総 括

- 90 - 本 研 究 の 成 果 は ， 以 下 通 り で あ る 。

① 伸 縮 性 を 有 す る 高 導 電 性 PEDOT/P SS の 作 製

伸 縮 性 を 有 す る 高 導 電 性 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 ）（PEDOT/P SS） は ， 糖 ア ル コ ー ル を 含 ん で い る PEDOT/PSS コ ロ イ ド 粒 子 水 分 散 液 の キ ャ ス ト に よ り 作 製 さ れ た 。 得 ら れ た 実 験 結 果 か ら ， 糖 ア ル コ ー ル は PEDOT/P SS の 電 気 伝 導 度 を 高 め る メ カ ニ ズ ム は （1）PEDOT 分 子 の 結 晶 化 の 促 進 及 び （2）PEDOT/PSS コ ロ イ ド 粒 子 表 面 に 過 剰 な 絶 縁 性 の PSS の 均 質 化 に よ る キ ャ リ ア 移 動 の 促 進 効 果 で あ る 。 ま た ，糖 ア ル コ ー ル は PSS 間 の 水 素 結 合 を 弱 め る 可 塑 効 果 を 有 し ，PEDOT/P SS フ ィ ル ム の 伸 縮 性 を 高 め た 。 こ の よ う な 伸 縮 性 を 有 す る 高 導 電 性 P EDOT/PSS フ ィ ル ム を 作 製 に は ， 使 用 す る 糖 ア ル コ ー ル の 融 点 が 低 く ， そ し て 脱 離 温 度 が 高 い こ と が 重 要 で あ る 。

② IL/P U ア ク チ ュ エ ー タ 用 電 極

IL/P U ア ク チ ュ エ ー タ の 電 極 と し て 使 用 す る に は ， 活 性 層 の 変 形 に 追 随 で き る 柔 軟 性 と 伸 縮 性 が 必 要 で あ り ， 高 い 電 子 伝 導 性 と 密 着 性 が 要 求 さ れ る 。 糖 ア ル コ ー ル を 添 加 す る こ と で ， 従 来 固 く て 脆 い P EDOT/PSS フ ィ ル ム の 伸 度 が 向 上 さ れ ， ア ク チ ュ エ ー タ の 電 極 へ の 応 用 が 実 現 し た 。IL/カ ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ コ ン ポ ジ ッ ト や 化 学 メ ッ キ し た 金 又 は 白 金 ， 低 温 で の 電 気 化 学 に よ っ て 合 成 さ れ た 導 電 性 ポ リ マ ー な ど に 比 べ ，x ylitolに 代 表 さ れ る 糖 ア ル コ ー ル を 添 加 し た P EDOT/PSS は 安 価 で ， ス ピ ン コ ー テ ィ ン グ ， バ ー コ ー テ ィ ン グ ， デ ィ ッ プ コ ー テ ィ ン グ ， 及 び ス プ レ ー コ ー テ ィ ン グ な ど ウ ェ ッ ト プ ロ セ ス で 容 易 に 製 膜 で き る 。

本 論 文 は 全 ６ 章 か ら な り ， 各 章 の 概 要 は 以 下 通 り で あ る 。

第 １ 章 で は ，本 研 究 の 目 的 を 述 べ る と と も に ，各 章 の 概 要 に つ い て 簡 潔 に ま と め て い る 。 第 ２ 章 で は ， 研 究 背 景 と し て 導 電 性 高 分 子 と ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ に つ い て 概 説 し 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 ）

（P EDOT/P SS） は 代 表 的 な 導 電 性 高 分 子 で あ り ， 高 い 導 電 性 と 透 明 性 ， 優 れ た 耐 熱 性 と 安 定 性 を 有 す る こ と か ら ， 帯 電 防 止 材 や 固 体 電 解 コ ン デ ン サ ， 有 機 EL の ホ ー ル 注 入 層 な ど に 幅 広 く 用 い ら れ て い る 。 さ ら に ， 電 子 ペ ー パ ー ， タ ッ チ パ ネ ル ， 有 機 ト ラ ン ジ ス タ ， フ レ キ シ ブ ル 太 陽 電 池 な ど 有 機 エ レ ク ト ロ ニ ク ス 素 子 の 作 製 に お い て ， 柔 軟 で 伸 縮 性 を 有 す る 配 線 や 電 極 材 料 の 開 発 が 急 務 で あ る 。 一 方 ， 小 型 ， 軽 量 ， 柔 軟 ， 動 作 音 が 無 い 高 分 子 ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ が 人 工 筋 肉 や 発 電 素 子 と し て 注 目 さ れ て い る 。 ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ

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材 料 は ， 高 分 子 ゲ ル ， 導 電 性 高 分 子 ， エ ラ ス ト マ ー ， カ ー ボ ン ナ ノ チ ュ ー ブ ， ナ ノ バ イ オ マ シ ン に 分 類 で き る が ， 電 場 駆 動 高 分 子 （electro-active polymer, EAP） ア ク チ ュ エ ー タ の 実 現 に は ， フ レ キ シ ブ ル な 動 き に 追 従 で き る 高 伸 縮 性 電 極 が 不 可 欠 で あ る 。 し か し ， PEDOT/P SSは コ ロ イ ド 粒 子 が 水 素 結 合 に よ り 凝 集 し て 固 体 を 形 成 し て い る こ と か ら ，伸 縮 性 に 乏 し く 脆 弱 で あ る と い う 問 題 が あ っ た 。 そ こ で 本 研 究 は ， ソ フ ト で フ レ キ シ ブ ル な 導 電 性 高 分 子 フ ィ ル ム の 開 発 と ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ へ の 応 用 を 目 的 と し た 。

第 ３ 章 で は ，PEDOT/PSS に ア ラ ビ ト ー ル（Ara）や キ シ リ ト ー ル（Xyl）の よ う な 糖 ア ル コ ー ル を 加 え る こ と で フ ィ ル ム が 伸 縮 性 を 示 す 現 象 を 見 出 し ， 電 気 力 学 特 性 お よ び メ カ ニ ズ ム に つ い て 詳 細 に 検 討 し て い る 。PEDOT/PSS/Ara フ ィ ル ム の 応 力 歪 曲 線 は ア ラ ビ ト ー ル の 添 加 ・ 熱 処 理 に よ り 大 き く 変 化 し ， ヤ ン グ 率 と 切 断 強 度 は 急 激 に 低 下 す る こ と が わ か っ た 。こ れ に 対 し ，切 断 伸 度 は 熱 処 理 に よ り 2 倍 以 上 の 25％ に 増 大 す る こ と か ら ，フ ィ ル ム が 軟 化 し 伸 縮 性 を 示 す こ と が 明 ら か に な っ た 。 興 味 深 い こ と に ， ア ラ ビ ト ー ル の 添 加 ・ 熱 処 理 に よ っ て 電 導 度 も 大 き く 変 化 す る こ と が わ か っ た 。 ア ラ ビ ト ー ル 添 加 量 の 増 加 と と も に 電 導 度 は 上 昇 し 60%で 最 大 と な っ た が ， そ れ 以 上 で は 逆 に 低 下 し た 。 こ れ は ， ア ラ ビ ト ー ル に よ る 電 導 度 向 上 の 効 果 と ，PEDOT の 密 度 低 下 に 伴 う 抵 抗 増 加 の 効 果 が 拮 抗 し て い る た め と 考 え ら れ る 。 電 導 度 向 上 の メ カ ニ ズ ム を よ り 詳 細 に 検 討 す る た め ， 広 角 Ｘ 線 回 折

（XRD）と 原 子 間 力 顕 微 鏡（AFM）に よ る 高 次 構 造 お よ び モ ル フ ォ ロ ジ ー 変 化 を 測 定 し た 。 ま ず 始 め に ，PEDOT/PSS フ ィ ル ム は XRD 写 真 に ハ ロ ー が 見 ら れ る こ と か ら 非 晶 質 ・ 無 配 向 で あ り ，AFM 像 か ら は 直 径 数 十 nmの 粒 子 が 密 に パ ッ キ ン グ し た 四 次 構 造 を 形 成 し て い る こ と が わ か っ た 。 ま た ， 基 板 と プ ロ ー ブ 間 に 直 流 バ イ ア ス 電 圧 を 印 加 し た と き に 流 れ る 電 流 像 か ら は ，PEDOT/P SSフ ィ ル ム 全 体 が 電 気 の 流 れ に く い 暗 い 領 域 に 覆 わ れ て お り ，四 探 針 法 に よ り 測 定 し た 電 導 度 （1.2 S/cm） が 低 い 結 果 と 一 致 し た 。 一 方 ，PEDOT/P SS/Ara フ ィ ル ム の XRD 写 真 に は ア ラ ビ ト ー ル に 由 来 す る デ バ イ ・ シ ェ ラ ー 環 が 現 れ ， 表 面 粗 さ が 1.0 nmか ら 2.8 n m に 増 大 す る と と も に 電 流 は さ ら に 流 れ に く く な っ た 。 こ れ は ， ア ラ ビ ト ー ル が フ ィ ル ム 内 で 結 晶 化 し ，PEDOT/PSS と 相 分 離 し て い る た め と 考 え ら れ る 。興 味 深 い こ と に ， こ の フ ィ ル ム を 120℃ で 2 時 間 熱 処 理 す る と ， ア ラ ビ ト ー ル 結 晶 の 融 解 に 伴 い デ バ イ ・ シ ェ ラ ー 環 が 消 失 し ， 電 流 が 流 れ や す い 明 る い 領 域 が 急 激 に 増 加 す る こ と が わ か っ た 。こ れ は ，エ チ レ ン グ リ コ ー ル 等 の 2 次 ド ー パ ン ト と 同 様 に ，P EDOT/P SSの コ ロ イ ド 粒 子 表 面 に 偏 在 す る 絶 縁 体 の PSSが 均 質 化 に よ り 除 去 さ れ る こ と で ，粒 子 間 の キ ャ リ ア 移 動 が 促 進 さ れ た た め と 考 え ら れ る 。熱 処 理 後 の 電 導 度 は 約 300 S/cmに 達 し ，室 温 で フ ィ

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ル ム を 長 時 間 放 置 し て も ア ラ ビ ト ー ル は 結 晶 化 せ ず ， 高 い 電 導 度 も 保 持 さ れ る こ と が わ か っ た 。 得 ら れ た 実 験 結 果 か ら ， ア ラ ビ ト ー ル に は ① コ ロ イ ド 粒 子 間 の 水 素 結 合 を 弱 め る 可 塑 効 果 と ，② コ ロ イ ド 粒 子 間 の キ ャ リ ア 移 動 の 促 進 効 果 が あ る こ と が わ か っ た 。す な わ ち ， ア ラ ビ ト ー ル の 添 加 と 熱 処 理 に よ り ，P SS 間 の 水 素 結 合 が 弱 め ら れ る と と も に 均 質 化 し ， 可 塑 効 果 と キ ャ リ ア 移 動 の 促 進 効 果 の 相 乗 効 果 が 発 現 し た と 考 え ら れ る 。

第 ４ 章 で は ， ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ 材 料 に つ い て 検 討 し た 。 具 体 的 に は ， 様 々 な イ オ ン 液 体 と ポ リ ウ レ タ ン を 組 み 合 わ せ る こ と で イ オ ン 液 体 ／ ポ リ ウ レ タ ン（IL/P U）ゲ ル を 作 製 し た 。中 で も 1-エ チ ル-3 -メ チ ル イ ミ ダ ゾ リ ウ ム ビ ス（ ト リ フ ル オ ロ メ タ ン ス ル ホ ニ ル ）イ ミ ド （[EMI][T FS I]） を 用 い た と こ ろ ， 透 明 で 均 一 な ゲ ル が 得 ら れ た 。[EMI][T FS I]を 用 い て 作 製 し た IL/TPU ゲ ル の 応 力 歪 曲 線 を 測 定 し た と こ ろ ， ヤ ン グ 率 と 切 断 強 度 は イ オ ン 液 体 量 の 増 加 と と も に 減 少 し ， イ オ ン 液 体 濃 度 70 wt%で そ れ ぞ れ 0.54 MP a，1.6 MP a に 低 下 し た 。興 味 深 い こ と に ，イ オ ン 液 体 を 50 wt%含 む に も か か わ ら ず ，ゲ ル は 約 1010%も 伸 び る こ と が わ か っ た 。 ま た ，IL/P U ゲ ル の 電 気 特 性 を 交 流 イ ン ピ ー ダ ン ス 測 定 し た と こ ろ ， ゲ ル の 抵 抗 は イ オ ン 液 体 の 添 加 に よ り 減 少 し ，IL 70 wt%で イ オ ン 伝 導 度 は 最 高 1.3×10-3 S/cm に 達 し た 。

第 ５ 章 で は ，フ レ キ シ ブ ル P EDOT/P SS/Xyl フ ィ ル ム を 電 極 と し て 用 い ，IL/P U ゲ ル の 両 面 に 貼 り 合 わ せ る こ と で ， ソ フ ト ア ク チ ュ エ ー タ を 作 製 し た 。 ポ テ ン シ ョ ス タ ッ ト と フ ァ ン ク シ ョ ン ジ ェ ネ レ ー タ か ら 電 圧 印 加 し た 時 の ゲ ル 末 端 の 変 位 を ， レ ー ザ ー 変 位 計 で 測 定 し た と こ ろ ，2V 印 加 に よ り ゲ ル は 素 早 く ア ノ ー ド 側 に 屈 曲 し ，3.6 mm の 変 位 を 示 し た 。 10 Hzで も 0.7 mm の 変 位 を 示 し ，屈 曲 速 度 は 29 mm/sに 達 す る こ と が わ か っ た 。 比 較 と し て キ シ リ ト ー ル を 添 加 し な い PEDOT/P SS 電 極 を 用 い た 素 子 を 作 製 し た と こ ろ ， 屈 曲 変 位 が 小 さ く 屈 曲 速 度 も 遅 い こ と が わ か っ た 。 す な わ ち ， ア ク チ ュ エ ー タ 素 子 の 優 れ た 周 波 数 応 答 特 性 は ，ソ フ ト で フ レ キ シ ブ ル な PU/IL ゲ ル と PEDOT/P SS/Xyl 電 極 が そ れ ぞ れ 高 い イ オ ン 伝 導 度 と 電 子 伝 導 度 を 有 す る た め と 考 え ら れ る 。

第 ６ 章 で は ， 総 括 と し て 第 ３ 章 か ら 第 ５ 章 で 得 ら れ た 結 果 に つ い て ま と め て い る 。

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謝 辞

本 論 文 は ， 私 が 山 梨 大 学 大 学 院 医 学 工 学 総 合 教 育 部 工 学 領 域 （3 年 博 士 課 程 ） 機 能 材 料 シ ス テ ム 工 学 専 攻 に 在 籍 し て 研 究 成 果 と し て ま と め た も の で す 。本 研 究 を 進 め る に あ た り ， 多 く の に お 世 話 に な り ま し た 。 こ こ に 深 く 感 謝 を 申 し 上 げ ま す 。

本 研 究 は も ち ろ ん ， 生 活 面 に 至 り ま し て も 多 大 な る ご 配 慮 と 親 身 か つ 適 切 な 御 指 導 と 御 助 言 を い た だ い た だ け で な く ， 研 究 者 と し て ， 人 と し て 成 長 す る こ と の で き る 貴 重 な 場 を 与 え て い た だ い た 奥 崎 秀 典 教 授 に は 御 礼 と 共 に 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

ま た ， 本 論 文 の 作 製 に あ た り ， 適 切 な る 御 指 導 と 御 助 言 を い た だ い た 同 専 攻 鈴 木 章 泰 教 授 ， 川 久 保 進 教 授 ， 柴 田 正 実 教 授 ， 柳 博 准 教 授 ， 小 幡 誠 准 教 授 に は 御 礼 と 共 に 厚 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

本 研 究 の 遂 行 に あ た り ， 実 験 や 解 析 な ど 協 力 い た だ い た 山 梨 大 学 工 学 部 附 属 も の づ く り 教 育 実 践 セ ン タ ー ・ 機 器 分 析 セ ン タ ー の 篠 塚 郷 貴 先 生 ， 東 京 エ レ ク ト ロ ン 株 式 会 社 山 梨 事 業 所 （ 穂 坂 地 区 ） 技 術 開 発 セ ン タ ー 次 世 代 技 術 開 発 第 4グ ル ー プ の 高 倉 亮 様 に は お 礼 と 共 に 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

さ ら に ， 奥 崎 先 生 の 下 で 研 究 を と も に 頑 張 っ て き た 後 輩 の 堀 井 辰 衛 君 ， 岩 下 加 奈 さ ん ， 尾 身 拓 哉 君 ， 勝 沼 将 人 君 ， 谷 川 諒 君 ， 鶴 田 高 広 君 ， 久 保 田 智 章 君 ， 竹 澤 裕 美 さ ん ， 雨 宮 裕 希 君 ， 佐 藤 正 樹 君 ， 穂 坂圭紀 君 に は 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

そ し て ， 論 文 作 成 に あ た り ， 協 力 い た だ い た 卒 業 生 の 増 田 友 香 さ ん に は お 礼 と 共 に 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。

私 は こ の 三 年 間 ， 研 究 に お け る 取 り 組 み や 思 考 ， 学 会 で の 発 表 な ど 研 究 室 で 学 ん だ こ と は 数 多 く ， 貴 重 な 体 験 を す る 事 が で き ま し た 。 ま た ， 留 学 生 と し て 海 外 生 活 を 体 験 し ， 新 た な 人 生 の 道 を 開 く こ と も で き ま し た 。 こ れ ま で の 研 究 活 動 な ど を 通 じ て 学 ん だ こ と は 今 後 の 仕 事 の な か で 活 か し て い き た い と 思 い ま す 。