【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.05.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23UT1118

利用課題名 / Title

ウエアラブルデバイスのためのエレクトレット発電機の開発

利用した実施機関 / Support Institute

東京大学 / Tokyo Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

発電関連材料/ Materials for power generation, 有機系機能性材料/ Organic functional materials, エラストマー/ Elastomer, 薄膜/ Thin films, 電子線描画（EB）/ Electron beam lithography, 光露光（マスクアライナ）/ Optical exposure (mask aligner) ,リソグラフィ/ Lithography,電子線リソグラフィ/ EB lithography,ダイシング/ Dicing,環境発電/ Energy Harvesting

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

鈴木 雄二

所属名 / Affiliation

東京大学大学院工学系研究科機械工学専攻

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Zehan Shi,Rui Wang,三好 智也

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-506：枚葉式ZEP520自動現像装置
UT-906：ブレードダイサー

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

　日常の健康管理、AR・VR、セキュリティやスポーツなどに用いられるウエアラブルデバイスへの関心が日々高まっており、それらを電池なし・メンテナンスなしで動作させる環境発電（Energy Harvesting）技術への期待もますます高まっている。本研究は超低周波数・6軸運動を特徴とする日常的な人体動作から高出力発電が可能なエレクトレット発電機の社会実装に向けて非線形電源管理回路、皮膚貼り付け型発電デバイスについて開発を行なった。 　非線形電力管理回路については、回転型エレクトレット発電機のためのコールドスタート機能を持つSECE回路を開発した。新規な2段構成の発電機設計を提案し,従来の2倍の発電出力を実現した。また、皮膚に直接貼り付けるウェアラブルセンサの自立電源としてアモルファスフッ素エラストマFFKMを用いた皮膚貼り付け型ストレッチャブル・エレクトレット発電デバイスを提案・開発した。

実験 / Experimental

 回転型エレクトレット発電デバイスと皮膚貼り付け型エレクトレット発電デバイスの両者の櫛歯電極のリソグラフィ工程は高速大面積電子線描画装置（F5112＋VD01, ADVANTEST）と枚葉式自動現像装置(ZEP520,アクテス京三)によって製作したフォトマスクを用いて行った。回転型エレクトレット発電デバイスはブレードダイサー（DAD3650, DISCO）を用いてダイシングした。

結果と考察 / Results and Discussion

  電極上にポリマーエレクトレット材料CYTOPを成膜した発電機回転子と、制御部と発電部で分割された電極を有する発電機固定子をFig. 1a,bにそれぞれ示す。Fig.1cは、回転子電極の拡大図である。提案するSECE回路の低い電力損失によって、従来の電力管理回路に比べて高出力な発電を得た。  Fig. 2に試作した皮膚貼り付け型ストレッチャブル・エレクトレット発電デバイスを示す。開発したソフトリソグラフィプロセスによって、高伸縮性エレクトレットであるアモルファスフッ素エラストマFFKM上への櫛歯電極パターニングを行い、ストレッチャブル発電デバイスの試作に成功した。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig. 1. Fabricated rotational electret EH. (a) Rotor, (b) stator with dual-stage design, and (c) magnified view of the stator.

Fig. 2 Photograph of stretchable electret energy harvester prototype. (a) Overall view, (b) Magnified view.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

共同研究者：Prof. Adrien Badel, SYMME Laboratory, Université Savoie Mont Blanc, France
本研究の一部はJSPS科研費 22KK0054、文部科学省マテリアル先端リサーチインフラJPMXP1222UT1051の助成を受けた。 Suzuki, Y., and Miyoshi, T., Plenary talk, “Wearable/skin-attached Energy Harvesters with High-performance Amorphous Polymer Electrets,” 1st Int. Conf. on Scientific Exhibition Living Materials Systems, Freiburg, (Mar 2023).

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Yiran Liu, Self-Powered Synchronous Electric Charge Extraction Rectifier for Rotational Electret Energy Harvester With Dual-Stage Electrodes, IEEE Transactions on Power Electronics, 38, 13166-13180(2023).
   DOI: doi:10.1109/TPEL.2023.3296709
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. Wang, R., Suzuki, K., Takebe, M., Zhang, Y., Miyoshi, T., and Suzuki, Y., “Stretchable Fluorinated Electret for Skin-attachable Energy Harvester,” 22nd Int. Conf. Solid-state Sensors, Actuators, and Microsystems (Transducers ’23), Kyoto, (June 2023),pp. 1284-1287.
2. Miyoshi, T., Wang, R., Suzuki, K., and Suzuki, Y., “Development of Skin-Attached Stretchable Energy Harvester with Perfluoroelastomer Electret,” IEEE 19th Int. Symp. Electrets (ISE19), Linz, (Sept 2023), p. 42.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件