振動発電素子の微視的な仕組みを解明　～自ら発電するデバイスが身近に～

　ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業において、静岡大学 工学部の橋口 原 教授と東京大学 生産技術研究所の年吉 洋 教授らの研究グループは名古屋大学 未来材料・システム研究所の白石 賢二 教授、中西 徹 大学院生、長川 健太 研究員、洗平 昌晃 助教らと共同で、振動発電素子 注１）において非晶質シリカが負に帯電する微視的な仕組みを世界で初めて解明しました。
　充電不要の自立電源を実現する技術として、外界の振動だけで動作する振動発電素子が期待されています。研究グループが以前開発した、非晶質シリカ 注２）を負に帯電させることで動作するカリウムイオンエレクトレット 注３）が振動発電素子として期待されていますが、負に帯電する微視的な仕組みは未解明でした。
　研究グループは、非晶質シリカ内にカリウム原子を挿入するとカリウム原子からケイ素原子に電子が供給され、ケイ素原子があたかもリン原子のように振る舞うことを量子力学に基づく計算から発見しました。そして、ケイ素原子は通常の４本ではなく５本の共有結合を酸素原子と形成してSiO５構造となり、この構造が負電荷を蓄積することを明らかにしました。
　本成果により、振動発電素子の信頼性向上や長寿命化への設計指針が得られます。充電なしで動作するセンサーなどが身近になる他、モノのインターネット（IoT）注４）の実現にも貢献が期待されます。
　本成果は、2020年10月19日（日本時間）に第37回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム（オンライン開催）で発表されます。

【研究の背景と経緯】
　身の回りに存在するわずかなエネルギーを電力へ変換する「エネルギーハーベスティング」の技術が注目されています。特に、近年関心の高まっているIoTや、センサーを大規模にネットワーク化する「トリリオン（１兆個の）センサー」に必要となる、充電不要の自立電源を実現する技術として期待されています。中でも外界の振動を発電に利用する振動発電は、風力発電や太陽光発電のように天候に影響されることがありません。
　研究グループが以前開発した、カリウムイオンエレクトレットを用いた振動発電素子は、半永久的に動作可能であることから注目されていました。カリウムイオンエレクトレットは、非晶質（アモルファス）シリカの中にカリウム原子を導入することで非晶質シリカが負に帯電するようになる現象を利用した振動発電素子ですが、そのミクロスコピック（微視的）な仕組みは未解明で、性能向上の指針を得るのは困難でした。

【研究の内容】
　非晶質シリカ中では通常、ケイ素原子が４本の共有結合を酸素原子と形成し、正四面体のSiO４構造を取っています。そこへカリウム原子を導入するとカリウム原子からケイ素原子へ電子が渡され、ケイ素原子は持っている電子数が１個増えて原子番号の１つ大きいリン原子のように振る舞います。すると５本の共有結合を酸素原子と形成し、SiO５構造となります（図）。この構造はリン系の分子として代表的な五塩化リン（PCI５）と非常に似ています。研究グループは量子力学に基づく計算から、このSiO５構造が負電荷を蓄積する機能を持つことを発見しました。
　カリウムイオンエレクトレットの負電荷蓄積の起源であるSiO５構造は、結合の非常に強いことで知られるSi-Oの共有結合５本で構成されているため、電圧などを加えても崩れることはありません。そのため、カリウムイオンエレクトレットは半永久的に負電荷を蓄積でき、これを用いた振動発電素子は極めて長寿命になります。
　計算機上では、5000ケルビンという高温でケイ素と酸素から構成される液体を仮想的に作った後、これを室温まで冷却することによって仮想の非晶質シリカを作製します。本研究ではこれまで行われてきた研究よりも冷却速度を数倍遅くし、実際の実験により近い条件でシミュレーションしました。この大規模計算は、文部科学省「富岳」成果創出加速プログラムによって豊富なスーパーコンピューターの資源が得られたことで実現しました。

【今後の展開】
本研究ではカリウムイオンエレクトレットを用いた振動発電素子の微視的な仕組みを明らかにしました。これにより、性能向上への設計指針が明確になり、振動発電素子の実用化、量産化への道が開けます。自立発電するデバイスが身近になり、近年関心の高まっているIoTやトリリオンセンサーの実現にも大きく寄与すると期待されます。

【参考図】

図　非晶質シリカ中の５配位のケイ素原子が作るSiO５構造


【用語解説】
注１）振動発電素子
外界から来る振動（自動車の走行や人が歩くことなどで生じる振動）を電気エネルギーに変える素子。電力を自給自足でき、充電不要でさまざまな用途に使用することができる。

注２）非晶質シリカ
シリカはシリコン（Si）と酸素（O）から成る物質、二酸化ケイ素（SiO２）の総称。石英や水晶もシリカの仲間といえる。シリカの原子配列がランダムに近い非晶質（アモルファス）の構造になったものが非晶質シリカで、a-SiO２と記述されることが多い。

注３）カリウムイオンエレクトレット
エレクトレット（電石）とは、永久磁石の磁気分極のように、ある種の誘電体において電界をなくしても誘電分極が残留する物質で作られた荷電体である。磁石（マグネット）に倣ってエレクトレットと名付けられた。カリウムイオンエレクトレットは、非晶質シリカにカリウム原子を挿入した後にこれを除去すると非晶質シリカに負の電荷が半永久的に残留する現象を用いたエレクトレットである。

注４）モノのインターネット（ＩｏＴ：Internet of Things）
さまざまな物がインターネットに接続され、情報交換することにより相互に制御する仕組みのこと。これによってデジタル社会が進展すると期待されている。

【論文タイトル】
“Investigation of negative charge storage mechanism in the potassium ion electret by first-principle calculation”
（カリウムイオンエレクトレットにおける負電荷蓄積機構の第一原理計算による検討）

【お問い合わせ先】
＜研究に関すること＞
橋口 原（ハシグチ ゲン）
静岡大学 工学部　教授
〒432-8561 静岡県浜松市中区城北５－３－１
Tel：053-478-1004　Fax：053-478-1005
E-mail：hashiguchi.gen[at]shizuoka.ac.jp

年吉 洋（トシヨシ ヒロシ）
東京大学 生産技術研究所　教授
〒153-8505 東京都目黒区駒場４−６−１
Tel：03-5452-6276　Fax：03-5452-5136
E-mail：hiro[at]iis.u-tokyo.ac.jp

白石 賢二（シライシ ケンジ）
名古屋大学 未来材料・システム研究所　教授
〒464-8601 愛知県名古屋市千種区不老町
Tel：052-789-3715　Fax：052-789-3715
E-mail：shiraishi[at]cse.nagoya-u.ac.jp

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嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
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