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公開番号2025170206
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-18
出願番号2024075027
出願日2024-05-06
発明の名称複合ナノファイバー圧電材料、複合ナノファイバー圧電材料の製造方法、圧力センサー、発電装置及びフィルター
出願人国立大学法人信州大学
代理人めぶき弁理士法人
主分類H10N 30/098 20230101AFI20251111BHJP()
要約【課題】高い圧電性能を広い圧力範囲で得ることが可能なファイバー圧電材料である複合ナノファイバー圧電材料を提供する。
【解決手段】第1ナノファイバーを有し、不織布構造からなるナノファイバー膜と、第2ナノファイバーを有し、ナノファイバー膜の細孔内に形成された微細構造体とを備える複合ナノファイバー圧電材料。第1ナノファイバーは、第1圧電性ポリマーと、第1圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第1添加剤とを含有し、第2ナノファイバーは、第2圧電性ポリマーと、第2圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第2添加剤とを含有し、かつ、第1ナノファイバーよりも平均繊維径が小さい。
【選択図】図18
特許請求の範囲【請求項１】
第１ナノファイバーを有し、不織布構造からなるナノファイバー膜と、
第２ナノファイバーを有し、前記ナノファイバー膜の細孔内に形成された微細構造体とを備え、
前記第１ナノファイバーは、第１圧電性ポリマーと、前記第１圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第１添加剤とを含有し、
前記第２ナノファイバーは、第２圧電性ポリマーと、前記第２圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第２添加剤とを含有し、かつ、前記第１ナノファイバーよりも平均繊維径が小さいことを特徴とする複合ナノファイバー圧電材料。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記第１圧電性ポリマー及び前記第２圧電性ポリマーは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）系ポリマーを含有することを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項３】
前記第１添加剤及び前記第２添加剤は、カテコールアミンを含有することを特徴とする請求項２に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項４】
前記第１添加剤及び前記第２添加剤は、ドーパミン（ＤＡ）を含有することを特徴とする請求項３に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項５】
前記第１ナノファイバーの平均繊維径は、前記第２ナノファイバーの平均繊維径の５倍～３０倍の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項６】
前記第１ナノファイバーの平均繊維径は、１００ｎｍ～１，０００ｎｍの範囲内にあり、
前記第２ナノファイバーの平均繊維径は、１０ｎｍ～１００ｎｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項７】
前記第１圧電性ポリマーの重量平均分子量（Ｍｗ）は、前記第２圧電性ポリマーの重量平均分子量（Ｍｗ）よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項８】
前記第１圧電性ポリマーの重量平均分子量（Ｍｗ）は、５０，０００～３００，０００の範囲内にあり、
前記第２圧電性ポリマーの重量平均分子量（Ｍｗ）は、５００，０００～１，０００，０００の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項９】
前記第１ナノファイバーにおける前記第１添加剤の添加量は、前記第１圧電性ポリマーの重量に対して０．５ｗｔ％～５ｗｔ％の範囲内にあり、
前記第２ナノファイバーにおける前記第２添加剤の添加量は、前記第２圧電性ポリマーの重量に対して０．５ｗｔ％～５ｗｔ％の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の複合ナノファイバー圧電材料。
【請求項１０】
第１圧電性ポリマーと前記第１圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第１添加剤とを含有する第１電界紡糸溶液を用い、電界紡糸により第１ナノファイバーを形成することで、不織布構造からなるナノファイバー膜を形成するナノファイバー膜形成工程と、
第２圧電性ポリマーと前記第２圧電性ポリマーの圧電性結晶構造を安定化する第２添加剤とを含有する第２電界紡糸溶液を用い、電界紡糸により前記第１ナノファイバーよりも平均繊維径が小さい第２ナノファイバーを形成することで、前記ナノファイバー膜の細孔内に微細構造体を形成する微細構造体形成工程とを含むことを特徴とする複合ナノファイバー圧電材料の製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合ナノファイバー圧電材料、複合ナノファイバー圧電材料の製造方法、圧力センサー、発電装置及びフィルターに関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、圧電効果を示す材料（圧電材料）として、石英やセラミックスを用いたものが広く知られている。また、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のように、ポリマー（高分子材料）であって圧電材料として使用可能なもの（圧電性ポリマー）も知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。
【０００３】
圧電性ポリマーをファイバー化することにより、高い柔軟性を有するファイバー圧電材料を製造することができる。このようなファイバー圧電材料は、いわゆるフレキシブル・エレクトロニクスの分野に用いることができる。つまり、ファイバー圧電材料は、宇宙探査、機械を操作するためのインターフェース、ウェアラブル・エレクトロニクス等、さまざまな用途に適用可能であると考えられる。
【０００４】
ファイバー圧電材料の具体例は、以下のとおりである。すなわち、特許文献１においては、圧電性ポリマーからなるナノファイバーを、その繊維軸方向を揃えて膜とした圧電材料が記載されている。なお、特許文献１においては、圧電性ポリマーとして、ポリフッ化ビニリデン、ポリ（ビニリデン－トリフルオロエチレン）共重合体又はポリ－Ｌ－乳酸が記載されている。
【０００５】
また、非特許文献１においては、圧電性ポリマーを用いたナノファイバーを膜状にした圧電材料が記載されている。なお、非特許文献１に記載されている圧電性ポリマーは、ポリフッ化ビニリデンである。また、非特許文献１においては、添加剤としてドーパミン（ＤＡ）を使用することも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１５－１０９４３１号公報
【非特許文献】
【０００７】
“High-Performance Poly(vinylidene difluoride)/Dopamine Core/Shell Piezoelectric Nanofiber and Its Application for Biomedical Sensors”，Advanced Materials，（独），Wiley-VCH，04 December 2020，Volume 33，Issue 3，2006093
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来知られているファイバー圧電材料においては、高い圧電性能を広い圧力範囲で得ることができないという問題がある。例えば、特許文献１に記載の圧電材料においては、軸方向に８ｍｍ、幅５０ｍｍ程度（約４００ｍｍ
２
）のサンプルにおける最大出力電圧が３７ｍＶであったとされており、出力電圧の値が小さい。
【０００９】
また、非特許文献１に記載の圧電材料は、１０ｍｍ×２０ｍｍ（２００ｍｍ
２
）のサンプルについて、１ｋＰａの力を加えたときの出力電圧が約１６Ｖであり、６ｋＰａの力を加えたときの出力電圧が約３３Ｖであったとされている。これは、感度が８０ＶＮ
－１
～２７．５ＶＮ
－１
、圧力範囲が０．２Ｎ～１．２Ｎということになる。つまり、非特許文献１に記載の圧電材料は、感度は高いものの圧力範囲が狭い（ごく低圧条件でしか性能を発揮できない）ということができる。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高い圧電性能を広い圧力範囲で得ることが可能なファイバー圧電材料である複合ナノファイバー圧電材料を提供することを目的とする。また、本発明は、本発明の複合ナノファイバー圧電材料を製造するための複合ナノファイバー圧電材料の製造方法を提供することも目的とする。さらに、本発明は、本発明の複合ナノファイバー圧電材料を用いた圧力センサー、発電装置及びフィルターを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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