高分子学会誌

COVER STORY: Highlight Reviews
展望
特集高分子マシンとその応用
導電性高分子を用いたエネルギー変換マシン
奥崎秀典
山梨大学大学院医学工学総合研究部
［400-8511］甲府市武田 4-4-37
准教授，博士（理学）．
専門はソフトアクチュエータ，導電性高分子，
有機エレクトロニクス．
[email protected]
www.ccn.yamanashi.ac.jp/~okuzaki/okuzaki.html
高分子材料の体積変化を外部刺激でコントロールできれば、（DE ： dielectric elastomer）アクチュエータを開発し
しなやかに動くロボットやソフトアクチュエータ、人工筋肉
ている 8）。電圧印加により電極間に静電引力がはたら
などへの応用が期待できる。中でも電気刺激は制御性に優れる
き、エラストマーが圧縮変形することで、垂直方向に
ことから、さまざまな EAP（electro-active polymer）アクチ
大きく伸長する。構造が単純でエラストマー材料の汎
ュエータが検討されている。本稿では、エネルギー変換マシ
用性も高いが、①駆動電圧が数 kV と高い、②伸縮性電
ンとしての導電性高分子アクチュエータについて解説する。
1．はじめに
制御性に優れた電気刺激を用いて高分子材料の形状
や大きさを変化させることができれば、軽量でフレキ
シブルなソフトアクチュエータや人工筋肉への応用が
可能である 1）∼ 3）。EAP（electro-active polymer）アク
チュエータは、電流駆動型（イオン伝導性高分子、導
電性高分子）と電圧駆動型（誘電性高分子）に大別さ
れる。代表的なイオン伝導性高分子であるフッ素系高
分子電解質膜（Nafion や Flemion 等）の表面に金また
は白金を化学めっきした IPMC（ionic polymer metal
composite）に、含水状態で 0.5 ∼ 3 V 印加すると、膜
中の対イオンが水をともなってカソード側に移動する
ことによりアノード側に屈曲する 4）。一方、不揮発性
のイオン液体を溶媒に用いることで、空気中で長時間
安定にアクチュエータを駆動させることができる。安
積らは、イオン液体を含んだフッ素系高分子ゲルを、
イオン液体とカーボンナノチューブからなる「バッキ
ーゲル」電極で挟むことにより三層アクチュエータを
作製している 5）。電圧印加によりアノード側に屈曲し、
空気中 30 Hz で 8,000 回以上動作する。
これに対し、電圧駆動型アクチュエータは電流がほ
とんど流れないため、電気化学的な消耗や熱による劣
化が少なく、優れた耐久性が期待できる。平井らは、
ジメチルスルホキシドに膨潤したポリビニルアルコー
ルゲルに 250 V/mm の電圧を印加すると 0.1 s で 8 ％収
縮することを報告している 6）。さらに、可塑化したポ
リ塩化ビニルゲルが、高電圧印加によりアメーバ様の
クリープ変形することを見いだし、オートフォーカス
機構への応用について検討している 7）。一方、Pelrine
らはシリコーンやアクリルエラストマーシートの両面
にカーボンや銀グリースを塗布した誘電エラストマー
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極が限られる、③予ひずみ（プレストレイン）が必要
等の課題がある。
本稿では、エネルギー変換マシンとしての導電性高
分子に焦点を当て、最近の研究動向を紹介するととも
に、筆者らの研究も交えながら導電性高分子アクチュ
エータの今後を展望したい。
2．導電性高分子アクチュエータ
ポリピロール（PPy）
、ポリチオフェン、ポリアニリン
に代表される導電性高分子は主鎖に π 共役系をもち、酸
化還元による電解ともない可逆的な体積変化を示すこと
から、EAP アクチュエータとして注目されている 9）,10）。
導電性高分子の電解伸縮は、①溶媒和したドーパント
イオンの高分子マトリクスへの挿入、②電子状態の変化
による高分子鎖の構造変化、③高分子鎖内の静電反発、
および④高分子鎖間の静電反発により起こる（図 1）。
これに対し、ドデシルベンゼンスルホン酸のような大
きなドーパントイオンの場合、還元時に脱ドーピング
は起こらず、代わりに電解液からカチオンを取り込む
図 1 ポリピロール（PPy）フィルムの電解伸縮機構
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ため体積は逆に膨張する。Kaneto らは電解重合により
作製した PPy フィルムが 12.4 ％の伸縮率と 22 MPa の発
生応力を示すことを明らかにし 11）、ダイアフラムポン
プや触覚ディスプレイへの応用について検討している。
エネルギー変換効率は 0.3 ％以下 12）と低いが、電気化
学的酸化還元が二次電池の充放電に相当することから、
入力エネルギーのほとんどは回収可能である。伸縮速
度（13.8 ％/s）13）は筋肉（300 ％/s）に比べ遅いが、こ
れはフィルムの伸縮がイオンの拡散律速であることに
起因する。
一方、Smela らは MEMS（micro-electro-mechanical
system）技術を用いて PPy マイクロアクチュエータを
作製している。一辺 300 µm の立方体のヒンジ部分に
PPy を電解重合することで、立方体の開閉が 1 s 以下で
起こる 14）。また、マイクロロボットアームを作製し、
直径 100 µm のガラスビーズをマニュピュレートするこ
とに成功している 15）,16）。さらに、Otero らは二枚の PPy
フィルムをテープで接着した三層アクチュエータを作
製し、電気化学−力学（electrochemo-mechanical）挙
動を詳細に検討している。興味深いことに、素子はア
クチュエータ機能と触覚センサ機能を同時に発現する
ことがわかった 17）。2 本の配線だけで制御可能なこと
から、積層化によるインテリジェントシステムへの応
用が期待できる。
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図 2 PEDOT/PSS フィルムの電気伸縮機構
逆的に伸縮することがわかった 25）。10 V 印加によりフ
ィルムは 2.4 ％収縮し、ポリピロールフィルムに比べ
2 倍以上大きい。電解液やレドックスガスを用いていな
いことから、PEDOT/PSS フィルムの電気収縮メカニ
ズムは従来の電気化学的ドーピングと明らかに異なる。
電流値は 95 mA であり、ジュール熱の発生によりフィ
ルムの表面温度は 25 ℃から 64 ℃に上昇した。電圧印加
によりフィルム近傍の相対湿度が急激に上昇すること
3．ポリマッスル
から、フィルムの伸縮は水蒸気の吸脱着に基づくこと
導電性高分子アクチュエータのほとんどは、電解液
がわかった（図 2）。ここで、電気刺激は水蒸気の吸着
中か膨潤状態で動作する「湿式システム」であり、空
平衡をコントロールしており、PEDOT/PSS フィルム
気中で駆動させるにはレドックスガスや固体電解質、は電圧のオン・オフに応答して、あたかも呼吸をする
イオン液体などが必要であった 18）,19）。筆者らは以前、かのように水分子を吸ったり吐いたりして伸縮すると
電解重合により合成した PPy フィルムが空気中で高速
いうユニークな性質をもつことが明らかになった 26）。
変形する現象を見いだし 20）、直接回転運動を取り出す
さらに、PEDOT/PSS フィルムの伸縮をテコの原理で
「高分子モーター」を試作している 21）,22）。さらに、PPy
拡大し、実際の筋肉のように動作するアクチュエータ
フィルムに数 V 印加することにより空気中で収縮する「ポリマッスル」を開発した（図 3）27）。電圧のオン・
ことを明らかにし、EAP アクチュエータ特性について
オフに応答し、8 万回以上安定に動作することがわかっ
23）
詳細に検討してきた。しかし、PPy フィルムの電気
ている。
収縮率は約 1 ％と小さく、キャスト法や印刷法に比べ
PEDOT/PSS アクチュエータは形状記憶合金と同様
電解重合法によるフィルム作製は効率が低く時間がか
に電圧印加によるジュール加熱で駆動するが、マルテ
かる等の問題があった。
ンサイト／オーステナイト相間の熱相転移により変形
そこで、ウェットプロセスにより製膜可能な導電性
するため、合金組成で決まる相転移温度や二相間の中
高分子である poly（3,4-ethylenedioxythiophene）/poly（4間状態を制御することは困難である。これに対し、
styrenesulfonate）
（PEDOT/PSS）水分散液に着目した。 PEDOT/PSS アクチュエータは印加電圧により任意の
PEDOT/PSS は高い導電性や耐熱性、優れた熱安定性
収縮状態をとることができる。さらに、水蒸気吸着量
や力学特性を有することから、帯電防止剤や固体電解コ
の増加により収縮率を向上させることも可能である。
ンデンサ、有機エレクトロルミネッセンスのホール輸送
また、収縮応力は自重（2.5 mg）の 1 万倍以上の応力
に相当する 17 MPa（59 gf）に達することがわかった。
層としてすでに用いられており、タッチパネルや有機
これは筋肉（0.35 MPa）や IPMC アクチュエータ（0.23 ∼
太陽電池のフレキシブル透明電極等への応用も期待さ
れている 24）。キャスト法により作製した PEDOT/PSS
15 MPa）、DE アクチュエータ（0.3 ∼ 7.7 MPa）よりも
フィルムの両端に直流電流を印加すると、空気中で可
大きく 28）、PEDOT/PSS フィルムの弾性率（1.8 GPa）が
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イドワイヤー（医療）、点字ディスプレイ（福祉）、パ
ワーアシストスーツ（介護）等への応用が期待できる。
さらに、触覚機能をもつアクチュエータや自立分散型
ロボットなどへの応用も可能であり、今後の展開が期
待される。
文献
図3
PEDOT/PSS フィルムを用いたアクチュエータ「ポリ
マッスル」
筋肉（10 ∼ 60 MPa）や IPMC アクチュエータ（0.1 MPa）
、
DE アクチュエータ（0.1 ∼ 3.0 MPa）よりも高いことに
起因する。また、最大出力エネルギー密度（174 kJ/m3）
についても、筋肉（8 ∼ 40 kJ/m3）や IPMC アクチュエー
タ（5.5 kJ/m3）、DE アクチュエータ（10 ∼ 150 kJ/m3）、
導電性高分子電解アクチュエータ（100 kJ/m3）に比べ
大きいことから、PEDOT/PSS フィルムは優れた EAP
アクチュエータ材料として期待できる 25）。
4．おわりに
エネルギー変換マシンとしての導電性高分子アクチ
ュエータについて、筆者らの研究を交えながら解説し
た。しかし、実用化には応答速度やエネルギー変換効
率など克服すべき問題が残されている。一方、導電性
高分子アクチュエータは、①高い電子伝導度、②高い
弾性率と収縮応力、③優れた成形加工性、④センサと
アクチュエータ機能を合わせもつインテリジェント性
等の優れた特徴を有する。高性能なエネルギー変換マ
シンを構築するには、導電性高分子の電気化学−力学
または電気−力学結合性を高めるような材料設計と高
次構造・階層構造制御が不可欠である。DE アクチュエ
ータ 7）や圧電アクチュエータ 29）が数 kV の高電圧で駆
動するのに対し、導電性高分子アクチュエータは 100
∼ 1000 分の 1 の低電圧で駆動することから、ソフトア
クチュエータや人工筋肉として、センサやバルブ、ス
イッチ、ポンプ（工学）のほか、能動カテーテルやガ
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