繊維状の圧電材料

出典: BeansCM

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安心安全快適デバイス 安全安心センシング センシング対象 その他
安心安全快適デバイス 研究対象 デバイス
安心安全快適デバイス 研究対象 システム
プロセス・インテグレーション プロセス 付着・表面修飾 噴射・溶射
プロセス・インテグレーション 精度・形状+寸法 2次元(ライン状) 10μm〜100μm
プロセス・インテグレーション 材料 その他


目次

概要

ZnOは中心対称性がなく、応力印加時に分極が発生(open時)する。
外部負荷に接続すると電流が流れ、それを用いた発電、高出力化が報告された。

構造

★単一 ポリイミドフィルムにZnOナノワイヤーの両端を銀ペーストで固定している(図1)。
SWG(Single wire generator)では0.05-0.1%歪に対し、20-50mV(開回路)、400-750pA(閉回路)の発電が見られる。


図1:単一ワイヤ・ジェネレーターのデザインと出力

図1:単一ワイヤ・ジェネレーターのデザインと出力
(a)(b)歪の前後のダイアグラム (c)開回路の電圧 (d)閉回路の電流

★多段接続★ 図2にあるように、フレキシブル基板上に面内方向にナノワイヤーを形成し(a)、リフトオフプロセスにてAu電極を10μm間隔600列を形成(b)。
NW高密度多段接続構造を作成した(c)。
これにより、0.33Hz時に歪0.1%に対し、2V(開回路)、100nA(閉回路)、瞬間的なパワー密度0.22μW/cm2を実現している。
LEDを一瞬光らせることもでき、今後は多層集積化などにより瞬間的なパワー密度0.44μW/cm2を見込んでいる。

図2:多段接続による高出力なジェネレーター

図2:多段接続による高出力なジェネレーター (a)フレキシブル基板上に面内方向にナノワイヤーを形成したSEMイメージ 
(b)リフトオフプロセスにてAu電極を10μm間隔600列を形成する過程 (c)NW高密度多段接続構造のSEMイメージ 
(d)開回路の電圧測定 (e)閉回路の電流測定





















応用

通常の電界効果トランジスタ(FET)ではソース電極とドレイン電極間の電流をゲート電極の電圧で制御するが、
このゲート電極をZnOナノワイヤーに置き換えると、応力によってソースドレイン間電流を制御できる。
(ピエゾダイオード、ピエゾロジック回路などを試作 図3)
ピエゾダイオードやピエゾロジック回路などの試作例の紹介や、p-n接合の幅やショットキー障壁の高さを制御することで、
太陽電池や受光デバイス、LEDなどの光素子の性能を向上できる可能性もあるとの報告であった。

図3:ピエゾダイオード、ピエゾロジック回路などを試作
図4:ピエゾの圧力センサー/スイッチ

図4:ピエゾの圧力センサー/スイッチ
Ag/ZnO-nanowire/Ag device from symmetric I-V characteristicの変化特性(黒)と伸びに対する変化(赤)と圧縮に対する変化(緑)




































今後の展望

医療応用としてインプラントセンサー、患者の遠隔モニタリングなどの他、Internet of Thingsなど。
広い周波数レンジや非定常的な振動源に対応できるとのこと。

Reference

Zhong Lin Wang, “Nanogenerators for Self-Powering Nanosystems and PIEZOTRONICS for Smart MEMS/NEMS”, 24th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS2011)

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