JP5858010B2 - Multilayer polymer actuator and method for manufacturing the same - Google Patents

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本発明は、外部刺激により屈曲する高分子アクチュエータ、及びその製造方法に関し、特に基板に高分子フィルムを積層化することにより数ボルト以下の低電圧で大きな屈曲動作を行う積層型高分子アクチュエータ、及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a polymer actuator that bends by an external stimulus and a manufacturing method thereof, and more particularly, a laminated polymer actuator that performs a large bending operation at a low voltage of several volts or less by laminating a polymer film on a substrate, and It relates to the manufacturing method.

外部刺激による高分子フィルム又は繊維の変形を用いた高分子アクチュエータは、本発明の発明者である奥崎秀典氏等により、下記の特許文献1から3に開示されている。下記の特許文献1から3においては、高分子フィルム又は繊維を用い、電気刺激による水分子の吸脱着によって、気体中でPEDOT/PSSの高分子フィルム又は繊維を伸縮又は屈曲せしめる方法が開示されている。   A polymer actuator using a deformation of a polymer film or fiber by external stimulation is disclosed in the following Patent Documents 1 to 3 by Hidenori Okusaki and others of the inventors of the present invention. In the following Patent Documents 1 to 3, a method is disclosed in which a polymer film or fiber is used, and a PEDOT / PSS polymer film or fiber is stretched or bent in a gas by adsorption / desorption of water molecules by electrical stimulation. Yes.

これらの特許で開示されている高分子フィルム又は繊維の伸縮率は、特許文献1の図3又は図4、あるいは特許文献2の図4、図5から、概ね1.5%〜2%程度である。一方、特許文献3に開示される高分子フィルムは最大で4%以上もの伸縮率を示す。しかし、4%以上の伸縮率を実現するためには、高分子フィルムを湿度及び温度が調整された環境下に設けなければならない。そのため、高分子フィルムを設ける環境(雰囲気)条件によって、高分子アクチュエータの動作が安定しないという問題がある。また、これらの特許文献が開示する高分子アクチュエータは、高分子フィルムそのものが変形することにより動作する、いわゆる直動型高分子アクチュエータである。かかる直動型高分子アクチュエータの場合、その力学的強度は高分子フィルム自身の強度となる。そのため、大きな力学的強度を実現することは極めて難しいという問題がある。   The stretch rate of the polymer film or fiber disclosed in these patents is approximately 1.5% to 2% from FIG. 3 or FIG. 4 of Patent Document 1 or FIG. 4 and FIG. 5 of Patent Document 2. is there. On the other hand, the polymer film disclosed in Patent Document 3 exhibits a stretch rate of 4% or more at maximum. However, in order to realize an expansion / contraction ratio of 4% or more, the polymer film must be provided in an environment in which humidity and temperature are adjusted. Therefore, there is a problem that the operation of the polymer actuator is not stable depending on the environment (atmosphere) conditions in which the polymer film is provided. The polymer actuators disclosed in these patent documents are so-called direct acting polymer actuators that operate when the polymer film itself is deformed. In the case of such a direct acting polymer actuator, the mechanical strength is the strength of the polymer film itself. Therefore, there is a problem that it is extremely difficult to realize a large mechanical strength.

一方、屈曲挙動を示す屈曲型アクチュエータとしては、例えば下記特許文献4に示すような、圧電素子を利用した圧電アクチュエータがある。圧電アクチュエータとは、電界を加えることによって歪みが発生する圧電材料の性質を利用したアクチュエータで、これには、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系やチタン酸鉛系に代表される圧電セラミックスにより構成される圧電素子が用いられている。   On the other hand, as a bending type actuator exhibiting a bending behavior, there is a piezoelectric actuator using a piezoelectric element as shown in Patent Document 4 below, for example. Piezoelectric actuators are actuators that use the properties of piezoelectric materials that generate distortion when an electric field is applied. For example, they are composed of piezoelectric ceramics typified by lead zirconate titanate and lead titanate. Piezoelectric elements are used.

しかし、圧電アクチュエータには、駆動電力が100V以上の高電圧が必要であり、一方において、その変位量は10μメートル以下と極めて小さいという問題がある。また、圧電セラミックス層と内部電極層との積層体を用いるため、アクチュエータが大型化するという問題がある。   However, the piezoelectric actuator requires a high voltage with a driving power of 100 V or more, and on the other hand, there is a problem that the displacement is as small as 10 μm or less. In addition, since the laminate of the piezoelectric ceramic layer and the internal electrode layer is used, there is a problem that the actuator is enlarged.

特許第3131180号公報Japanese Patent No. 3131180 特許第3102773号公報Japanese Patent No. 312773 国際公開第2008−114810パンフレットInternational Publication No. 2008-1114810 Pamphlet 特開2003−338643号公報JP 2003-338643 A

上述したように、高分子アクチュエータにおいて、直動型高分子アクチュエータはアクチュエータを構成する高分子フィルムそのものが変形することにより動作する。そのため、直動型高分子アクチュエータの力学的強度は、高分子フィルム自身の強度となり、大きな力学的強度を実現することは極めて難しい。また、圧電素子を利用した屈曲型アクチュエータには、高電圧の駆動電圧が必要であるにも関わらず、その屈曲変位量が極めて小さいという問題がある。また、アクチュエータが大型化するという問題もある。   As described above, in the polymer actuator, the direct acting polymer actuator operates when the polymer film itself constituting the actuator is deformed. Therefore, the mechanical strength of the direct-acting polymer actuator becomes the strength of the polymer film itself, and it is extremely difficult to realize a large mechanical strength. In addition, a bending type actuator using a piezoelectric element has a problem that the amount of bending displacement is extremely small although a high driving voltage is required. There is also a problem that the actuator becomes larger.

そこで本発明の課題は、従来の屈曲型アクチュエータより格段に小型であって、かつ従来の屈曲型アクチュエータと同等又はそれ以上の屈曲変位を実現する積層型高分子アクチュエータを提供することにある。また、屈曲に必要となる消費電力も従来に比較し格段に少なく、直動型アクチュエータに比較して、極めて大きな力学的強度を有する積層型高分子アクチュエータを提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a laminated polymer actuator that is much smaller than a conventional bending actuator and that realizes a bending displacement equivalent to or higher than that of a conventional bending actuator. It is another object of the present invention to provide a laminated polymer actuator that has a remarkably large mechanical strength as compared with a direct acting actuator because power consumption required for bending is remarkably smaller than that of a conventional actuator.

本発明は、外部刺激により伸縮する再溶解高分子厚膜が基板上に積層された積層型高分子アクチュエータであって、プラズマイオン処理が施された前記基板の表面上に界面活性剤を含む再溶解高分子厚膜が1μm以上の膜厚で密着して形成されていることを特徴とする。
界面活性剤の添加により、導電性高分子溶液の濡れ性が向上するためである。界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸を用いることが可能である。
The present invention relates to a laminated polymer actuator in which a re-dissolved polymer thick film that expands and contracts by an external stimulus is laminated on a substrate, and includes a surface active agent on the surface of the substrate that has been subjected to plasma ion treatment. The dissolved polymer thick film is formed in close contact with a film thickness of 1 μm or more.
This is because the addition of the surfactant improves the wettability of the conductive polymer solution. It is possible to use dodecylbenzenesulfonic acid as the surfactant.

再溶解高分子厚膜が形成されている基板の反対側の面(裏面)及び/又は再溶解高分子厚膜が形成されている面に金属による電極パターンの被膜が形成されていることを特徴とする。   A metal electrode pattern film is formed on the opposite surface (back surface) of the substrate on which the re-dissolved polymer thick film is formed and / or on the surface on which the re-dissolved polymer thick film is formed. And

基板表面をプラズマイオンで処理し、プラズマイオン処理された基板面上に界面活性剤を含む導電性高分子溶液を塗布し、基板上に導電性高分子厚膜を形成することを特徴とする。   The substrate surface is treated with plasma ions, a conductive polymer solution containing a surfactant is applied to the plasma ion-treated substrate surface, and a conductive polymer thick film is formed on the substrate.

バーコート法により、前記基板面上に前記導電性高分子溶液を塗布することは好適である。また、前記導電性高分子溶液を、ウェット膜厚が100μm以上でバーコート法により前記基板面上に塗布することは好ましい。   It is preferable to apply the conductive polymer solution on the substrate surface by a bar coating method. Moreover, it is preferable to apply the conductive polymer solution on the substrate surface by a bar coating method with a wet film thickness of 100 μm or more.

前記導電性高分子溶液が、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)溶液であることは好ましい。また、前記ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)溶液に、エチレングリコールが1%から20%の範囲内で添加されていることは好ましい。エチレングリコールの添加により、導電性が向上するためである。   The conductive polymer solution is preferably a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) solution. Moreover, it is preferable that ethylene glycol is added in the range of 1% to 20% to the poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) solution. This is because the addition of ethylene glycol improves conductivity.

この発明によれば、従来の屈曲型アクチュエータより格段に小型であって、従来の屈曲型アクチュエータと同等又はそれ以上の屈曲変位を実現する積層型高分子アクチュエータの提供が可能となる。また、従来の屈曲型アクチュエータに比べ、屈曲に必要となる消費電力も格段に少なく、かつ直動型アクチュエータに比較して、極めて大きな力学的強度を有するという特有の効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to provide a laminated polymer actuator that is much smaller than a conventional bending actuator and realizes a bending displacement equal to or higher than that of a conventional bending actuator. In addition, the power consumption required for bending is remarkably smaller than that of a conventional bending type actuator, and there is a specific effect of having an extremely large mechanical strength compared to a direct acting type actuator.

積層型高分子アクチュエータの作製工程を示したフローチャート。The flowchart which showed the preparation process of a lamination type polymer actuator. PEDOT及びPSSの構造式。Structural formula of PEDOT and PSS. 積層型高分子アクチュエータの一実施例を示した図。The figure which showed one Example of the laminated type polymer actuator. 高分子(PEDOT/PSS)膜の電気収縮のメカニズムを示した図。The figure which showed the mechanism of the electric contraction of a polymer (PEDOT / PSS) film | membrane. 濃度の異なる高分子(PEDOT/PSS)溶液によるバーコートの結果を示した図。The figure which showed the result of the bar coat by the polymer (PEDOT / PSS) solution from which a density | concentration differs. EG濃度に対する高分子(PEDOT/PSS)膜のシート抵抗を示したグラフ。The graph which showed the sheet resistance of the polymer (PEDOT / PSS) film | membrane with respect to EG density | concentration. DBS濃度に対する高分子(PEDOT/PSS)膜のシート抵抗を示したグラフ。The graph which showed the sheet resistance of the polymer (PEDOT / PSS) film | membrane with respect to DBS density | concentration. ウェット膜厚と乾燥膜厚との関係を示したグラフ。The graph which showed the relationship between a wet film thickness and a dry film thickness. 高分子(PEDOT/PSS)膜の乾燥膜厚に対するシート抵抗を示したグラフ。The graph which showed the sheet resistance with respect to the dry film thickness of a polymer (PEDOT / PSS) film | membrane. 積層型高分子アクチュエータの他の実施例を示した図。The figure which showed the other Example of the lamination type polymer actuator. 積層型高分子アクチュエータの電流特性と屈曲挙動を示したグラフ。Graph showing current characteristics and bending behavior of laminated polymer actuator. 積層型高分子アクチュエータモデルを示した図。The figure which showed the lamination type polymer actuator model.

本発明は、最も原理的に表現すれば、基板上に高分子膜を形成することにより、低電圧であっても繰り返し安定して屈曲する高分子アクチュエータを提供できることを見出したものである。   The present invention has been found, in terms of the principle, to provide a polymer actuator that can be bent repeatedly and stably even at a low voltage by forming a polymer film on a substrate.

ここで高分子とは、中性高分子、高分子電解質、導電性高分子をいう。中性高分子としては、セルロース、セロファン、ナイロン、ポリビニルアルコール、ビニロン、ポリオキシメチレン、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルフェノール、ポリ2-ヒドロキシエチルメタクリレートおよびこれらの誘導体から選択される少なくとも1つが挙げられる。   Here, the polymer means a neutral polymer, a polymer electrolyte, or a conductive polymer. The neutral polymer is at least one selected from cellulose, cellophane, nylon, polyvinyl alcohol, vinylon, polyoxymethylene, polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl phenol, poly-2-hydroxyethyl methacrylate, and derivatives thereof. One of them.

高分子電解質としては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸などのポリカルボン酸、ポリスチレンスルホン酸、ポリ2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、ナフィオンなどのポリスルホン酸、ポリアリルアミン、ポリジメチルプロピルアクリルアミドなどポリアミンとその四級化塩およびこれらの誘導体から選択される少なくとも1つが挙げられる。   Examples of the polymer electrolyte include polycarboxylic acids such as polyacrylic acid and polymethacrylic acid, polysulfonic acids such as polystyrene sulfonic acid, poly-2-acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid and Nafion, polyamines such as polyallylamine and polydimethylpropylacrylamide. And at least one selected from quaternized salts thereof and derivatives thereof.

導電性高分子としては、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリジアセチレン、ポリフェニレン、ポリフラン、ポリセレノフェン、ポリテルロフェン、ポリイソチアナフテン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンビニレン、ポリチエニレンビニレン、ポリナフタレン、ポリアントラセン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリフルオレン、ポリピリジン、ポリキノリン、ポリキノキサリン、ポリエチレンジオキシチオフェンおよびこれらの誘導体から選択された少なくとも1つが挙げられる。   Conductive polymers include polythiophene, polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polydiacetylene, polyphenylene, polyfuran, polyselenophene, polytellurophene, polyisothianaphthene, polyphenylene sulfide, polyphenylene vinylene, polythienylene vinylene, polynaphthalene, poly And at least one selected from anthracene, polypyrene, polyazulene, polyfluorene, polypyridine, polyquinoline, polyquinoxaline, polyethylenedioxythiophene, and derivatives thereof.

高分子膜は、導電性高分子に、キャスト法、バーコート法、スピンコート法、スプレー法、電解重合法、化学的酸化重合法、溶融紡糸法、湿式紡糸法、固相押出法、エレクトロスピニング法から選択された少なくとも1つの手法を適用することで作製することができる。   The polymer film is made of conductive polymer, cast method, bar coat method, spin coat method, spray method, electrolytic polymerization method, chemical oxidative polymerization method, melt spinning method, wet spinning method, solid phase extrusion method, electrospinning. It can be produced by applying at least one method selected from the methods.

また、これら高分子の吸湿性や電気伝導度を上げるために、ドーパントをドープすることは好適である。ドーパントとしては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ヨウ素、臭素、フッ化ヒ素、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロリン酸、アルキルベンゼンスルホン酸、アルキルスルホン酸、パーフルオロスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸、トリフルオロメタンスルホン酸イミド、シュウ酸、酢酸、マレイン酸、フタル酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸及びこれらの誘導体、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、エチレングリコール、フラーレン等の炭素系添加物、鉄、銅、金、銀等の金属から選択された少なくとも1つが挙げられる。中でも、高い電気伝導度と安定性、再現性に優れている、ポリ(4−スチレンスルホン酸)をドープしたポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)のキャストフィルムが好適である。   In order to increase the hygroscopicity and electrical conductivity of these polymers, it is preferable to dope a dopant. Examples of the dopant include sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, iodine, bromine, arsenic fluoride, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluorophosphoric acid, alkylbenzenesulfonic acid, alkylsulfonic acid, perfluorosulfonic acid, Polystyrene sulfonic acid, trifluoromethane sulfonic acid, trifluoromethane sulfonic imide, oxalic acid, acetic acid, maleic acid, phthalic acid, polyacrylic acid, polymethacrylic acid and their derivatives, carbon black, carbon fiber, carbon nanotube, ethylene glycol, Examples thereof include at least one selected from carbon-based additives such as fullerene and metals such as iron, copper, gold, and silver. Among them, a cast film of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with poly (4-styrenesulfonic acid), which is excellent in high electrical conductivity, stability, and reproducibility, is preferable.

外部刺激による高分子フィルムの分子吸脱着法としては、ニクロム線やトーチ、バーナー、赤外線照射やレーザ照射、マイクロ波照射による加熱、真空ポンプやアスピレーターによる減圧、直流波や交流波、三角波、矩形波およびパルス波などの電圧印加によるジュール加熱から選択される少なくとも1つが挙げられる。中でも、簡便であり制御性に優れた直流電圧が好ましい。   Molecular adsorption / desorption of polymer film by external stimulation includes nichrome wire, torch, burner, infrared irradiation, laser irradiation, heating by microwave irradiation, decompression by vacuum pump or aspirator, DC wave, AC wave, triangular wave, rectangular wave And at least one selected from joule heating by applying a voltage such as a pulse wave. Among these, a DC voltage that is simple and excellent in controllability is preferable.

基板としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ナイロン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリブテン、ポリペンテン、ポリジメチルシロキサン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルホルマール、ポリスチレン、ポリエチレンオキシド、ポリオキシメチレン、ポリスチレンスルホン酸、ポリイミド、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリル酸ステアリル、ポリメタクリル酸ステアリル、ポリアクリル酸ブチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリルアミド、ポリアクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、ポリイソプロピルアクリルアミド、芳香族ポリアミド、ポリジメチルアミノプロピルアクリルアミド、ポリ塩化トリメチルアンモニウムプロピルアクリルアミド、ポリヒドロキシアクリレート、ポリヒドロキシメタクリレート、ナフィオン、フレミオン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリ乳酸、ポリグルタミン酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンサクシネート、ポリビニルアルコール、ポリアスパラギン酸、でんぷん、セルロース、ニトロセルロース、トリアセチルセルロース、キトサン、ポリヒドロキシメチルセルロース、ポリヒドロキシエチルセルロース、フェノール樹脂、シリコーンゴム、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等から選択された少なくとも一つが挙げられる。   The substrates include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, nylon, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polyisobutylene, polyisoprene, polybutadiene, polybutene, polypentene, polydimethylsiloxane, polyurethane, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyvinyl fluoride, polyvinyl fluoride. Vinylidene chloride, polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyacrylonitrile, polyvinyl acetate, polyvinyl formal, polystyrene, polyethylene oxide, polyoxymethylene, polystyrene sulfonic acid, polyimide, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyacrylic acid Stearyl, polystearyl methacrylate, polybutyl acrylate, polybutyl methacrylate, poly Methyl crylate, polymethyl methacrylate, polyacrylamide, polyacrylamide methylpropane sulfonic acid, polyisopropylacrylamide, aromatic polyamide, polydimethylaminopropyl acrylamide, polytrimethylammonium propylacrylamide, polyhydroxy acrylate, polyhydroxy methacrylate, Nafion, Flemion, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polysulfone, polylactic acid, polyglutamic acid, polycaprolactone, polybutylene succinate, polyethylene succinate, polyvinyl alcohol, polyaspartic acid, starch, cellulose, nitrocellulose, triacetylcellulose, chitosan, Polyhydroxymethyl cellulose, polyhydroxy ester Le cellulose, phenolic resin, silicone rubber, a melamine resin, at least one can be cited selected from epoxy resins and the like.

図1は、本発明の積層型高分子アクチュエータの作製工程を示すフローチャートである。まず、高濃度の高分子(PEDOT/PSS)溶液を作製する(ステップS1)。高濃度の高分子(PEDOT/PSS)溶液は、高分子(PEDOT/PSS)溶液を真空凍結乾燥することにより固形成分を抽出し(ステップS2)、凍結乾燥した高分子(PEDOT/PSS)固体を水に再溶解し、所定の濃度に調整して(ステップS3)作製する。   FIG. 1 is a flowchart showing a production process of the laminated polymer actuator of the present invention. First, a high concentration polymer (PEDOT / PSS) solution is prepared (step S1). The high-concentration polymer (PEDOT / PSS) solution is obtained by extracting a solid component by freeze-drying the polymer (PEDOT / PSS) solution in a vacuum (step S2), and then lyophilizing the polymer (PEDOT / PSS) solid. It is redissolved in water and adjusted to a predetermined concentration (step S3).

別途、高分子(PEDOT/PSS)溶液を塗布する基板を作製する(ステップS1’)。基板は、基板表面に親水化処理を施し(ステップS2’)作製する。親水化処理には、基板表面にプラズマイオンを照射する方法を用いる。基板表面を親水化処理することで、基板に対し均一の膜厚の高分子(PEDOT/PSS)膜を得ることができる。   Separately, a substrate to which a polymer (PEDOT / PSS) solution is applied is prepared (step S1 '). The substrate is manufactured by subjecting the substrate surface to a hydrophilic treatment (step S2 '). For the hydrophilic treatment, a method of irradiating the substrate surface with plasma ions is used. By subjecting the substrate surface to a hydrophilic treatment, a polymer (PEDOT / PSS) film having a uniform film thickness can be obtained.

なお、基板の作製(ステップS1’)は、高分子(PEDOT/PSS)溶液の調整・作製(ステップS1〜ステップS3)とは別途処理しておくことが好ましいが、PEDOT/PSS溶液の凍結乾燥(ステップS2)と同時並行して処理してもよい。   The substrate production (step S1 ′) is preferably processed separately from the preparation (step S1 to step S3) of the polymer (PEDOT / PSS) solution, but the PEDOT / PSS solution is lyophilized. You may process in parallel with (step S2).

次に、親水化処理を施した基板表面上に、高濃度の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液をバーコート法によって積層化し(ステップS4)、基板に高分子(PEDOT/PSS)膜が積層化した二層構造の複合素子を作製する。次に、これを特定の大きさのアクチュエータとしてレーザで切り出す(ステップS5)。切り出したアクチュエータの基板裏側又は両端に金(Au)をスパッタして電極パターンを作製し(ステップS6)、積層型高分子アクチュエータを作製する(ステップS7)。   Next, a high-concentration re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution is laminated on the surface of the substrate subjected to the hydrophilic treatment by the bar coating method (step S4), and the polymer (PEDOT / PSS) film is formed on the substrate. A laminated composite element having a two-layer structure is manufactured. Next, this is cut out with a laser as an actuator of a specific size (step S5). Gold (Au) is sputtered on the substrate back side or both ends of the cut out actuator to produce an electrode pattern (step S6), and a laminated polymer actuator is produced (step S7).

以下、実施例について詳細に説明する。以下の実施例においては、高分子膜の材料として、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)(以下、PEDOT/PSS)を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施例では、高分子膜(一定以上の膜厚のものを厚膜と称する)と高分子フィルムとをほぼ同義で使用しているが、基本的には、基板上に形成されたものを高分子膜、基板上に積層されていない単体のものを高分子フィルムと称する。本実施例で用いたPEDOT/PSSの構造を図2に示す。図2(a)はPEDOTの構造式であり、図2(b)はPSSの構造式である。   Hereinafter, examples will be described in detail. In the following examples, poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) (hereinafter, PEDOT / PSS) was used as the material of the polymer film. It is not limited to. In this embodiment, a polymer film (thickness of a certain thickness or more) is used almost synonymously with the polymer film, but basically it is formed on the substrate. One is called a polymer film, and one that is not laminated on a substrate is called a polymer film. The structure of PEDOT / PSS used in this example is shown in FIG. 2A is a structural formula of PEDOT, and FIG. 2B is a structural formula of PSS.

[キャスト法による高分子フィルムの作製]
1wt%のPEDOT/PSS溶液にエチレングリコール(以下、EG)3wt%を加え、マグネティックスターラーで均一に混ざるまで攪拌した。均一に混ざった混合溶液をピペットで取り、気泡を生じさせないように静かにテフロン(登録商標)シャーレに移した。PEDOT/PSSの溶媒である水と、加えたEGを蒸発させるため、乾燥と熱処理を行い、高分子(PEDOT/PSS)キャストフィルムを作製した。
[Production of polymer film by casting method]
3 wt% of ethylene glycol (hereinafter referred to as EG) was added to a 1 wt% PEDOT / PSS solution, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer until uniformly mixed. The uniformly mixed solution was pipetted and gently transferred to a Teflon (registered trademark) petri dish so as not to generate bubbles. In order to evaporate the water which is the solvent of PEDOT / PSS and the added EG, drying and heat treatment were performed to produce a polymer (PEDOT / PSS) cast film.

より具体的には、乾燥オーブンを用い、60℃、6時間の乾燥を行い、次いで、真空オーブンを用い、真空中160℃、1時間の熱処理を行った。なお、EGを添加することにより、電気伝導度を数ジーメンス(S)/cmから100S/cm以上に上昇させることができる。   More specifically, drying was performed at 60 ° C. for 6 hours using a drying oven, and then heat treatment was performed at 160 ° C. for 1 hour in a vacuum using a vacuum oven. Note that the electrical conductivity can be increased from several Siemens (S) / cm to 100 S / cm or more by adding EG.

[キャスト法による積層型高分子アクチュエータの作製]
図3は、積層型高分子アクチュエータの一実施例を示した図である。この積層型高分子アクチュエータ1は、上記キャスト法により作製した高分子(PEDOT/PSS)フィルム11と基板12とを接着剤により積層化することにより作製した。
[Manufacture of laminated polymer actuator by casting method]
FIG. 3 is a view showing an example of the laminated polymer actuator. The laminated polymer actuator 1 was produced by laminating a polymer (PEDOT / PSS) film 11 and a substrate 12 produced by the casting method with an adhesive.

基板12として、ポリエチレンテレフタレート(PET)、膜厚100μmのフィルムを用いた。この実施例で作製した積層型高分子アクチュエータ1は、PETフィルム(基板12)と高分子(PEDOT/PSS)フィルム11(膜厚14μm)とをプラスチック用接着剤で張り合わせた二層構造である。このようにして作製した積層型高分子アクチュエータ1の高分子(PEDOT/PSS)フィルム11と基板12とは、強固に密着し容易に剥離しないことを確認した。   As the substrate 12, a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 100 μm was used. The laminated polymer actuator 1 produced in this example has a two-layer structure in which a PET film (substrate 12) and a polymer (PEDOT / PSS) film 11 (film thickness 14 μm) are bonded together with an adhesive for plastics. It was confirmed that the polymer (PEDOT / PSS) film 11 and the substrate 12 of the multilayer polymer actuator 1 produced in this manner were firmly adhered and did not easily peel off.

[屈曲動作の確認]
図4は、キャスト法により作製した高分子(PEDOT/PSS)フィルム11の電圧の印加・切断による体積変動を模式的に示した図である。キャスト法により作製した高分子(PEDOT/PSS)フィルム11は、電圧の印加及び切断により収縮・伸張する。すなわち、高分子(PEDOT/PSS)フィルム11は、電圧の印加で発生したジュール熱により、高分子(PEDOT/PSS)フィルム11の内部に存在する水分子7を脱着して収縮する。
[Confirmation of bending motion]
FIG. 4 is a diagram schematically showing the volume variation due to voltage application / cutting of the polymer (PEDOT / PSS) film 11 produced by the casting method. The polymer (PEDOT / PSS) film 11 produced by the casting method contracts and expands when a voltage is applied and cut. That is, the polymer (PEDOT / PSS) film 11 is desorbed and contracted by water molecules 7 existing inside the polymer (PEDOT / PSS) film 11 by Joule heat generated by application of voltage.

一方、電圧を切ることで、PSS6は大気中に存在する水分子7を再吸着する。その結果、高分子(PEDOT/PSS)フィルム11は、元の長さまで伸長する。このような高分子(PEDOT/PSS)フィルム11の特性を利用し、上述の方法で作製した積層型高分子アクチュエータ1の屈曲動作について検証した。   On the other hand, by turning off the voltage, the PSS 6 re-adsorbs water molecules 7 present in the atmosphere. As a result, the polymer (PEDOT / PSS) film 11 extends to the original length. Using the characteristics of the polymer (PEDOT / PSS) film 11 as described above, the bending operation of the multilayer polymer actuator 1 manufactured by the above-described method was verified.

まず、積層型高分子アクチュエータ1の上端の各片面を正負の極性となる金属電極を有するクリップで挟み、金属電極と接続された配線に電圧を印加することで積層型高分子アクチュエータ1に電流を流した。そして、そのときの積層型高分子アクチュエータ1の末端の変位をレーザ変位計で読み取り、その屈曲動作を確認した。その結果、積層型高分子アクチュエータ1は、数ボルトの電圧を印加することで屈曲動作を示すことを確認した。   First, each surface of the upper end of the multilayer polymer actuator 1 is sandwiched between clips having metal electrodes having positive and negative polarities, and a current is applied to the multilayer polymer actuator 1 by applying a voltage to a wiring connected to the metal electrode. Washed away. Then, the displacement of the end of the multilayer polymer actuator 1 at that time was read with a laser displacement meter, and the bending operation was confirmed. As a result, it was confirmed that the multilayer polymer actuator 1 exhibited a bending motion by applying a voltage of several volts.

しかし、上述した接着剤により積層化する方法により作製した積層型高分子アクチュエータ1は、電圧応答の繰り返しにより屈曲動作の変位量が減少することが判明した。これは、積層型高分子アクチュエータ1の高分子(PEDOT/PSS)フィルム11が、収縮により、基板12から次第にずれるためであった。従って、より安定して動作する積層型高分子アクチュエータ1の作製には、高分子(PEDOT/PSS)フィルム11と基板12との密着性の向上が必要であることが判明した。   However, it has been found that the displacement amount of the bending operation of the multilayer polymer actuator 1 produced by the method of laminating with the above-described adhesive decreases due to repeated voltage response. This is because the polymer (PEDOT / PSS) film 11 of the multilayer polymer actuator 1 gradually shifts from the substrate 12 due to shrinkage. Therefore, it has been found that the adhesion of the polymer (PEDOT / PSS) film 11 and the substrate 12 needs to be improved for the production of the multilayer polymer actuator 1 that operates more stably.

そこで、接着剤を用いず、高分子(PEDOT/PSS)溶液を直接プラスチック基板(基板厚:100μm)へ、スピンコート法とバーコート法により塗布することについて検討した。   Therefore, the application of a polymer (PEDOT / PSS) solution directly to a plastic substrate (substrate thickness: 100 μm) by spin coating and bar coating without using an adhesive was investigated.

スピンコート法により、ナノメートルオーダーの均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を基板上に得ることができた。しかし、この方法により作製した積層型高分子アクチュエータは屈曲動作を示さなかった。これは、基板上に形成したナノメートルオーダーの高分子(PEDOT/PSS)膜では、厚さ100μmの基板を屈曲させることができるだけの応力を発生しないためであった。スピンコート法でも、プラスチック基板を薄くすることで屈曲動作を示すものが作製できるが、一方において積層型高分子アクチュエータの力学特性や操作性の低下が問題となる。そこで、スピンコート法よりも厚膜が形成できるバーコート法を用いた積層型高分子アクチュエータの作製について検討した。   A uniform polymer (PEDOT / PSS) film of nanometer order could be obtained on the substrate by spin coating. However, the laminated polymer actuator produced by this method did not show bending motion. This is because the nanometer-order polymer (PEDOT / PSS) film formed on the substrate does not generate enough stress to bend the substrate having a thickness of 100 μm. Even with the spin coating method, a plastic substrate that exhibits a bending action can be produced by thinning the plastic substrate, but on the other hand, the mechanical properties and operability of the multilayer polymer actuator are degraded. Therefore, the production of a multilayer polymer actuator using the bar coat method, which can form a thicker film than the spin coat method, was examined.

マイクロメートルオーダーの膜厚の高分子(PEDOT/PSS)膜を作製するため、ウェット状態の膜厚(以下、ウェット膜厚)が100μmになるよう、PET基板上にバーコート法により高分子(PEDOT/PSS)溶液を塗布した。高分子(PEDOT/PSS)溶液には電気伝導度を上昇させるため、実施例1と同様にEGを3wt%添加した。   In order to produce a polymer (PEDOT / PSS) film having a thickness of micrometer order, a polymer (PEDOT) is formed on a PET substrate by a bar coating method so that a wet film thickness (hereinafter referred to as a wet film thickness) becomes 100 μm. / PSS) solution was applied. In order to increase the electrical conductivity, 3 wt% EG was added to the polymer (PEDOT / PSS) solution in the same manner as in Example 1.

また、均一な高分子(PEDOT/PSS)溶液のバーコートを行うため、プラズマイオンボンバードを用いて、基板に予めプラズマイオン処理を行う条件を検討した。プラズマイオン処理により、基板表面が親水化され、基板と高分子(PEDOT/PSS)膜との密着性が向上するからである。さらに、バーコートする高分子(PEDOT/PSS)溶液中に、界面活性剤であるドデシルベンゼンスルホン酸(以下、DBS)の添加も検討した。DBSにより、高分子(PEDOT/PSS)溶液の濡れ性を向上させることができるからである。   In addition, in order to perform bar coating of a uniform polymer (PEDOT / PSS) solution, conditions for performing plasma ion treatment on the substrate in advance using plasma ion bombardment were examined. This is because the plasma ion treatment hydrophilizes the substrate surface and improves the adhesion between the substrate and the polymer (PEDOT / PSS) film. Furthermore, addition of dodecylbenzenesulfonic acid (hereinafter referred to as DBS), which is a surfactant, was also investigated in a polymer (PEDOT / PSS) solution to be bar-coated. This is because DBS can improve the wettability of the polymer (PEDOT / PSS) solution.

検討条件を表1にまとめる。高分子(PEDOT/PSS)厚膜を形成することができたが、いずれの条件においても、基板上に完全に均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を作製することができなかった。   The study conditions are summarized in Table 1. Although a polymer (PEDOT / PSS) thick film could be formed, a completely uniform polymer (PEDOT / PSS) film could not be formed on the substrate under any conditions.

[バーコート法による高分子(PEDOT/PSS)膜の作製2]
基板全体に均一な高分子(PEDOT/PSS)膜が形成されない原因として、高分子(PEDOT/PSS)溶液の濃度が1wt%と低く、そのため基板に密着するだけの粘度が不足していることが原因と考えた。そこで、1μm以上の均一な高分子(PEDOT/PSS)厚膜を基板上に形成させるための条件について検討した。
[Production of polymer (PEDOT / PSS) film by bar coating method 2]
The reason why a uniform polymer (PEDOT / PSS) film is not formed on the entire substrate is that the concentration of the polymer (PEDOT / PSS) solution is as low as 1 wt%, and therefore the viscosity is insufficient to adhere to the substrate. I thought it was the cause. Therefore, the conditions for forming a uniform polymer (PEDOT / PSS) thick film of 1 μm or more on the substrate were examined.

基板表面を親水化するため、プラスチックのイオンエッチングが可能なハードイオンボンバードにより、2分間のプラズマイオン処理を施した。また、高分子(PEDOT/PSS)溶液には、DBSを0.01wt%、EGを3wt%添加し、その混合溶液を80℃のホットプレート上にて1時間濃縮したものを、ウェット膜厚100μmでバーコートにより塗布した。   In order to make the substrate surface hydrophilic, plasma ion treatment for 2 minutes was performed by hard ion bombardment capable of plastic ion etching. In addition, a polymer (PEDOT / PSS) solution containing 0.01 wt% DBS and 3 wt% EG was added to a solution obtained by concentrating the mixed solution on a hot plate at 80 ° C. for 1 hour. And applied by bar coating.

その結果、80mm四方のPET基板上に、均一に2μm程度の高分子(PEDOT/PSS)膜を作製することができた。すなわち、均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を作成するには、ウェット膜厚と高分子(PEDOT/PSS)溶液の粘度(濃度)を規定することが重要であることが判明した。   As a result, a polymer (PEDOT / PSS) film having a thickness of about 2 μm was uniformly formed on an 80 mm square PET substrate. That is, in order to create a uniform polymer (PEDOT / PSS) film, it has been found that it is important to define the wet film thickness and the viscosity (concentration) of the polymer (PEDOT / PSS) solution.

以上により、高分子(PEDOT/PSS)厚膜を形成するには、より濃度の高い高分子(PEDOT/PSS)溶液が必要であるとの結論に至った。そこで、バーコート法により高分子(PEDOT/PSS)厚膜を形成する最適な濃度条件を次の実験により見出した。   From the above, it was concluded that a polymer (PEDOT / PSS) solution having a higher concentration is necessary to form a polymer (PEDOT / PSS) thick film. Therefore, the optimum concentration conditions for forming a polymer (PEDOT / PSS) thick film by the bar coating method were found by the following experiment.

[実験1:真空凍結乾燥法による高分子(PEDOT/PSS)固形成分の抽出]
高分子(PEDOT/PSS)溶液を一度固体とし、それを再溶解させることで、高分子(PEDOT/PSS)溶液の濃度を自在に規定することができる。そこで、高分子(PEDOT/PSS)溶液から固体を抽出するため真空凍結乾燥法を用い、高分子(PEDOT/PSS)固体成分の抽出を行った。
[Experiment 1: Extraction of polymer (PEDOT / PSS) solid component by vacuum freeze-drying method]
The concentration of the polymer (PEDOT / PSS) solution can be freely defined by making the polymer (PEDOT / PSS) solution once solid and re-dissolving it. Therefore, in order to extract the solid from the polymer (PEDOT / PSS) solution, a vacuum freeze-drying method was used to extract the polymer (PEDOT / PSS) solid component.

ここで、真空凍結乾燥法とは、一般にフリーズドライと呼ばれる方法で、凍結した試料を減圧し真空状態で水分を昇華させ乾燥させる方法である。この方法は、氷のまま水が昇華除去されるため多孔質体となり、復元性や溶解性が良い。高分子(PEDOT/PSS)溶液の真空凍結乾燥は、真空凍結乾燥機を用い、真空状態(100Pa)下、−45℃の凍結条件で約2日間行った。その結果、高分子(PEDOT/PSS)溶液100gから約1gの黒色でスポンジ状の多孔質体の固体成分を得た。   Here, the vacuum freeze-drying method is a method generally called freeze-drying, in which a frozen sample is decompressed and water is sublimated and dried in a vacuum state. In this method, since water is sublimated and removed as ice, it becomes a porous body and has good restorability and solubility. The lyophilization of the polymer (PEDOT / PSS) solution was performed for about 2 days under a vacuum condition (100 Pa) under a freezing condition of −45 ° C. using a vacuum lyophilizer. As a result, about 1 g of a black, sponge-like porous solid component was obtained from 100 g of the polymer (PEDOT / PSS) solution.

[凍結乾燥物の確認]
凍結乾燥させた高分子(PEDOT/PSS)固形成分の性状を確認するため、以下の検討を行った。まず、高分子(PEDOT/PSS)固形成分を溶媒である水に再溶解させたところ、沈殿や凝集することなく再溶解し、高分子(PEDOT/PSS)溶液の状態に回復した。次に、再溶解した1wt%の高分子(PEDOT/PSS)溶液からキャスト法により高分子(PEDOT/PSS)フィルムを作製し、抵抗率計を用いて電気伝導度を測定した。その結果、電気的な劣化は無い事が確認された。
[Confirmation of freeze-dried product]
In order to confirm the properties of the freeze-dried polymer (PEDOT / PSS) solid component, the following examination was performed. First, when the polymer (PEDOT / PSS) solid component was redissolved in water as a solvent, the polymer (PEDOT / PSS) was re-dissolved without precipitation or aggregation and recovered to a polymer (PEDOT / PSS) solution state. Next, a polymer (PEDOT / PSS) film was prepared from the re-dissolved 1 wt% polymer (PEDOT / PSS) solution by a casting method, and the electrical conductivity was measured using a resistivity meter. As a result, it was confirmed that there was no electrical deterioration.

また、電気収縮挙動についても測定を行った。まず、高分子(PEDOT/PSS)フィルムを切り出し、金メッキを施したチャックに挟み固定した。次いで、直流安定化電源を用いてチャック間に直流電流を印加し、伸縮挙動を変位センサーで測定した。   In addition, the electrical contraction behavior was also measured. First, a polymer (PEDOT / PSS) film was cut out and fixed by being sandwiched between gold-plated chucks. Next, a direct current was applied between the chucks using a direct current stabilized power source, and the expansion and contraction behavior was measured with a displacement sensor.

電気収縮挙動の測定においては、環境を一定に保つため、恒温恒湿槽を用い、25℃、周囲湿度50%RHの一定環境下で測定を行った。その結果、再溶解した高分子(PEDOT/PSS)溶液から作製した高分子フィルムの収縮率の低下はないことを確認した。   In the measurement of the electric contraction behavior, in order to keep the environment constant, the measurement was performed in a constant environment of 25 ° C. and an ambient humidity of 50% RH using a constant temperature and humidity chamber. As a result, it was confirmed that there was no decrease in shrinkage of the polymer film prepared from the re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution.

以上より、凍結乾燥により得られた高分子(PEDOT/PSS)固形成分を再溶解することで、所望の濃度の高分子(PEDOT/PSS)溶液を作製でき、また凍結乾燥、再溶解により得られた高分子(PEDOT/PSS)溶液は、凍結乾燥前の高分子(PEDOT/PSS)溶液と同様に扱うことができることが判明した。   As described above, the polymer (PEDOT / PSS) solid component obtained by lyophilization can be redissolved to prepare a polymer (PEDOT / PSS) solution having a desired concentration, and can be obtained by lyophilization and re-dissolution. It was found that the polymer (PEDOT / PSS) solution can be handled in the same manner as the polymer (PEDOT / PSS) solution before lyophilization.

[実験2:高分子(PEDOT/PSS)再溶解濃度の最適化]
できるだけ厚い高分子(PEDOT/PSS)膜をバーコート法により、基板上に形成するには、高分子(PEDOT/PSS)溶液の濃度が高い方が好適である。一方、均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を得るには、高分子(PEDOT/PSS)溶液が凝集しないことが必要である。そこで、凍結乾燥により得られた高分子(PEDOT/PSS)固形成分の水への可溶性濃度について検討した。
[Experiment 2: Optimization of polymer (PEDOT / PSS) redissolving concentration]
In order to form a polymer (PEDOT / PSS) film as thick as possible on the substrate by the bar coating method, it is preferable that the concentration of the polymer (PEDOT / PSS) solution is high. On the other hand, in order to obtain a uniform polymer (PEDOT / PSS) film, it is necessary that the polymer (PEDOT / PSS) solution does not aggregate. Therefore, the water-soluble concentration of the polymer (PEDOT / PSS) solid component obtained by freeze-drying was examined.

まず、数種類の濃度(1.5wt%,2wt%,2.5wt%,3wt%,3.5wt%,4wt%,及び5wt%)の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液を作製し、その溶解性を視覚的に確認した。その結果、3.5wt%以下の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液までは、水に可溶化するが、4wt%以上の濃度では半固体状のものが残ることが判明した。   First, a redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution having several concentrations (1.5 wt%, 2 wt%, 2.5 wt%, 3 wt%, 3.5 wt%, 4 wt%, and 5 wt%) was prepared. Solubility was confirmed visually. As a result, it was found that up to 3.5 wt% or less of the re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution is solubilized in water, but a semi-solid state remains at a concentration of 4 wt% or more.

次に、水への溶解が確認された1.5〜3.5wt%までの再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液を、ウェット膜厚100μmでPET基板(サイズ80mm×80mm,膜厚38μm)上にバーコート法により塗布した。検討条件を表2にまとめる。PET基板表面には、支持膜などデリケートな試料の親水化に用いられるソフトイオンボンバード(以下、Soft)により、2分間のプラズマイオン処理を施した。また、再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液中への、EGおよびDBSの添加はしていない。   Next, a 1.5-3.5 wt% re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution confirmed to be dissolved in water is a PET substrate (size 80 mm × 80 mm, film thickness 38 μm) with a wet film thickness of 100 μm. It was applied on top by a bar coat method. The examination conditions are summarized in Table 2. The surface of the PET substrate was subjected to plasma ion treatment for 2 minutes by soft ion bombardment (hereinafter, Soft) used for hydrophilization of a delicate sample such as a support film. Moreover, EG and DBS are not added to the redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution.

図5は、上記の条件でバーコートを行った結果を示した図である。再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液濃度が高くなる程バーコートの均一性は向上し、形成される膜厚も厚くなることが判明した。しかし、再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液濃度が最も高い3.5wt%の条件では、バーの筋が残ってしまった。一方、再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液濃度が3wt%のものは形成される膜厚が最も均一であり、約4μmの膜厚の高分子(PEDOT/PSS)膜を形成することができた。   FIG. 5 is a diagram showing the results of bar coating under the above conditions. It was found that the higher the concentration of the re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution, the higher the uniformity of the bar coat and the thicker the film formed. However, bar streaks remained under the condition of 3.5 wt% where the redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution concentration was the highest. On the other hand, when the concentration of the redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution is 3 wt%, the formed film thickness is the most uniform, and a polymer (PEDOT / PSS) film having a thickness of about 4 μm can be formed. It was.

[実験3:電気伝導度の最適化]
上記の条件で作製した再溶解高分子(PEDOT/PSS)膜の電気伝導度は、およそ数S/cmと考えられる。しかし、数mm以上の屈曲挙動を有する積層型高分子アクチュエータを、数ボルトという低電圧で駆動させるには、高分子(PEDOT/PSS)膜の電気伝導度をより高くする必要がある。
[Experiment 3: Optimization of electrical conductivity]
The electric conductivity of the redissolved polymer (PEDOT / PSS) film produced under the above conditions is considered to be about several S / cm. However, in order to drive a laminated polymer actuator having a bending behavior of several millimeters or more at a low voltage of several volts, it is necessary to increase the electrical conductivity of the polymer (PEDOT / PSS) film.

発明者らは、キャスト法により高分子(PEDOT/PSS)フィルムを作製する際に、高分子(PEDOT/PSS)溶液にエチレングリコール(EG)を添加することで、電気伝導度を100S/cm以上に上昇できるという知見を得ている。そこで最適化した3wt%の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液に、数種類の濃度(0,1,5,10,15,20,25wt%)のEGを添加した混合溶液をバーコート法により基板上に塗布し、高分子(PEDOT/PSS)膜を形成した。   The inventors of the present invention have an electrical conductivity of 100 S / cm or more by adding ethylene glycol (EG) to a polymer (PEDOT / PSS) solution when producing a polymer (PEDOT / PSS) film by a casting method. It has been found that it can rise. Therefore, a mixed solution obtained by adding several concentrations (0, 1, 5, 10, 15, 20, 25 wt%) of EG to the optimized 3 wt% redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution by the bar coating method. The polymer (PEDOT / PSS) film was formed by coating on the substrate.

図6は、形成された高分子(PEDOT/PSS)膜のシート抵抗の測定結果を示したグラフである。横軸がEGの濃度(wt%)であり、縦軸がシート抵抗(Ω/sq)である。EG未添加(0wt%)の高分子(PEDOT/PSS)膜のシート抵抗は1877Ω/sq、EG1wt%添加の高分子(PEDOT/PSS)膜のシート抵抗は1800Ω/sqと高いシート抵抗を示した。一方、EG濃度の増加によりシート抵抗は減少し、EG濃度が15wt%の条件においてシート抵抗は最も低く、32Ω/sqであった。   FIG. 6 is a graph showing the measurement results of the sheet resistance of the formed polymer (PEDOT / PSS) film. The horizontal axis represents the EG concentration (wt%), and the vertical axis represents the sheet resistance (Ω / sq). The sheet resistance of the polymer (PEDOT / PSS) film without addition of EG (0 wt%) was 1877 Ω / sq, and the sheet resistance of the polymer (PEDOT / PSS) film with addition of EG 1 wt% was as high as 1800 Ω / sq. . On the other hand, the sheet resistance decreased with an increase in the EG concentration, and the sheet resistance was the lowest at 32 Ω / sq under the condition where the EG concentration was 15 wt%.

以上より、バーコート法により塗布する高分子(PEDOT/PSS)溶液として、濃度3wt%の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液に、15wt%のEG溶液を添加した混合液が好適であることが判明した。   From the above, as a polymer (PEDOT / PSS) solution to be applied by the bar coating method, a mixed solution in which a 15 wt% EG solution is added to a 3 wt% re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution is suitable. There was found.

[実験4:親水化条件の再検討]
さらに均一な高分子(PEDOT/PSS)厚膜を形成するため、親水化条件について検討を行った。具体的には、濃度3wt%の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液に15wt%のEGを加えた混合溶液に、数種類の濃度(0wt%,0.01wt%,0.1wt%,1wt%)のDBSを添加した溶液を作製した。作製した混合溶液を、バーコート法により基板に塗布し、形成された高分子(PEDOT/PSS)膜の性状を解析し、DBSの最適濃度条件を検討した。
[Experiment 4: Reexamination of hydrophilization conditions]
Furthermore, in order to form a uniform polymer (PEDOT / PSS) thick film, hydrophilization conditions were examined. Specifically, several concentrations (0 wt%, 0.01 wt%, 0.1 wt%, 1 wt%) were added to a mixed solution obtained by adding 15 wt% EG to a 3 wt% redissolved polymer (PEDOT / PSS) solution. ) To which DBS was added. The prepared mixed solution was applied to the substrate by the bar coating method, the properties of the formed polymer (PEDOT / PSS) film were analyzed, and the optimum concentration condition of DBS was examined.

また、前記高分子(PEDOT/PSS)溶液を塗布する基板についても、プラズマイオン処理(Soft,2分)を施したものと、未処理のものと2種類の基板を用い、基板へのプラズマイオン処理の要否についても検討した。なお、実験に用いた基板は、PET(サイズ80mm×80mm,膜厚38μm)である。   In addition, for the substrate to which the polymer (PEDOT / PSS) solution is applied, two types of substrates, a plasma ion treatment (Soft, 2 minutes) and an untreated substrate, are used. The necessity of processing was also examined. The substrate used in the experiment is PET (size 80 mm × 80 mm, film thickness 38 μm).

プラズマイオン処理をせず、かつDBS無添加の場合では、基板に対し高分子(PEDOT/PSS)溶液がはじかれ、均一な膜は形成されなかった。一方、プラズマイオン処理を施さない条件であっても、DBSが0.01wt%でも添加された条件では、均一な高分子(PEDOT/PSS)膜の形成を確認できた。また、プラズマイオン処理すると、DBSの有無に関わらず均一な高分子(PEDOT/PSS)膜の形成が確認できた。   When the plasma ion treatment was not performed and DBS was not added, the polymer (PEDOT / PSS) solution was repelled on the substrate, and a uniform film was not formed. On the other hand, even under conditions where plasma ion treatment was not performed, formation of a uniform polymer (PEDOT / PSS) film could be confirmed under conditions where DBS was added even at 0.01 wt%. Moreover, when plasma ion treatment was performed, formation of a uniform polymer (PEDOT / PSS) film could be confirmed regardless of the presence or absence of DBS.

図7は、上記の条件で形成された高分子(PEDOT/PSS)膜のDBS濃度とシート抵抗の関係を示したグラフである。図7に示す通り、シート抵抗はプラズマイオン処理の有無には依存せず、DBS濃度に依存し、0.1wt%以上の高濃度になるほどシート抵抗が上昇する傾向が判明した。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the DBS concentration of the polymer (PEDOT / PSS) film formed under the above conditions and the sheet resistance. As shown in FIG. 7, the sheet resistance does not depend on the presence or absence of plasma ion treatment, but depends on the DBS concentration, and it has been found that the sheet resistance tends to increase as the concentration becomes higher than 0.1 wt%.

上記親水化条件とシート抵抗の結果を表3に表す。プラズマイオン処理を行わない条件であって、DBS無添加の場合は、均一な膜が形成されない。一方、プラズマイオン処理を行わない条件であっても、DBSが添加されている場合は、均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を形成できる。しかし、0.1wt%以上の濃度のDBSでは、シート抵抗が上昇する。従って、プラズマイオン処理を行わない場合は、高い電気伝導度でかつ均一な高分子(PEDOT/PSS)膜を形成することは難しいことが判明した。   The hydrophilization conditions and sheet resistance results are shown in Table 3. When the plasma ion treatment is not performed and no DBS is added, a uniform film is not formed. On the other hand, even under conditions where plasma ion treatment is not performed, a uniform polymer (PEDOT / PSS) film can be formed when DBS is added. However, in the case of DBS having a concentration of 0.1 wt% or more, the sheet resistance increases. Accordingly, it has been found that it is difficult to form a uniform polymer (PEDOT / PSS) film with high electrical conductivity when plasma ion treatment is not performed.

一方、基板にプラズマイオン処理を施すと、DBS無添加の場合であっても均一な高分子(PEDOT/PSS)膜が形成できる。また、プラズマイオンの処理の有無に関係なく、シート抵抗はDBS濃度に依存して高くなる。従って、均一で高い電気伝導度を有する高分子(PEDOT/PSS)膜を形成するには、プラズマイオン処理を施し、DBSを添加しないことが好ましいことが判明した。   On the other hand, when the substrate is subjected to plasma ion treatment, a uniform polymer (PEDOT / PSS) film can be formed even when DBS is not added. In addition, the sheet resistance increases depending on the DBS concentration regardless of the plasma ion treatment. Accordingly, it has been found that in order to form a polymer (PEDOT / PSS) film having a uniform and high electric conductivity, it is preferable to perform plasma ion treatment and not add DBS.

[実験5:乾燥膜厚の制御]
上記の条件で、最適化した基板と高分子(PEDOT/PSS)溶液を用い、ウェット膜厚を変え、それを乾燥させた厚膜(乾燥厚膜)の膜厚との関係について検討した。基板に高分子(PEDOT/PSS)溶液を塗布する際のバーにはガラス棒を用い、シムテープをスペーサとして基板と任意のギャップを設け、バーコートを行った。なお、基板はPET(サイズ80mm×80mm,膜厚38μm)であり、これにプラズマイオン処理(Soft,2分)を施した。また、バーコートに用いた高分子溶液は、3wt%の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液に、15wt%のEGを加えた混合溶液であり、DBSは添加しなかった。
[Experiment 5: Control of dry film thickness]
Under the above conditions, an optimized substrate and a polymer (PEDOT / PSS) solution were used, the wet film thickness was changed, and the relationship between the film thickness of a thick film (dry thick film) obtained by drying it was examined. A glass rod was used for the bar when the polymer (PEDOT / PSS) solution was applied to the substrate, and bar coating was performed by providing a gap with the substrate using shim tape as a spacer. The substrate was PET (size 80 mm × 80 mm, film thickness 38 μm), and this was subjected to plasma ion treatment (Soft, 2 minutes). Moreover, the polymer solution used for the bar coat was a mixed solution obtained by adding 15 wt% EG to a 3 wt% re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution, and DBS was not added.

図8は、上記の条件におけるウェット膜厚と乾燥膜厚との関係を示したグラフである。いずれのウェット膜厚においても,均一な高分子(PEDOT/PSS)膜の乾燥厚膜が形成できた。膜厚の測定には、マイクロメータを用い、それぞれの中心付近5点を測定し、その平均膜厚を高分子(PEDOT/PSS)膜の乾燥膜厚とした。図8に示す通り、ウェット膜厚を厚くすることで、数〜十μm以上の高分子(PEDOT/PSS)膜が得られた。このことから、高分子(PEDOT/PSS)膜の乾燥膜厚はウェット膜厚に比例し厚くなる事が判明した。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the wet film thickness and the dry film thickness under the above conditions. In any wet film thickness, a dry thick film of a uniform polymer (PEDOT / PSS) film could be formed. For the measurement of the film thickness, a micrometer was used to measure 5 points near the center of each, and the average film thickness was defined as the dry film thickness of the polymer (PEDOT / PSS) film. As shown in FIG. 8, by increasing the wet film thickness, a polymer (PEDOT / PSS) film of several to 10 μm or more was obtained. From this, it was found that the dry film thickness of the polymer (PEDOT / PSS) film increases in proportion to the wet film thickness.

図9は、形成した高分子(PEDOT/PSS)膜の乾燥膜厚に対するシート抵抗の測定結果を示したグラフである。図9に示す通り、高分子(PEDOT/PSS)膜が薄い(2μm)ほどシート抵抗が高く(20Ω/sq以上)、高分子(PEDOT/PSS)膜が厚い(6μm以上)ほどシート抵抗が低い(5Ω/sq以下)ことがわかる。すなわち、シート抵抗は高分子(PEDOT/PSS)膜の厚さに反比例することが判明した。   FIG. 9 is a graph showing measurement results of sheet resistance with respect to the dry film thickness of the formed polymer (PEDOT / PSS) film. As shown in FIG. 9, the thinner the polymer (PEDOT / PSS) film (2 μm), the higher the sheet resistance (20Ω / sq or more), and the thicker the polymer (PEDOT / PSS) film (6 μm or more), the lower the sheet resistance. It can be seen (5Ω / sq or less). That is, it was found that the sheet resistance is inversely proportional to the thickness of the polymer (PEDOT / PSS) film.

以上の結果より、シムテープの厚さを規定ギャップとし、バーとのスペーサに用いることで、数〜10μm以上の所望の高分子(PEDOT/PSS)膜形成できることが判明した。   From the above results, it was found that a desired polymer (PEDOT / PSS) film of several to 10 μm or more can be formed by using the shim tape thickness as a specified gap and using it as a spacer with a bar.

[積層型高分子アクチュエータの作製]
図10は、積層型高分子アクチュエータの他の実施例を示した図である。この実施例で作製した積層型高分子アクチュエータ2は、バーコート法で作製した高分子(PEDOT/PSS)膜11、基板12および電極23とから構成される。
[Production of laminated polymer actuator]
FIG. 10 is a view showing another embodiment of the laminated polymer actuator. The laminated polymer actuator 2 produced in this example is composed of a polymer (PEDOT / PSS) film 11, a substrate 12 and an electrode 23 produced by a bar coating method.

積層型高分子アクチュエータ2の作製工程を図1のフローチャートに基づき説明する。まず、濃度3wt%の再溶解高分子(PEDOT/PSS)溶液に15wt%のEGを添加した高分子(PEDOT/PSS)溶液を作製する(図1、ステップS1〜ステップS3)。基板12には、PET(80mm×80mm,膜厚50μm)を用い、その表面にプラズマイオン処理(Soft、2分)を施した(図1、ステップS2’)。高分子(PEDOT/PSS)溶液をバーコート法により基板12上に塗布し(図1、ステップS4)、高分子(PEDOT/PSS)膜11と基板12の二層構造の複合素子を作製した。このとき、形成された高分子(PEDOT/PSS)膜厚はおよそ4μm、シート抵抗は8.7Ω/sqであった。   A manufacturing process of the multilayer polymer actuator 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. First, a polymer (PEDOT / PSS) solution is prepared by adding 15 wt% EG to a 3 wt% re-dissolved polymer (PEDOT / PSS) solution (FIG. 1, Steps S1 to S3). The substrate 12 was made of PET (80 mm × 80 mm, film thickness 50 μm), and the surface was subjected to plasma ion treatment (Soft, 2 minutes) (FIG. 1, step S2 ′). A polymer (PEDOT / PSS) solution was applied onto the substrate 12 by a bar coating method (FIG. 1, step S4), and a composite element having a two-layer structure of the polymer (PEDOT / PSS) film 11 and the substrate 12 was produced. At this time, the formed polymer (PEDOT / PSS) film thickness was about 4 μm, and the sheet resistance was 8.7 Ω / sq.

上述の通り作製した二層構造の複合素子を、レーザーマーカにより、有効長10mm、幅1mmのアクチュエータとして切り出した(図1、ステップS5)。次いで、マグネトロンスパッタにより、アクチュエータの裏面と両端に金(Au)の電極パターンを形成し(図1、ステップ6)、積層型高分子アクチュエータ2を作製した。   The composite element having the two-layer structure manufactured as described above was cut out as an actuator having an effective length of 10 mm and a width of 1 mm using a laser marker (FIG. 1, step S5). Next, gold (Au) electrode patterns were formed on the back surface and both ends of the actuator by magnetron sputtering (FIG. 1, Step 6), and the laminated polymer actuator 2 was produced.

[積層型高分子アクチュエータの動作確認]
図11は、積層型高分子アクチュエータ2の電流特性(a)と屈曲挙動(b)を示したグラフである。積層型高分子アクチュエータ2には、金属電極23がスパッタされており、金属電極23と接続された配線に電圧を印加することができる。積層型高分子アクチュエータ2に電圧を印加し、そのときの積層型高分子アクチュエータ2の末端の変位をレーザ変位計で読みとり、その屈曲挙動を確認した。
[Operation check of laminated polymer actuator]
FIG. 11 is a graph showing current characteristics (a) and bending behavior (b) of the multilayer polymer actuator 2. A metal electrode 23 is sputtered on the multilayer polymer actuator 2, and a voltage can be applied to the wiring connected to the metal electrode 23. A voltage was applied to the laminated polymer actuator 2, and the displacement of the end of the laminated polymer actuator 2 at that time was read with a laser displacement meter, and its bending behavior was confirmed.

図11に示す特性の測定にあたっては、恒温恒湿槽内を25℃,50%RHに制御し、積層型高分子アクチュエータ2の変位量を測定した。1Vの電圧印加と同時に約6mAの電流が流れ(図11(a))、積層型高分子アクチュエータ2は高分子(PEDOT/PSS)膜11側に屈曲した(図11(b))。これは高分子(PEDOT/PSS)膜11に電流が流れ、ジュール加熱によって吸着していた水分子が脱着し、高分子(PEDOT/PSS)膜11が収縮したことに起因する。一方、電圧を切ると元の状態に戻るが、これは水分子が高分子(PEDOT/PSS)膜11に再吸着したためである。   In the measurement of the characteristics shown in FIG. 11, the inside of the constant temperature and humidity chamber was controlled at 25 ° C. and 50% RH, and the displacement amount of the multilayer polymer actuator 2 was measured. When a voltage of 1 V was applied, a current of about 6 mA flowed (FIG. 11 (a)), and the laminated polymer actuator 2 was bent toward the polymer (PEDOT / PSS) film 11 side (FIG. 11 (b)). This is because a current flows through the polymer (PEDOT / PSS) film 11, water molecules adsorbed by Joule heating are desorbed, and the polymer (PEDOT / PSS) film 11 contracts. On the other hand, when the voltage is turned off, the original state is restored. This is because water molecules are re-adsorbed on the polymer (PEDOT / PSS) film 11.

また、印加電圧が2Vの時に約1mm、3Vの時に2mm以上の積層型高分子アクチュエータ2の先端の変位が確認できた(図11(b))。その際、実施例1において問題となった電圧印加の繰り返しによる高分子(PEDOT/PSS)膜11と基板12とのずれは生じなかった。   Further, the displacement of the tip of the multilayer polymer actuator 2 of about 1 mm when the applied voltage was 2 V and 2 mm or more when the applied voltage was 3 V was confirmed (FIG. 11B). At that time, there was no deviation between the polymer (PEDOT / PSS) film 11 and the substrate 12 due to repeated voltage application, which was a problem in Example 1.

[積層型高分子アクチュエータの駆動モデル]
図12は積層型高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータのモデルを示した図である。図12(a)は電圧を印加していない状態、図12(b)は電圧の印加により積層型高分子アクチュエータが屈曲した状態を示した図である。数1及び数2は、2つの材料の熱膨張係数の違いにより屈曲する一般的なバイモルフ構造アクチュエータの理論式である。
[Drive model of laminated polymer actuator]
FIG. 12 is a view showing a model of a stacked polymer (PEDOT / PSS) actuator. FIG. 12A shows a state in which no voltage is applied, and FIG. 12B shows a state in which the laminated polymer actuator is bent by the application of voltage. Equations (1) and (2) are theoretical equations of a general bimorph actuator that bends due to the difference in thermal expansion coefficient between the two materials.

図12を参照し、数1及び数2に示す数式を用いて、以下、積層型高分子アクチュエータの駆動メカニズムについて説明する。   With reference to FIG. 12, the drive mechanism of the laminated polymer actuator will be described below using the mathematical formulas shown in Equations 1 and 2.

数1において、(αa−αb)ΔTはバイモルフ構造アクチュエータを構成する材料aと材料bのある温度における熱膨張値の差を示す。ここで、積層型高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータの屈曲メカニズムはジュール熱の発生による水分子の脱着により、PEDOT/PSSが収縮するためと考えられている(図4を参照)。   In Equation 1, (αa−αb) ΔT represents a difference in thermal expansion value at a certain temperature between the material a and the material b constituting the bimorph actuator. Here, it is considered that the bending mechanism of the laminated polymer (PEDOT / PSS) actuator is that PEDOT / PSS contracts due to desorption of water molecules due to generation of Joule heat (see FIG. 4).

図12に示す高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータの収縮率γは温度に比例するためγ×10−2=αΔT(αは比例係数)と示すことができる。従って、数3、数4に示す数式のように積層型高分子アクチュエータのモデル式を立てることができる。   Since the shrinkage γ of the polymer (PEDOT / PSS) actuator shown in FIG. 12 is proportional to the temperature, it can be expressed as γ × 10−2 = αΔT (α is a proportional coefficient). Therefore, a model formula of the laminated polymer actuator can be established as expressed by the formulas 3 and 4.

y:先端の変位
ρ:曲率
l:バイモルフの長さ
ΔT:上昇温度
ta:材料aの厚み
Ea:材料aのヤング率
αa:材料aの線膨張係数
tb:材料bの厚み
Eb:材料bのヤング率
αb:材料bの線膨張係数
y: Displacement of the tip
ρ: curvature
l: Length of bimorph
ΔT: rising temperature
ta: thickness of material a
Ea: Young's modulus of material a
αa: linear expansion coefficient of material a
tb: thickness of material b
Eb: Young's modulus of material b
αb: Linear expansion coefficient of material b

y:先端の変位
ρ:曲率
l:複合素子の長さ
γ:PEDOT/PSSの収縮率
ta:PEDOT/PSSの厚み
Ea:PEDOT/PSSのヤング率
tb:材料bの厚み
Eb:材料bのヤング率
y: Displacement of the tip
ρ: curvature
l: Length of composite element
γ: PEDOT / PSS shrinkage
ta: PEDOT / PSS thickness
Ea: Young's modulus of PEDOT / PSS
tb: thickness of material b
Eb: Young's modulus of material b

図12(b)は、上述した通り、積層型高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータに実際に電圧を印加した場合の屈曲状態を示しているが、この場合、積層型高分子アクチュエータは材料aである高分子(PEDOT/PSS)膜側に屈曲する。この現象は、熱膨張で駆動する一般的なバイモルフ構造アクチュエータのメカニズムとは異なり、このアクチュエータが高分子(PEDOT/PSS)膜の収縮で駆動することを示している。   FIG. 12B shows a bent state when a voltage is actually applied to the laminated polymer (PEDOT / PSS) actuator as described above. In this case, the laminated polymer actuator is made of a material a. Bends to a certain polymer (PEDOT / PSS) film side. This phenomenon is different from the mechanism of a general bimorph structure actuator driven by thermal expansion, and indicates that this actuator is driven by contraction of a polymer (PEDOT / PSS) film.

図11において、3Vの電圧を印加した時の先端の変位量から、数3、数4に示す数式を用いて複合素子の曲率ρを求め、高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータの収縮率γを求めると、その値は1.9%であった。なお、このときの先端の変位yは2.2mm、高分子(PEDOT/PSS)膜の厚みtaは4μm、基板の厚みtbは50μm、高分子(PEDOT/PSS)膜のヤング率Eaは4GPa、基板のヤング率Ebは1GPaであった。   In FIG. 11, the curvature ρ of the composite element is obtained from the amount of displacement of the tip when a voltage of 3 V is applied, using the mathematical formulas 3 and 4, and the contraction rate γ of the polymer (PEDOT / PSS) actuator is obtained. When calculated, the value was 1.9%. At this time, the tip displacement y is 2.2 mm, the polymer (PEDOT / PSS) film thickness ta is 4 μm, the substrate thickness tb is 50 μm, the polymer (PEDOT / PSS) film Young's modulus Ea is 4 GPa, The Young's modulus Eb of the substrate was 1 GPa.

発明者らは、上述した通り高分子(PEDOT/PSS)膜が空気中でジュール熱により水分子を脱着し収縮する現象を見出し、短冊状フィルムの直動方向の収縮挙動を測定している。その時の高分子(PEDOT/PSS)膜の最大の収縮率は2.4%であった。   As described above, the inventors have found a phenomenon in which a polymer (PEDOT / PSS) film desorbs and contracts due to Joule heat in air, and measures the contraction behavior of the strip-shaped film in the linear motion direction. The maximum shrinkage of the polymer (PEDOT / PSS) film at that time was 2.4%.

一方、数3、数4に示す数式から算出した高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータの収縮率γは1.9%であり、水分子を吸脱着して駆動する高分子(PEDOT/PSS)膜の収縮率(2.4%)に近い値を示した。また、積層型高分子アクチュエータの屈曲する方向は高分子(PEDOT/PSS)膜側であった。従って、積層型高分子アクチュエータは、高分子(PEDOT/PSS)膜の場合と同様のメカニズムで駆動すると考えられる。   On the other hand, the contraction rate γ of the polymer (PEDOT / PSS) actuator calculated from the mathematical expressions shown in Equations 3 and 4 is 1.9%, and the polymer (PEDOT / PSS) film is driven by adsorbing and desorbing water molecules. The value was close to the shrinkage rate (2.4%). Further, the bending direction of the laminated polymer actuator was the polymer (PEDOT / PSS) film side. Therefore, it is considered that the laminated polymer actuator is driven by the same mechanism as that of the polymer (PEDOT / PSS) film.

[積層型高分子アクチュエータの特長]
本研究で開発した高分子(PEDOT/PSS)膜と基材とを積層化した積層型高分子アクチュエータは、一般的なバイモルフ構造のアクチュエータとは異なるメカニズムで駆動することを特長とする。
[Features of laminated polymer actuator]
The layered polymer actuator developed in this study, which is composed of a polymer (PEDOT / PSS) film and a substrate, is characterized by being driven by a mechanism different from that of a general bimorph actuator.

屈曲型アクチュエータの代表例である圧電素子を材料としたアクチュエータは駆動に100V以上の高電圧を必要とし、その変位量はマイクロメートルオーダー以下と非常に小さい。これに対して本研究で開発した積層型高分子(PEDOT/PSS)アクチュエータは、5V以下という低電圧でミリメートルオーダーの変位量を発生させることができるという特長を有する。   An actuator made of a piezoelectric element, which is a typical example of a bending actuator, requires a high voltage of 100 V or more for driving, and its displacement is as small as a micrometer order or less. On the other hand, the laminated polymer (PEDOT / PSS) actuator developed in this study has a feature that it can generate displacement in the millimeter order at a low voltage of 5 V or less.

表4は、直動型高分子アクチュエータと、本発明の積層型高分子アクチュエータとを比較したものである。ここでは、25℃,50%RHの環境で各アクチュエータに1mmの変位を発生させた条件で比較を行った。その結果、アクチュエータサイズについては、積層型では直動型の5分の1以下に小型化できる事がわかった。これは、テコの機構により変位が拡大されているためと考えられる。   Table 4 compares the direct acting polymer actuator and the laminated polymer actuator of the present invention. Here, the comparison was performed under the conditions in which a displacement of 1 mm was generated in each actuator in an environment of 25 ° C. and 50% RH. As a result, it was found that the actuator size can be reduced to 1/5 or less of the direct acting type in the laminated type. This is probably because the displacement is enlarged by the lever mechanism.

消費電力については、直動型に対して10分の1近くに抑えられており、省電力化が実現された。また、積層型高分子アクチュエータでは力学強度も向上していた。直動型の力学強度は、高分子(PEDOT/PSS)膜自身の強度に依存する。一方、積層型では高分子(PEDOT/PSS)膜が基板と積層化されたため、強度が大きく向上したと考えられる。さらに、電圧を切った際の応答速度が、直動型に比べ5倍近く高速化した。これは水分子の吸着速度が向上したためと考えられる。   The power consumption is reduced to nearly one-tenth of that of the direct acting type, thus realizing power saving. In addition, the mechanical strength of the laminated polymer actuator was also improved. The dynamic strength of the direct acting type depends on the strength of the polymer (PEDOT / PSS) film itself. On the other hand, in the laminated type, the polymer (PEDOT / PSS) film is laminated with the substrate, so that the strength is considered to be greatly improved. Furthermore, the response speed when the voltage was turned off was nearly 5 times faster than the direct acting type. This is thought to be because the adsorption rate of water molecules was improved.

以上より、基板との積層化が実現したことで、従来フィルムの強度の観点から難しかった数マイクロメートルの高分子(PEDOT/PSS)膜のアクチュエータ化が可能になった。また、高分子(PEDOT/PSS)膜を薄膜化すれば、高速応答化が期待できる。これは、積層型高分子アクチュエータの駆動メカニズムが水分子の拡散に起因するためである。   As described above, since the lamination with the substrate has been realized, it has become possible to convert the polymer (PEDOT / PSS) film of several micrometers, which has been difficult from the viewpoint of the strength of the conventional film, into an actuator. In addition, if the polymer (PEDOT / PSS) film is thinned, high-speed response can be expected. This is because the driving mechanism of the laminated polymer actuator is caused by the diffusion of water molecules.

本発明によれば、高分子膜(フィルム)の収縮を利用した積層型高分子アクチュエータを作製することができ、かかる積層型高分子アクチュエータは、モータ、ソレノイドの代替、スイッチ、バルブ、ポンプ等の電子・機械分野、レンズ駆動やミラー駆動、カメラのオートフォーカス等の光学機器分野、ガイドワイヤーや内視鏡等の医療分野、生体模倣デバイスやロボットの指駆動等の玩具・ロボット分野、点字ディスプレイやパワーアシスト等の電子工学素子として介護・福祉分野をはじめ様々な分野に応用することができる。   According to the present invention, it is possible to produce a laminated polymer actuator that utilizes the contraction of a polymer film (film), and such a laminated polymer actuator can be used for motors, solenoids, switches, valves, pumps, and the like. Electronic / mechanical field, optical device field such as lens drive and mirror drive, camera auto-focus, medical field such as guide wire and endoscope, toy / robot field such as biomimetic device and robot finger drive, Braille display, It can be applied to various fields including nursing and welfare as an electronic element such as power assist.

1,2 積層型高分子アクチュエータ
11 高分子(PEDOT/PSS)膜(フィルム)
12 基板
5 ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)
6 ポリ(4−スチレンスルホン酸)(PSS)
7 水分子
23 電極

1, 2 Laminated polymer actuator 11 Polymer (PEDOT / PSS) membrane (film)
12 Substrate 5 Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT)
6 Poly (4-styrenesulfonic acid) (PSS)
7 Water molecule 23 Electrode

Claims (5)

基板に導電性高分子溶液を塗布し導電性高分子膜を形成する積層型アクチュエータの製造方法であって、
前記基板の表面に親水化するためのプラズマイオン処理を行い、
前記導電性高分子溶液は、濃度1.5乃至3.5wt%のポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)の再溶解高分子溶液に、
エチレングリコールを加えて作製し、
前記塗布はバーコート法によって行うことを特徴とする積層型高分子アクチュエータの製造方法。
A method for manufacturing a laminated actuator, in which a conductive polymer solution is applied to a substrate to form a conductive polymer film,
Performing plasma ion treatment for hydrophilizing the surface of the substrate;
The conductive polymer solution is a poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) redissolved polymer solution having a concentration of 1.5 to 3.5 wt%.
Made by adding ethylene glycol,
The method of manufacturing a laminated polymer actuator, wherein the coating is performed by a bar coating method.
前記エチレングルコールの濃度が5乃至25wt%であることを特徴とする請求項の積層型高分子アクチュエータの製造方法。 The method for producing a laminated polymer actuator according to claim 1 , wherein the ethylene glycol concentration is 5 to 25 wt%. 前記再溶解高分子溶液を、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)/ポリ(4−スチレンスルホン酸)の1wt%溶液を凍結乾燥して得られた固体成分を水に再溶解して作製することを特徴とする請求項またはのいずれかに記載の積層型高分子アクチュエータの製造方法。 The re-dissolved polymer solution is prepared by re-dissolving a solid component obtained by freeze-drying a 1 wt% solution of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) / poly (4-styrenesulfonic acid) in water. method for producing a laminated polymer actuator according to claim 1 or 2, characterized in that. 前記導電性高分子膜の厚さが6μm以上で有ることを特徴とする請求項からのいずれかに記載の積層型高分子アクチュエータの製造方法。 The method for producing a laminated polymer actuator according to any one of claims 1 to 3 , wherein the conductive polymer film has a thickness of 6 µm or more. 前記再溶解性高分子溶液に0.01wt%以下のドデシルベンゼンスルホン酸界面活性剤を添加することを特徴とする請求項からのいずれかに記載の積層型高分子アクチュエータの製造方法。 Method for producing a laminated polymer actuator according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the addition of the re-dissolved polymer solution to 0.01 wt% or less of dodecylbenzenesulfonic acid surfactants.
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