１４３ｂは、相互に平行に、分子間力で結合された複数のカーボンナノチューブ１４５を含む。単一の前記カーボンナノチューブセグメント１４３ｂにおいて、前記複数のカーボンナノチューブ１４５の長さが同じである。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａを有機溶剤に浸漬させることにより、前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの強靭性及び機械強度を高めることができる。前記カーボンナノチューブフィルム１４３ａの厚さは０．５ｎｍ〜１００μｍに設けられる。

前記カーボンナノチューブ膜状構造体は、二枚以上の積層された複数の前記カーボンナノチューブフィルムを含むことができる。この場合、隣接する前記カーボンナノチューブフィルムは、分子間力で結合されている。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、それぞれ０°〜９０°の角度で交差している。隣接する前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが０°以上の角度で交差する場合、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２に複数の微孔が形成される。又は、前記複数のカーボンナノチューブフィルムは、隙間なく並列されることもできる。

（二）)綿毛構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、図６に示す、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを含む。このカーボンナノチューブフィルムは綿毛構造カーボンナノチューブフィルム（ｆｌｏｃｃｕｌａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおいて、複数のカーボンナノチューブは、絡み合い、等方的に配列されている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体においては、前記複数のカーボンナノチューブが均一に分布されている。複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されている。単一の前記カーボンナノチューブの長さは、１００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ〜１０ｃｍであることが好ましい。前記複数のカーボンナノチューブは、分子間力で接近して、相互に絡み合って、カーボンナノチューブネット状に形成されている。前記複数のカーボンナノチューブは配向せずに配置されて、多くの微小な穴が形成されている。ここで、単一の前記微小な穴の直径が１０μｍ以下になる。前記カーボンナノチューブ膜状構造体におけるカーボンナノチューブは、相互に絡み合って配置されるので、該カーボンナノチューブ膜状構造体は柔軟性に優れ、任意の形状に湾曲して形成させることができる。用途に応じて、前記カーボンナノチューブ膜状構造体の長さ及び幅を調整することができる。前記カーボンナノチューブ膜状構造体の厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍである。

（三）プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム
前記カーボンナノチューブ膜状構造体は、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルム（図７を参照）を含む。このカーボンナノチューブフィルムは、プレシッド構造カーボンナノチューブフィルム（ｐｒｅｓｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｆｉｌｍ）である。単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブは、等方的に配列されているか、所定の方向に沿って配列されているか、または、異なる複数の方向に沿って配列されている。前記カーボンナノチューブフィルムは、押し器具を利用することにより、所定の圧力をかけて前記カーボンナノチューブアレイを押し、該カーボンナノチューブアレイを圧力で倒すことにより形成された、シート状の自立構造を有するものである。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの配列方向は、前記押し器具の形状及び前記カーボンナノチューブアレイを押す方向により決められている。

単一の前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが配向して配列される。該カーボンナノチューブフィルムは、同じ方向に沿って配列された複数のカーボンナノチューブを含む。ローラー形状を有する押し器具を利用して、同じ方向に沿って前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、基本的に同じ方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。また、ローラー形状を有する押し器具を利用して、異なる方向に沿って、前記カーボンナノチューブアレイを同時に押す場合、前記異なる方向に沿って、選択的な方向に配列されるカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブフィルムが形成される。

前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブの傾斜の程度は、前記カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブと該カーボンナノチューブフィルムの表面とは、角度αを成し、該角度αは０°以上１５°以下である。好ましくは、前記カーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブが該カーボンナノチューブフィルムの表面に平行する。前記圧力が大きくなるほど、前記傾斜の程度が大きくなる。前記カーボンナノチューブフィルムの厚さは、前記カーボンナノチューブアレイの高さ及び該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力に関係する。即ち、前記カーボンナノチューブアレイの高さが大きくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が小さくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが大きくなる。これとは逆に、カーボンナノチューブアレイの高さが小さくなるほど、また、該カーボンナノチューブアレイにかけた圧力が大きくなるほど、前記カーボンナノチューブフィルムの厚さが小さくなる。前記プレシッド構造カーボンナノチューブフィルムの厚さは、０．５ｎｍ〜１ｍｍ（特許文献３を参照）である。

本実施列において、図１を参照すると、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２は、積層された複数の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムを含む。各々の前記ドローン構造カーボンナノチューブフィルムにおける複数のカーボンナノチューブ１２２が同じ方向に沿って配列されている。

前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２が、前記柔軟性の高分子構造体１４の表面に平行する平板型構造体であり、該柔軟性の高分子構造体１４の一つの表面に設置されている。前記カーボンナノチューブ膜状構造体は、複数のカーボンナノチューブ１２２からなり、該複数のカーボンナノチューブが分子間力で端と端が接続されているので、前記カーボンナノチューブ膜状構造体には複数の微孔が形成されている。前記柔軟性の高分子構造体１４が完全に固化していない形態で、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２を前記柔軟性の高分子構造体１４の表面に設置すると、前記柔軟性の高分子構造体１４における高分子材料が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の微孔から前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２に浸透する。これにより、前記柔軟性の高分子構造体１４は、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２における複数のカーボンナノチューブ１２２と緊密に結合することができる。従って、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２が、前記柔軟性の高分子構造体１４の表面に堅固に設置される。該電歪複合構造体１０が繰り返し使用されても、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２と前記柔軟性の高分子構造体１４との結合性が影響されない。

図８を参照すると、二つの電極１６により、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２に電圧を印加する場合、電流が該カーボンナノチューブ膜状構造体１２に流れる。前記カーボンナノチューブ１２２により、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して、前記柔軟性の高分子構造体１４を加熱する。そうすると、前記柔軟性の高分子構造体１４は、前記第一電極１６ａから第二電極１６ｂへの方向に沿って、膨張することができる。前記柔軟性の高分子構造体１４の熱膨張係数は、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の熱膨張係数より大きいので、前記電歪複合構造体１０は、熱膨張係数の小さい前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の側へ湾曲する。

図８は、前記電歪複合構造体１０の熱膨張現象を示す図である。一つの実験例として、前記電歪複合構造体１０に電圧を印加しない場合、該電歪複合構造体１０の長さＬ１が３４ｍｍ、その厚さが０．７ｍｍ、その幅が５ｍｍである。前記カーボンナノチューブ膜状構造体１２の厚さが２０ｍｍである。前記電歪複合構造体１０に電圧を印加して、該電歪複合構造体１０が電流方向に垂直な方向に沿って、膨張する。本実施列において、前記電歪複合構造体１０の温度を１９０℃に上げる場合、膨張することによって、該電歪複合構造体１０の最大変位量ΔＳが１６ｍｍとなる。

（実施例２）
図９と図１０を参照すると、本実施例は、実施例１の電歪複合構造体１０を利用したアクチュエータ２０を提供する。該アクチュエータ２０は、電歪複合構造体１０と、第一電極２２と、第二電極２４と、を含む。前記第一電極２２及び第二電極２４は、間隔を空けて設置され、且つ前記カーボンナノチューブ膜状構造体１０と電気的に接続される。

前記第一電極２２及び第二電極２４が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体１０の対向する両方の端部に設置され、且つ該カーボンナノチューブ膜状構造体１０と電気的に接続される。前記第一電極２２及び第二電極２４の材料は、例えば、金属、合金、導電性樹脂、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、導電性接着剤、カーボンナノチューブ、カーボングリースなどの材料である。前記第一電極２２及び第二電極２４は、任意の形状であることができる。本実施例において、前記第一電極２２及び第二電極２４は、銅シートである。

１０ 電歪複合構造体
１２ カーボンナノチューブ膜状構造体
１２２ カーボンナノチューブ
１４ 柔軟性の高分子構造体
１４３ａ カーボンナノチューブフィルム
１４３ｂ カーボンナノチューブセグメント
１６ 電極
１６ａ 第一電極
１６ｂ 第二電極
２０ アクチュエータ
２２ 第一電極
２４ 第二電極

Claims (2)

1. 柔軟性の高分子構造体及びカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、前記柔軟性の高分子構造体の一つの表面に設置され、前記カーボンナノチューブ膜状構造体の少なくとも一部が、前記柔軟性の高分子構造体の中に埋め込まれ、
   前記柔軟性の高分子構造体における少なくとも一部の高分子材料が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体に浸透し、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、複数のカーボンナノチューブからなる自立構造を有するものであり、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体の熱膨張係数が、前記柔軟性の高分子構造体の熱膨張係数と異なることを特徴とする電熱アクチュエータ用の電歪複合構造体。
2. 電歪複合構造体、第一電極及び第二電極を含む電熱アクチュエータにおいて、
   前記電歪複合構造体が、柔軟性の高分子構造体及びカーボンナノチューブ膜状構造体を含み、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、前記柔軟性の高分子構造体の一つの表面に設置され、前記カーボンナノチューブ膜状構造体の少なくとも一部が、前記柔軟性の高分子構造体の中に埋め込まれ、
   前記柔軟性の高分子構造体における少なくとも一部の高分子材料が、前記カーボンナノチューブ膜状構造体に浸透し、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体が、複数のカーボンナノチューブからなる自立構造を有し、
   前記第一電極及び前記第二電極が、前記電歪複合構造体の対向する両方の端部に設置され、前記カーボンナノチューブ膜状構造体と電気的に接続されていて、
   前記カーボンナノチューブ膜状構造体の熱膨張係数が、前記柔軟性の高分子構造体の熱膨張係数と異なることを特徴とする電熱アクチュエータ。