HOeNICS

Kumamoto University
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
高次機能シェル層を有するコアシェル微粒子の作製䈊
Core-shell particles with multi-functional shell layers
研究責任者
コーディネータ
研究協力者
伊原博隆
緒方智成
（熊本大学大学院自然科学研究科教授）
（熊本大学イノベーション推進機構准教授）
高藤誠（熊本大学大学院自然科学研究科准教授）
龍直哉（熊本大学大学院自然科学研究科学術研究員）
永岡昭二（熊本大学客員教授、熊本県産業技術センター）
本技術シーズ群の概要と優位性
Kumamoto Univ.
本技術シーズは、コア粒子表面上にナノ粒子を自己組織化によっ
て、集合・配列・配向させることにより、高次機能コアシェル粒子を
作製する技術群からなる。
①  多彩な組合せのコア−シェル型ハイブリッド粒子がone-potで製造
可能。得られるコア・シェルハイブリッド微粒子は、二次凝集の少ない
分散性に優れた複合材である。
②  微粒子表面に均質な物理界面を形成させることが可能。これにより、
均質な表面の増大（比表面積の拡大）や均質なナノ界面構造の構
築が可能となる。
③  複合化過程において、従来必要であった界面活性剤や表面処理な
どを必要とせず、クリーンかつ容易にコア粒子にシェル層を固定でき、
様々なコアおよびシェル素材に応用が可能である。
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
微粒子シェルを有する
コア!シェル構造化微粒子
2
Kumamoto Univ.
①  Method 1 自己組織化重合法によるコア・シェル粒子化法
②  Method 2 ビスコースを利用するコア・シェル粒子化
③  Method 3 超臨界二酸化炭素を利用するコア・シェル粒子化
④  コア・シェル粒子の応用事例の紹介
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P
Photo Electro Organics
3
Method 1 自己組織化重合法によるコア・シェル粒子化法
Kumamoto Univ.
Surface-modified nano-particles
Monomer solution
自己組織化重合法の概要
4
CH3O
CH3O Si (CH2)3O CH CHR
CH3O
C
O
(MAPTS)
Kumamoto Univ.
Si (CH2)3O CH CHR
C
O
Si (CH2)3O CH CHR
C
O
SiO2
Si (CH2)3O CH CHR
C
2
O
SiO
固定化する微粒子の疎水化と重合性の付与
5
Method 1で作製したコア・シェル粒子の例
Kumamoto Univ.
微粒子の表面構造
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
断面のＴＥＭ画像
6
Method 1で作製したコア・シェル粒子の例
Kumamoto Univ.
サイズ制御
30 µm
60 µm
90 µm
ナノ粒子密度制御
1 µm
Low
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P
Photo Electro Organics
1 µm
Packing density of silica particles on the surface
1 µm
High
7
Method 1の応用例
Kumamoto Univ.
中空粒子
粒子内包粒子
ディンプル形成
ＳＥＭ画像
10 µm
TＥＭ画像
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P
Photo Electro Organics
100 µm
8
シェル層の複合化
Kumamoto Univ.
9
シェル層の複合化
Kumamoto Univ.
シリカ-チタニア複合系（コア：ポリ(St-EGDMA)
C マッピング
Si マッピング
Ti マッピング
拡大図
10 µm
ＳＥＭ画像
シリカ-ダイヤモンド複合系
コア：ポリ(St-EGDMA)
EDX画像
シリカ-アルミナ複合系
コア：ポリ(St-EGDMA)
拡大図
10 µm
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
シリカ-セリア複合系
コア：ポリ(St-EGDMA)
拡大図
拡大図
10 µm
10 µm
10
Method 2 ビスコースを利用するコアシェル粒子化
Kumamoto Univ.
セルロースをザンテートとして溶解（ビスコース）し、これにナノサイズのダイヤモンド
粉やサファイヤ粉、セリア粉等と混合したのち、アクリル酸溶液によって不溶化させ
ながら、セルロース・無機複合微粒子を製造する方法
（ザンテートの脱離による不溶化）
11
攪拌機
攪拌機
Kumamoto Univ.
攪拌機
造粒槽
粒子精製槽
排気装置
④
①
②
⑥
分散媒リサイクル槽
③
⑤
ヌッチェ型
ろ過槽
温調機
熊本県産業技術センターに設置
12
Kumamoto Univ.
Cellulose particles
TiO2-cellulose particle
13
Method 3 超臨界二酸化炭素を利用する粒子化
Kumamoto Univ.
Polymer microspheres!
Liquefied
CO2
Supercritical
CO2
and!
Diamond nanoparticles!
CO2
High pressure vessel
Magnetic stirrer bar
Water bath
High pressure syringe pump
Carbon dioxide bomb
Magnetic stirrer
Schematic representation of the experimental apparatus.
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P
Photo Electro Organics
14
Method 3 によるコア・シェル粒子化例
Kumamoto Univ.
●Polystyrene [300 μm]-Diamond [0.2 μm]!
+ Diamond!
in scCO2!
Original
100
μm
polystyrene
100
μm
Polystyrene-diamond
50 μm
microsphere!
10 μm
microsphere!
●Cross-linked polystyrene [5 μm]-Diamond [0.2 μm]!
+ Diamond!
in scCO2!
5 μm
Original Cross-linked polystyrene!
microsphere!
1 μm
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●Poly(divinylbenzene)
[20 μm]-Diamond [0.2 μm]!
Photo
Electro Organics
5 μm
1 μm
Cross-linked polystyrene-diamond!
microsphere!
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Method 3 によるコア・シェル粒子化例
Kumamoto Univ.
Titania [28 nm]!
Preparation condition!
Pressure:
20 MPa!
Temperature: 50 ˚C!
Time:
6 h!
100
μm
Polystyrene microsphere [300 μm]!
Ceria [0.6 μm]!
100 μm
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
100 μm
10 μm
100 μm
10 μm
Silica [2 μm]!
10 μm
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Kumamoto Univ.
①  Method 1 自己組織化重合法によるコア・シェル粒子化法
②  Method 2 ビスコースを利用するコア・シェル粒子化
③  Method 3 超臨界二酸化炭素を利用するコア・シェル粒子化
④  コア・シェル粒子の応用事例の紹介
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
17
コア・シェル型粒子の応用：想定される用途
Kumamoto Univ.
精密研磨材
分離・分析用
カラム充填剤
導電性微粒子
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Photo Electro Organics
光拡散・
反射材料
界面機能集積型
コア・シェル
ハイブリッド微粒子
触媒担持
微粒子
化粧品・
スキンケア用
添加剤
塗料用添加剤
キャリア剤
（ドラッグ等）
18
精密研磨材としての応用
Kumamoto Univ.
HOeNICS
P
Photo Electro Organics
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シェル硬度の異なる無機材をシェル層にもつ粒子
Kumamoto Univ.
粒子表面の拡大
ナノダイヤ複合
硬度１０相当
粒子表面の拡大
シリコンカーバイト複合
硬度９相当
熊本県産業技術センター等との共同研究
粒子表面の拡大
ジルコニア複合
硬度７相当
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光触媒機能シェルをもつ球状粒子色材としての応用
Kumamoto Univ.
アセトアルデヒド吸着実験
複合粒子: 500 mg,
アセトアルデヒド: 80 ppm
熊本県産業技術センター等との共同研究
TiO2-cellulose particle
22
光触媒機能シェルをもつ球状粒子色材としての応用
Kumamoto Univ.
Red: TiO2 + Fe2O3 on cellulose
Green: TiO2 + CoO + NiO + ZnO on cellulose
Blue: TiO2 + Al2O3 on cellulose 23
光散乱効果による光電変換効率の向上に向けた応用
Kumamoto Univ.
【本発明技術の概要】
数百ナノの高屈折率の無機微粒子
が固定化されたコア・シェルマイクロ
粒子を調製。太陽電池の半導体層
の下に並べて、光を閉じこめるため
の光散乱層を形成させ、これを組み
込んだ太陽電池を作製。
コア微粒子
Copoly(acrylic acid-methyl acrylate) (PAA-PMA)
Light
Light
FTO
半導体層
シェル粒子
(無機材料, TiO2)
【本技術の特徴】
電解液
Pt
光閉じこめ層にコアシェル粒子を
用いた色素増感太陽電池
!  太陽電池構造の下部に球状のマイクロ粒子を塗すすだけで、光閉じこめ層を形成。
!  成膜が簡単なプロセスで可能
!  様々な基板（ガラス、石英、ポリマー）上に成膜可能
!  短絡電流密度を1.69倍、光電変換効率を1.86倍向上を確認
!  分散剤フリー、散乱材の使用量の低減化
!  コアシェル粒子を色素増感太陽電池だけでなく、他の太陽電池にも適用。
熊本県産業技術センター等との共同研究
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本発明の特徴・長所（太陽電池I-V特性）
Kumamoto Univ.
Current density (mA/cm2)
コアシェル粒子を用いたDSSCセルのIV特性
Jsc: 10.95mA/cm2
FF: 0.745
!: 4.82 %
12
10
Up-conversion
8
TiO2ナノ微粒子単独を用いた
DSSCセルのIV特性
6
4
Jsc: 9.71 mA/cm2
FF: 0.725
!: 3.68 %
基本DSSCセルのIV特性
Jsc: 6.47 mA/cm2
FF: 0.734
!: 2.58 %
2
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Voltage (V)
基本セルと光閉じこめ層を配置した色素増感太陽電池のIV特性
25
高熱伝導材としての応用
Kumamoto Univ.
Concept of thermal conductive network formed !
by contact among BN shells of shell-core microbeads!
熊本県産業技術センター等との共同研究
26
Thermal conductivity (W/mK)
12
10.1 W/mk (In-plane)
Kumamoto Univ.
10
8.22 W/mK (thickness)
7.23 W/mK (In-plane)
8
5.84 W/mK (thickness)
6
4.24 W/mK (thickness)
4.29 W/mK (thickness)
4
4.10 W/mK (thickness)
2.19 W/mK (thickness)
3.69 W/mK (thickness)
2
1.59 W/mK(thickness)
0
0
20
40
60
80
100
Packing rate (wt%)
Thermal conductivity for packing rate of BN and
BN/Cellulose composite microbeads.
( ): BN (4 µm) alone
( ): BN (8 µm) alone
( ): BN (4 µm)/Cell shell-core microbeads
( ): BN (8 µm)/Cell shell-core microbeads
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今後の展開
Kumamoto Univ.
" バリエーションによる材料開発
" バリエーションに基づく用途開発
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お問い合わせ先
Kumamoto Univ.
松浦佳子
熊本大学マーケティング推進部産学連携ユニット・研究コーディネーター
Phone
FAX
E-mail
096-342-3145
096-342-3239
[email protected]
緒方智成
熊本大学イノベーション推進機構・准教授
Phone
FAX
E-mail
096-342-3967
096-342-3239
[email protected]
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