JP5283063B2 - Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound - Google Patents
Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound Download PDFInfo
- Publication number
- JP5283063B2 JP5283063B2 JP2008146386A JP2008146386A JP5283063B2 JP 5283063 B2 JP5283063 B2 JP 5283063B2 JP 2008146386 A JP2008146386 A JP 2008146386A JP 2008146386 A JP2008146386 A JP 2008146386A JP 5283063 B2 JP5283063 B2 JP 5283063B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid crystal
- crystal compound
- thin film
- polymer
- conductive thin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Abstract
Description
本発明は、導電性薄膜を有する導電体及びアクチュエータ素子に関する。ここでアクチュエータ素子は、電気化学反応や電気二重層の充放電などの電気化学プロセスを駆動力とするアクチュエータ素子である。 The present invention relates to a conductor having a conductive thin film and an actuator element. Here, the actuator element is an actuator element whose driving force is an electrochemical process such as electrochemical reaction or charge / discharge of an electric double layer.
空中、あるいは真空中で作動可能なアクチュエータ素子として、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを導電性の伸縮性のある活性層として用いるアクチュエータが提案されている（特許文献1）。 As an actuator element operable in the air or in vacuum, an actuator using a gel of carbon nanotube and ionic liquid as a conductive stretchable active layer has been proposed (Patent Document 1).
従来の素子の構造は、伸縮性のある活性層としてカーボンナノチューブとイオン液体とのゲルを用い、イオン液体ゲルを電解質層として電極層でサンドイッチ構造にしたものである。この素子の電極中のカーボンナノチューブは、ランダムに分散し、発生する力の方向が互いに打ち消し合っているものと考えられる。
本発明は、アクチュエータ素子の更なる高機能化を目的とする。 An object of the present invention is to further enhance the functionality of an actuator element.
本発明者は上記課題に鑑み検討を重ねた結果、これまで開発してきたアクチュエータ素子に液晶化合物を添加することにより、特に低周波での伸縮性能が向上することを見出した。また、導電性薄膜を作る過程で液晶を添加し、磁場下で製膜を行うと磁場に平行あるいは垂直な方向でアクチュエータ応答の異方性が見出された。すなわち、磁場下で導電性薄膜を作製すると、液晶分子の配向に伴ってカーボンナノチューブが一定方向に配向し、アクチュエータの特定方向の伸縮が容易になることを見出した。さらに、磁場の方向と平行又は垂直方向に配向した導電性薄膜は、磁場を印加していない場合に比べ、いずれも伸縮率が向上することを見出した。 As a result of repeated studies in view of the above problems, the present inventor has found that by adding a liquid crystal compound to an actuator element that has been developed so far, the expansion / contraction performance at a low frequency is improved. In addition, when liquid crystal was added in the process of forming a conductive thin film and film formation was performed under a magnetic field, anisotropy of the actuator response was found in a direction parallel to or perpendicular to the magnetic field. That is, when a conductive thin film is produced under a magnetic field, it has been found that the carbon nanotubes are oriented in a certain direction along with the orientation of the liquid crystal molecules, and the actuator can be easily expanded and contracted in a specific direction. Furthermore, it has been found that the conductive thin film oriented in the direction parallel or perpendicular to the direction of the magnetic field has an improved expansion / contraction rate as compared with the case where no magnetic field is applied.
本発明は、以下の導電性薄膜及びその製造方法、積層体およびアクチュエータ素子を提供するものである。
1． 液晶化合物、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーを含む高分子ゲル
から構成され、前記液晶化合物が配向している導電性薄膜。
2． 液晶化合物が非対称の芳香族系液晶化合物である、項1に記載の導電性薄膜。
3． 項１または２に記載の1又は2以上の導電性薄膜と、イオン液体およびポリマーから
構成される1又は2以上の電解質膜を積層してなる積層体。
4． 項３の積層体からなるアクチュエータ素子。
5． イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜の表面に、請求項１または２に
記載の導電性薄膜を電極とする導電性薄膜層が互いに絶縁状態で少なくとも２個形成され、当該導電性薄膜層に電位差を与えることにより変形可能に構成されている項４に記載のアクチュエータ素子。
6． 液晶化合物、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーを溶媒中に溶解な
いし分散させ、磁場をかけながら成膜することを特徴とする導電性薄膜の製造方法。
The present invention provides the following conductive thin film, a manufacturing method thereof, a laminate, and an actuator element.
1． A conductive thin film comprising a polymer gel containing a liquid crystal compound, a carbon nanotube, an ionic liquid and a polymer, wherein the liquid crystal compound is oriented.
2． Item 2. The conductive thin film according to Item 1, wherein the liquid crystal compound is an asymmetric aromatic liquid crystal compound.
3． Item 1. A laminate comprising one or more conductive thin films according to item 1 or 2, and one or more electrolyte membranes composed of an ionic liquid and a polymer.
Four. An actuator element comprising the laminate according to Item 3.
Five. At least two conductive thin film layers having the conductive thin film according to claim 1 or 2 as electrodes are formed on the surface of an electrolyte film composed of an ionic liquid and a polymer, and the conductive thin film layer includes Item 5. The actuator element according to Item 4, which is configured to be deformable by applying a potential difference.
6． A method for producing a conductive thin film, comprising dissolving or dispersing a liquid crystal compound, a carbon nanotube, an ionic liquid, and a polymer in a solvent and forming a film while applying a magnetic field.
磁場存在下、液晶化合物を添加して電極薄膜を作ることにより、磁場により誘起されたアクチュエータ応答の改善が可能となった。これにより、アクチュエータ応答の異方化が可能となり、電場印加方向を制御することで応答を異方的にコントロールすることが出来る。 By adding a liquid crystal compound in the presence of a magnetic field to create an electrode thin film, it was possible to improve the actuator response induced by the magnetic field. Thereby, the actuator response can be anisotropic, and the response can be controlled anisotropically by controlling the electric field application direction.
本発明によれば、液晶化合物を使用することで、伸縮率が大きく向上し、これにより高発生力応答が可能なアクチュエータ素子を提供することができる。 According to the present invention, by using a liquid crystal compound, the expansion / contraction rate can be greatly improved, thereby providing an actuator element capable of a high generation force response.
本発明において、アクチュエータ素子の電極層に使用する導電性薄膜には、カーボンナノチューブ、ポリマー、イオン液体と液晶化合物が使用される。 In the present invention, carbon nanotubes, polymers, ionic liquids and liquid crystal compounds are used for the conductive thin film used for the electrode layer of the actuator element.
本発明に用いられるイオン液体（ionic liquid）とは、常温溶融塩または単に溶融塩などとも称されるものであり、常温（室温）を含む幅広い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例えば０℃、好ましくは−２０℃、さらに好ましくは−４０℃で溶融状態を呈する塩である。また、本発明で使用するイオン液体はイオン導電性が高いものが好ましい。 The ionic liquid used in the present invention is also called a room temperature molten salt or simply a molten salt, and is a salt that exhibits a molten state in a wide temperature range including room temperature (room temperature). It is a salt that exhibits a molten state at ℃, preferably -20 ℃, more preferably -40 ℃. The ionic liquid used in the present invention preferably has a high ionic conductivity.
本発明においては、各種公知のイオン液体を使用することができるが、常温（室温）または常温に近い温度において液体状態を呈する安定なものが好ましい。本発明において用いられる好適なイオン液体としては、下記の一般式（Ｉ）〜（IV）で表わされるカチオン（好ましくは、イミダゾリウムイオン、第４級アンモニウムイオン）と、アニオン（Ｘ−）より成るものが挙げられる。 In the present invention, various known ionic liquids can be used, but a stable one that exhibits a liquid state at normal temperature (room temperature) or a temperature close to normal temperature is preferable. A suitable ionic liquid used in the present invention comprises a cation (preferably an imidazolium ion or a quaternary ammonium ion) represented by the following general formulas (I) to (IV) and an anion (X − ). Things.
）および（IV）において、ｘはそれぞれ１〜４の整数である。
) And (IV), x is an integer of 1 to 4, respectively.
直鎖又は分枝を有するＣ１〜Ｃ１２アルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、ウンデシル、ドデシルなどの基が挙げられる。炭素数は好ましくは１〜８，より好ましくは１〜６である。 Examples of the linear or branched C 1 to C 12 alkyl group include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, sec-butyl, t-butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, and nonyl. , Decyl, undecyl, dodecyl and the like. Preferably carbon number is 1-8, More preferably, it is 1-6.
直鎖又は分枝を有するＣ１〜Ｃ４アルキル基としては、メチル、エチル、ｎ−プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｓｅｃ−ブチル、ｔ−ブチルが挙げられる。 The C 1 -C 4 alkyl group having a straight-chain or branched, methyl, ethyl, n- propyl, isopropyl, n- butyl, isobutyl, sec- butyl, t- butyl.
エーテル結合を含み炭素と酸素の合計数が３〜１２の直鎖又は分枝を有するアルキル基としては、CH2OCH3、(CH2)p(OCH2CH2)qOR2（ここで、ｐは１〜４の整数、ｑは１〜４の整数、R2はCH3又はC2H5を表す）が挙げられる。 Examples of the alkyl group having an ether bond and having a straight chain or a branch having a total number of carbon and oxygen of 3 to 12 include CH 2 OCH 3 , (CH 2 ) p (OCH 2 CH 2 ) q OR 2 (where, p is an integer of 1 to 4, q is an integer from 1 to 4, R 2 represents CH 3 or C 2 H 5) can be mentioned.
アニオン（Ｘ−）としては、テトラフルオロホウ酸イオン（BF4 -）、BF3CF3 -、BF3C2F5 -、BF3C3F7 -、BF3C4F9 -、ヘキサフルオロリン酸イオン（PF6 -）、ビス（トリフルオロメ
タンスルホニル）イミド酸イオン（（CF3SO2)2N-）、過塩素酸イオン(ClO4 -)、トリス（
トリフルオロメタンスルホニル）炭素酸イオン(CF3SO2)3C-）、トリフルオロメタンスル
ホン酸イオン（CF3SO3 -）、ジシアンアミドイオン（(CN)2N-）、トリフルオロ酢酸イオン（CF3COO-）、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイオンが例示できる。
As anions (X − ), tetrafluoroborate ion (BF 4 − ), BF 3 CF 3 − , BF 3 C 2 F 5 − , BF 3 C 3 F 7 − , BF 3 C 4 F 9 − , hexa Fluorophosphate ion (PF 6 − ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imidate ion ((CF 3 SO 2 ) 2 N − ), perchlorate ion (ClO 4 − ), Tris (
Trifluoromethanesulfonyl) carbonic acid ion (CF 3 SO 2 ) 3 C − ), trifluoromethanesulfonic acid ion (CF 3 SO 3 − ), dicyanamide ion ((CN) 2 N − ), trifluoroacetic acid ion (CF 3 COO − ), organic carboxylate ions and halogen ions.
これらのうち、イオン液体としては、例えば、カチオンが１−エチル−３−メチルイミ
ダゾリウムイオン、[N(CH3)(CH3)(C2H5)(C2H4OC2H4OCH3)]+、アニオンがハロゲンイオン
、テトラフルオロホウ酸イオンのものが、具体的に例示できる。なお、カチオン及び／又はアニオンを２種以上使用し、融点をさらに下げることも可能である。
Among these, as the ionic liquid, for example, the cation is 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, [N (CH 3 ) (CH 3 ) (C 2 H 5 ) (C 2 H 4 OC 2 H 4 OCH 3 )] + , and those whose anion is a halogen ion or tetrafluoroborate ion can be specifically exemplified. In addition, it is possible to use two or more kinds of cations and / or anions to further lower the melting point.
ただし、これらの組み合わせに限らず、イオン液体であって、導電率が0.1Sm-1以上の
ものであれば、使用可能である。
However, the present invention is not limited to these combinations, and any ionic liquid that has a conductivity of 0.1 Sm −1 or more can be used.
本発明に用いられるカーボンナノチューブは、グラフェンシートが筒形に巻いた形状から成る炭素系材料であり、その周壁の構成数から単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）と多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）とに大別され、また、グラフェンシートの構造の違いからカイラル（らせん）型、ジグザグ型、およびアームチェア型に分けられるなど、各種のものが知られている。本発明には、このような所謂カーボンナノチューブと称されるものであれば、いずれのタイプのカーボンナノチューブも用いることができる。 The carbon nanotube used in the present invention is a carbon-based material having a shape in which a graphene sheet is wound into a cylindrical shape, and is roughly classified into single-walled nanotubes (SWNT) and multi-walled nanotubes (MWNT) based on the number of peripheral walls. Also, various types are known, such as being divided into a chiral type, a zigzag type, and an armchair type due to the difference in the structure of the graphene sheet. Any type of carbon nanotube can be used in the present invention as long as it is referred to as such a so-called carbon nanotube.
実用に供されるカーボンナノチューブの好適な例として、一酸化炭素を原料として比較的量産が可能なＨｉＰｃｏ（カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製）が挙げられるが、勿論、これに限定されるものではない。 A suitable example of carbon nanotubes for practical use is HiPco (manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.), which can be relatively mass-produced using carbon monoxide as a raw material. Of course, it is limited to this. is not.
本発明に用いられるポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］などの水素原子を有するフッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフィンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの水素原子を有するフッ素化オレフィンのホモポリマー、パーフルオロスルホン酸（Ｎａｆｉｏｎ，ナフィオン）、ポリ−２−ヒドロキシエチルメタクリレート（poly-ＨＥＭＡ）、ポリメチル
メタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリ（メタ）アクリレート類、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などが挙げられる。
Examples of the polymer used in the present invention include a copolymer of a fluorinated olefin having a hydrogen atom and a perfluorinated olefin such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [PVDF (HFP)], and polyvinylidene fluoride (PVDF). Homopolymers of fluorinated olefins having hydrogen atoms such as perfluorosulfonic acid (Nafion), poly (meth) acrylates such as poly-2-hydroxyethyl methacrylate (poly-HEMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), and the like.
液晶化合物は、ネマチック液晶（5CB）、キラル液晶、強誘電性液晶などの液晶を形成
する。
Liquid crystal compounds form liquid crystals such as nematic liquid crystals (5CB), chiral liquid crystals, and ferroelectric liquid crystals.
液晶化合物の添加により、イオン液体とCNTの相溶性が向上、さらには、磁場（電場）
下での液晶分子の配向により誘起されるCNTの配向、さらに配向による発生圧力・導電性
の向上（異方化）が期待できる。
Addition of liquid crystal compounds improves the compatibility between ionic liquids and CNTs. In addition, magnetic fields (electric fields)
The orientation of CNTs induced by the orientation of the liquid crystal molecules below, and the improvement of the generated pressure and conductivity (anisotropy) due to the orientation can be expected.
液晶化合物は、磁場を印加することにより一定方向に配向する分子であれば特に限定されず、例えば、４−シアノ−４’−ｎ−ペンチルビフェニル(5CB)、４−シアノ−４’−
ｎ−ヘプチルビフェニルなどの４−シアノ−４’−アルキルビフェニル類、N-(4-メトキ
シベンジリデン)-4-ブチルアニリン(MBBA)、E7、MLC、8CB(4-シアノ-4'オクチルビフェニル)、BL093、TL 216、ZLI 5800、MLC 6613、４−シアノ−４’−ｎ−ペンチルオキシビフェニル、４−シアノ−４’−ｎ−ヘプチルオキシビフェニルなどの４−シアノ−４’−アルキルオキシビフェニル類、４’−ブトキシフェニル−４−ｎ−ペンチル安息香酸エステル、４’−ブトキシフェニル−４−ｎ−ペンチル安息香酸エステル、４’−ヘキシルオキシフェニル−４−ｎ−ペンチル安息香酸エステル、４’−オクチルオキシフェニル−４−ｎ−ペンチル安息香酸エステルなどの安息香酸エステル類、ベンジリデン−２−ナフチルアミン、４’−エトキシベンジリデン−４−シアノアニリン、Ｎ−(４−メトキシベンジ
リデン−２−ヒドロキシベンジリデン)−４−ブチルアニリンなどのシッフ塩基、などが
挙げられる。
The liquid crystal compound is not particularly limited as long as it is a molecule that is oriented in a certain direction by applying a magnetic field. For example, 4-cyano-4′-n-pentylbiphenyl (5CB), 4-cyano-4′-
4-cyano-4′-alkylbiphenyls such as n-heptylbiphenyl, N- (4-methoxybenzylidene) -4-butylaniline (MBBA), E7, MLC, 8CB (4-cyano-4′octylbiphenyl), 4-cyano-4′-alkyloxybiphenyls such as BL093, TL 216, ZLI 5800, MLC 6613, 4-cyano-4′-n-pentyloxybiphenyl, 4-cyano-4′-n-heptyloxybiphenyl, 4'-butoxyphenyl-4-n-pentylbenzoate, 4'-butoxyphenyl-4-n-pentylbenzoate, 4'-hexyloxyphenyl-4-n-pentylbenzoate, 4'-octyl Benzoic acid esters such as oxyphenyl-4-n-pentylbenzoic acid ester, benzylidene-2-naphthylamine, 4′-ethoxybenzylidene-4-cyanoaniline, N (4-methoxy-benzylidene-2-hydroxy-benzylidene) -4-butyl Schiff bases such as aniline, and the like.
好ましい液晶化合物は、4−シアノ−4’−ペンチルビフェニルである。 A preferred liquid crystal compound is 4-cyano-4'-pentylbiphenyl.
液晶はネマチック液晶 、スメクチック液晶 、高分子液晶 、リオトロピック液晶 、ク
ロモニック液晶 、フラストレート液晶 、サーモトロピック液晶 、カラムナー液晶 、ディスコティック・ネマチック液晶 、カラミティック・ネマチック液晶 、強誘電性液晶
、ディスコティック(discotic)液晶 、又はコレステリック液晶のいずれであってもよい
。
Liquid crystal is nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, polymer liquid crystal, lyotropic liquid crystal, chromonic liquid crystal, frustrated liquid crystal, thermotropic liquid crystal, columnar liquid crystal, discotic nematic liquid crystal, calamitic nematic liquid crystal, ferroelectric liquid crystal.
Discotic liquid crystal or cholesteric liquid crystal may be used.
アクチュエータ素子の電極層に使用される導電性薄膜層は、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマー及び液晶化合物から構成される。 The conductive thin film layer used for the electrode layer of the actuator element is composed of a carbon nanotube, an ionic liquid, a polymer, and a liquid crystal compound.
導電性薄膜層中のこれらの成分の好ましい配合割合は：
カーボンナノチューブ：
16〜90重量％、好ましくは16.6〜70重量％、より好ましくは20〜50重量%；
イオン液体：
5〜80重量％、好ましくは15〜73.4重量％、より好ましくは20〜69重量%；
ポリマー：
4〜70重量％、好ましくは10〜68.4重量％、より好ましくは11〜64重量%；
である。
The preferred blending ratio of these components in the conductive thin film layer is:
carbon nanotube:
16-90% by weight, preferably 16.6-70% by weight, more preferably 20-50% by weight;
Ionic liquid:
5 to 80% by weight, preferably 15 to 73.4% by weight, more preferably 20 to 69% by weight;
polymer:
4 to 70% by weight, preferably 10 to 68.4% by weight, more preferably 11 to 64% by weight;
It is.
液晶化合物は、カーボンナノチューブ100重量部に対し1〜100重量部、好ましくは5〜95重量部、より好ましくは10〜80重量部配合される。 The liquid crystal compound is blended in an amount of 1 to 100 parts by weight, preferably 5 to 95 parts by weight, and more preferably 10 to 80 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon nanotubes.
本発明のアクチュエータ素子としては、例えば、電解質膜1を、その両側から、カーボ
ンナノチューブとイオン液体とポリマーと液晶化合物を含む導電性薄膜層（電極層）2,2
で挟んだ３層構造のものが挙げられる(図2A) 。また、電極の表面伝導性を増すために、
電極層2,2の外側にさらに導電層3,3が形成された５層構造のアクチュエータ素子であってもよい(図2B) 。
As an actuator element of the present invention, for example, the electrolyte membrane 1 is formed from both sides thereof with conductive thin film layers (electrode layers) 2, 2 containing carbon nanotubes, an ionic liquid, a polymer and a liquid crystal compound.
A three-layer structure sandwiched between (Fig. 2A). In order to increase the surface conductivity of the electrode,
An actuator element having a five-layer structure in which conductive layers 3 and 3 are further formed outside the electrode layers 2 and 2 may be used (FIG. 2B).
電解質膜の表面に導電性薄膜層を形成してアクチュエータ素子を得るには、カーボンナノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび液晶化合物を溶媒に分散した電極用ゲル溶液とイオン液体およびポリマーからなる電解質用ゲル溶液を交互にキャスト法により塗布、積層、乾燥することにより行うか、もしくは、上記のようにキャスト、乾燥することにより得た電解質膜の表面に、同様に別途、キャスト、乾燥することにより得た導電性薄膜を熱圧着することにより得ることが出来る。
また、導電性薄膜層は例えば以下の様にして得ることもできる。液晶化合物を配合したカーボンナノチューブにイオン液体を磁場下に染み込ませる。あるいは、液晶化合物を配合したカーボンナノチューブにイオン液体とポリマーを溶媒に分散させたイオン液体ゲルの溶液を磁場下に染み込ませる、あるいは、溶液中に液晶化合物を配合したカーボンナノチューブを磁場下に浸し、その後、溶媒を乾燥させることによって得ることができる。電解質膜は、イオンゲル溶液をキャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、乾燥させることによって得ることができる。
In order to obtain an actuator element by forming a conductive thin film layer on the surface of an electrolyte membrane, an electrode gel solution in which carbon nanotubes, an ionic liquid, a polymer and a liquid crystal compound are dispersed in a solvent, and an electrolyte gel solution comprising the ionic liquid and the polymer The conductive film obtained by alternately applying, laminating and drying by the casting method, or by separately casting and drying the surface of the electrolyte membrane obtained by casting and drying as described above. Can be obtained by thermocompression bonding of the conductive thin film.
Moreover, a conductive thin film layer can also be obtained as follows, for example. An ionic liquid is soaked in a magnetic field into a carbon nanotube containing a liquid crystal compound. Alternatively, a carbon nanotube mixed with a liquid crystal compound is impregnated with a solution of an ionic liquid gel in which an ionic liquid and a polymer are dispersed in a solvent under a magnetic field, or a carbon nanotube mixed with a liquid crystal compound is immersed in a magnetic field under a magnetic field, Thereafter, the solvent can be obtained by drying. The electrolyte membrane can be obtained by forming an ion gel solution by a casting method and evaporating and drying the solvent.
本発明では、液晶化合物、カーボンナノチューブとイオン液体、必要に応じてさらにポリマーを含む導電性薄膜層の調製において、各成分を均質に混合するのが重要である。各成分が均質混合された分散液を調製するためには、溶媒を用いるのが好ましく、例えば疎水性溶媒と親水性溶媒の混合溶媒を使用するのが特に好ましい。 In the present invention, in preparing a conductive thin film layer containing a liquid crystal compound, a carbon nanotube and an ionic liquid, and, if necessary, a polymer, it is important to mix each component homogeneously. In order to prepare a dispersion in which each component is homogeneously mixed, it is preferable to use a solvent, for example, it is particularly preferable to use a mixed solvent of a hydrophobic solvent and a hydrophilic solvent.
親水性溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、アセトン、メタノール、エタノールなどの炭素数１〜３の低級アルコール、アセトニトリル等が挙げられる。疎水性溶媒としては、４−メチルペンタン−２−オンなどの炭素数５
〜１０のケトン類、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロゲン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キシレンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、シクロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水素類、N,N-ジメチルアセトアミド等が挙げられる。
Examples of the hydrophilic solvent include carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, propylene carbonate and butylene carbonate, ethers such as tetrahydrofuran, carbon numbers 1 to 3 such as acetone, methanol and ethanol. And lower alcohols, acetonitrile and the like. As a hydrophobic solvent, carbon number 5 such as 4-methylpentan-2-one
To 10 ketones, halogenated hydrocarbons such as chloroform and methylene chloride, aromatic hydrocarbons such as toluene, benzene and xylene, aliphatic or alicyclic hydrocarbons such as hexane and cyclohexane, N, N- Examples thereof include dimethylacetamide.
本発明の導電性薄膜を製造するための分散液は、液晶化合物、イオン液体とカーボンナノチューブを混練してゲル化させ、その後ポリマーと溶剤(例えば、イオン液体が親水性
の場合には、親水性溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン性体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加えて分散液を調製してもよく、液晶化合物、カーボンナノチューブ、イオン
液体、ポリマー及び必要に応じて溶剤(例えば、イオン液体が親水性の場合には、親水性
溶媒と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎水性の場合には、疎水性溶媒)を加え、ゲ
ル化のプロセスなしに分散液を調製してもよい。この場合、各成分を混合するのに超音波による分散も有効である。
The dispersion for producing the conductive thin film of the present invention is prepared by kneading a liquid crystal compound, an ionic liquid and carbon nanotubes into a gel, and then polymer and a solvent (for example, when the ionic liquid is hydrophilic, the hydrophilic A mixed solvent of a solvent and a hydrophobic solvent, or in the case where the ionic substance is hydrophobic, a hydrophobic solvent) may be added to prepare a dispersion liquid crystal compound, carbon nanotube, ionic liquid, polymer, and if necessary Add a solvent (for example, if the ionic liquid is hydrophilic, a mixed solvent of hydrophilic and hydrophobic solvents, or if the ionic liquid is hydrophobic, add a hydrophobic solvent) and disperse without the gelation process. A liquid may be prepared. In this case, dispersion by ultrasonic waves is also effective for mixing each component.
いったんゲル化させた後に分散液を調製する場合、混合溶媒の割合としては、親水性溶媒：疎水性溶媒（重量比）＝２０：１〜１：１０であるのが好ましく、２：１〜１：５であるのがより好ましい。 When preparing the dispersion after gelation, the ratio of the mixed solvent is preferably hydrophilic solvent: hydrophobic solvent (weight ratio) = 20: 1 to 1:10, preferably 2: 1 to 1. : 5 is more preferable.
また、ゲル化のプロセスなしに分散液を調製する場合、親水性溶媒（PC）/疎水性溶媒
（MP）=1/100〜20/100が好ましく、より好ましくは3/100〜15/100である。
Moreover, when preparing a dispersion liquid without the process of gelatinization, hydrophilic solvent (PC) / hydrophobic solvent (MP) is preferably 1/100 to 20/100, more preferably 3/100 to 15/100. is there.
導電性薄膜層は、液晶化合物、カーボンナノチューブ、イオン液体及びポリマーを含む高分子ゲルから構成される。 The conductive thin film layer is composed of a polymer gel containing a liquid crystal compound, a carbon nanotube, an ionic liquid, and a polymer.
導電性薄膜層中の（液晶化合物＋カーボンナノチューブ＋イオン液体）と（ポリマー）の配合比（重量比）は、（液晶化合物＋カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：２〜４：１であるのが好ましく、（液晶化合物＋カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）＝１：１〜２：１であるのがより好ましい。この配合の際には、親水性溶媒と疎水性溶媒との混合溶媒を用いる。液晶化合物とカーボンナノチューブとイオン液体を混合して予めゲルを形成し、このゲルにポリマーと溶媒（好ましくは疎水性溶媒）を混合して導電性薄膜調製用の分散液を得ることもできる。この場合、（液晶化合物＋カーボンナノチューブ＋イオン液体）：（ポリマー）は、より好ましくは１：１〜３：１である。 The blending ratio (weight ratio) of (liquid crystal compound + carbon nanotube + ionic liquid) and (polymer) in the conductive thin film layer is (liquid crystal compound + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) = 1: 2-4: 1 is preferable, and (liquid crystal compound + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) = 1: 1 to 2: 1 is more preferable. In this blending, a mixed solvent of a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent is used. A liquid crystal compound, a carbon nanotube, and an ionic liquid are mixed to form a gel in advance, and a polymer and a solvent (preferably a hydrophobic solvent) are mixed with the gel to obtain a dispersion for preparing a conductive thin film. In this case, (liquid crystal compound + carbon nanotube + ionic liquid) :( polymer) is more preferably 1: 1 to 3: 1.
なお、導電性薄膜層には溶媒（疎水性溶媒と親水性溶媒）が若干含まれていてもよいが、通常の乾燥条件において除去可能な溶媒はできるだけ除去しておくのが好ましい。 The conductive thin film layer may contain some solvents (hydrophobic solvent and hydrophilic solvent), but it is preferable to remove as much solvent as possible under normal drying conditions.
イオン伝導層を構成するゲル状組成物は、ポリマーとイオン液体から構成される。好ましいイオン伝導層は、このゲル状組成物を得る際の親水性イオン液体とポリマーの配合比（重量比）が、親水性イオン液体：ポリマー＝１：４〜４：１であるのが好ましく、親水性イオン液体：ポリマー＝１：２〜２：１であるのがより好ましい。この配合の際にも、上記と同様に、親水性溶媒と疎水性溶媒とを任意の割合で混合した溶媒を用いるのが好ましい。 The gel composition constituting the ion conductive layer is composed of a polymer and an ionic liquid. In a preferred ion conductive layer, the blending ratio (weight ratio) of the hydrophilic ionic liquid and the polymer in obtaining the gel composition is preferably hydrophilic ionic liquid: polymer = 1: 4 to 4: 1. More preferably, the hydrophilic ionic liquid: polymer = 1: 2 to 2: 1. Also in this blending, it is preferable to use a solvent in which a hydrophilic solvent and a hydrophobic solvent are mixed at an arbitrary ratio, as described above.
２つ以上の導電性薄膜層を分離するセパレーターの役割を果たすイオン伝導層は、ポリマーを溶媒に溶解し、塗布、印刷、押し出し、キャスト、射出などの常法に従い形成することができる。イオン伝導層は、実質的にポリマーのみで形成してもよく、イオン液体をポリマーに加えて形成してもよい。 The ion conductive layer serving as a separator that separates two or more conductive thin film layers can be formed by dissolving a polymer in a solvent and following conventional methods such as coating, printing, extrusion, casting, and injection. The ion conductive layer may be formed substantially only from a polymer, or may be formed by adding an ionic liquid to a polymer.
導電性薄膜層とイオン伝導層に使用するポリマーは同一であっても異なっていてもよいが、両者は同一であるか、性質の類似したポリマーであるのが、導電性薄膜層とイオン伝
導層の密着性を向上させるのに好ましい。
なお、液晶化合物そのものを磁場配向させる場合、数千ガウス（1000ガウス＝0.1テス
ラ）から十数テスラの磁場が必要である。一方、カーボンナノチューブを磁場下、配向させる試みがなされているが、この場合、一般的に、カーボンナノチューブの濃度は１wt%
程度の非常に低濃度で、低粘度溶媒中で10テスラ程度の強磁場が必要とされている。本発明では、電極中の添加重量にして5wt%の液晶化合物の磁場配向により、19wt%程度のカー
ボンナノチューブを配向できる。配向に用いる磁場は、1.3テスラであり、通常カーボン
ナノチューブを配向させるのに用いられる10テスラの超伝導磁石に比べ、取り扱いが簡便な棒磁石（1.3テスラ）により容易に配向させることができる。磁場の向きは、導電性薄
膜層に平行あるいは垂直、さらに、任意の角度であってもよい。
The polymer used for the conductive thin film layer and the ion conductive layer may be the same or different. However, the conductive thin film layer and the ion conductive layer are the same or similar in properties. It is preferable to improve the adhesion of the resin.
When the liquid crystal compound itself is magnetically oriented, a magnetic field of several thousand gauss (1000 gauss = 0.1 tesla) to tens of tesla is required. On the other hand, attempts have been made to align carbon nanotubes in a magnetic field. In this case, the concentration of carbon nanotubes is generally 1 wt%.
A strong magnetic field of about 10 Tesla is required in a low viscosity solvent at a very low concentration. In the present invention, about 19 wt% of the carbon nanotubes can be aligned by the magnetic field alignment of the liquid crystal compound having an addition weight of 5 wt% in the electrode. The magnetic field used for orientation is 1.3 Tesla, and can be easily oriented by a bar magnet (1.3 Tesla) that is easier to handle than a 10 Tesla superconducting magnet usually used for orienting carbon nanotubes. The direction of the magnetic field may be parallel or perpendicular to the conductive thin film layer, and may be an arbitrary angle.
電解質膜の厚さは、5〜200μｍであるのが好ましく、10〜100μｍであるのがより好ま
しい。導電性薄膜層の厚さは、10〜500μｍであるのが好ましく、50〜300μｍであるのがより好ましい。また、各層の製膜にあたっては、スピンコート、印刷、スプレー等も用いることができる。さらに、押し出し法、射出法等も用いることができる。
The thickness of the electrolyte membrane is preferably 5 to 200 μm, and more preferably 10 to 100 μm. The thickness of the conductive thin film layer is preferably 10 to 500 μm, and more preferably 50 to 300 μm. Moreover, spin coating, printing, spraying, etc. can also be used for film formation of each layer. Furthermore, an extrusion method, an injection method, or the like can also be used.
このようにして得られたアクチュエータ素子は、電極間（電極は導電性薄膜層に接続されている）に０．５〜４Ｖの直流電圧を加えると、数秒以内に素子長の０．０５〜１倍程度の変位を得ることができる。また、このアクチュエータ素子は、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動することができる。 The actuator element thus obtained has an element length of 0.05 to 1 within a few seconds when a DC voltage of 0.5 to 4 V is applied between the electrodes (the electrodes are connected to the conductive thin film layer). Double displacement can be obtained. The actuator element can be flexibly operated in air or in vacuum.
このようなアクチュエータ素子の作動原理は、図３に示すように、電解質膜１の表面に相互に絶縁状態で形成された導電性薄膜層２，２に電位差がかかると、導電性薄膜層２，２内のカーボンナノチューブ相とイオン液体相の界面に電気二重層が形成され、それによる界面応力によって、導電性薄膜層２，２が伸縮するためである。図3に示すように、プ
ラス極側に曲がるのは、量子化学的効果により、カーボンナノチューブがマイナス極側でより大きくのびる効果があることと、現在よく用いられるイオン液体では、カチオン４のイオン半径が大きく、その立体効果によりマイナス極側がより大きくのびるからであると考えられる。図3において、４はイオン液体のカチオンを示し、５はイオン液体のアニオ
ンを示す。
As shown in FIG. 3, the operating principle of such an actuator element is that when a potential difference is applied to the conductive thin film layers 2 and 2 formed on the surface of the electrolyte membrane 1 in a mutually insulated state, the conductive thin film layer 2 This is because an electric double layer is formed at the interface between the carbon nanotube phase and the ionic liquid phase in 2, and the conductive thin film layers 2 and 2 expand and contract due to the interfacial stress. As shown in FIG. 3, the bending to the positive electrode side is due to the fact that the carbon nanotube has a larger effect on the negative electrode side due to the quantum chemical effect. This is considered to be because the minus pole side extends more greatly due to the three-dimensional effect. In FIG. 3, 4 indicates a cation of the ionic liquid, and 5 indicates an anion of the ionic liquid.
上記の方法で得ることのできるアクチュエータ素子によれば、カーボンナノチューブとイオン液体とのゲルの界面有効面積が極めて大きくなることから、界面電気二重層におけるインピーダンスが小さくなり、カーボンナノチューブの電気伸縮効果が有効に利用される効果に寄与する。また、機械的には、界面の接合の密着性が良好となり、素子の耐久性が大きくなる。その結果、空気中、真空中で、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久性のある素子を得ることができる。しかも、構造が簡単で、小型化が容易であり、小電力で作動することができる。さらに、カーボンナノチューブが液晶化合物の配向に沿って配向していることから、従来の同様の素子より、効率的に力の発生が起こる。 According to the actuator element that can be obtained by the above method, since the effective area of the interface between the gel of the carbon nanotube and the ionic liquid is extremely large, the impedance in the interfacial electric double layer is reduced, and the electrical stretching effect of the carbon nanotube is reduced. Contributes to effective use. Also, mechanically, the adhesion at the interface is good, and the durability of the device is increased. As a result, it is possible to obtain a durable element having a high responsiveness and a large amount of displacement in air or vacuum. Moreover, the structure is simple, the size can be easily reduced, and the apparatus can be operated with low power. Further, since the carbon nanotubes are aligned along the alignment of the liquid crystal compound, force is generated more efficiently than the conventional similar device.
本発明のアクチュエータ素子は、空気中、真空中で耐久性良く作動し、しかも低電圧で柔軟に作動することから、安全性が必要な人と接するロボットのアクチュエータ（例えば、ホームロボット、ペットロボット、アミューズメントロボットなどのパーソナルロボットのアクチュエータ）、また、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レスキュー用などの特殊環境下で働くロボット、また、手術デバイスやマッスルスーツ、床ずれ防止用などの医療、福祉用ロボット、ブレーキ、さらにはマイクロマシーンなどのためのアクチュエータとして最適である。 The actuator element of the present invention operates with durability in air and vacuum, and operates flexibly at a low voltage. Therefore, an actuator of a robot that contacts a person who needs safety (for example, a home robot, a pet robot, Actuators for personal robots such as amusement robots), robots that work in special environments such as space environments, in vacuum chambers, and rescue, and medical and welfare robots such as surgical devices, muscle suits, and bedsore prevention Ideal for actuators for brakes, and even micromachines.
特に、純度の高い製品を得るために、真空環境下、超クリーンな環境下での材料製造において、純度の高い製品を得るために、試料の運搬や位置決め等のためのアクチュエータ
の要求が高まっており、全く蒸発しないイオン液体を用いた本発明のアクチュエータ素子は、汚染の心配のないアクチュエータとして、真空環境下でのプロセス用アクチュエータとして有効に用いることができる。
なお、電解質膜表面への導電性薄膜層の形成は少なくとも２層必要であるが、図4に示す
ように、平面状の電解質膜１の表面に多数の導電性薄膜層２を配置することにより、複雑な動きをさせることも可能である。このような素子により、蠕動運動による運搬や、マイクロマニピュレータなどを実現可能である。また、本発明のアクチュエータ素子の形状は、平面状とは限らず、任意の形状の素子が容易に製造可能である。例えば、図４に示すものは、径が１ｍｍ程度の電解質膜１のロッドの周囲に４本の導電性薄膜層２を形成したものである。この素子により、細管内に挿入できるようなアクチュエータが実現可能である。
In particular, in order to obtain high-purity products, in the production of materials in a vacuum environment and in an ultra-clean environment, there is an increasing demand for actuators for sample transportation and positioning in order to obtain high-purity products. In addition, the actuator element of the present invention using an ionic liquid that does not evaporate at all can be effectively used as an actuator for a process in a vacuum environment as an actuator that does not cause contamination.
At least two conductive thin film layers are required to be formed on the surface of the electrolyte membrane. As shown in FIG. 4, by arranging a large number of conductive thin film layers 2 on the surface of the planar electrolyte membrane 1. It is also possible to make complicated movements. By such an element, conveyance by a peristaltic motion, a micromanipulator, and the like can be realized. In addition, the shape of the actuator element of the present invention is not limited to a planar shape, and an element having an arbitrary shape can be easily manufactured. For example, what is shown in FIG. 4 is one in which four conductive thin film layers 2 are formed around the rod of the electrolyte membrane 1 having a diameter of about 1 mm. With this element, an actuator that can be inserted into a narrow tube can be realized.
以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことは言うまでもない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples.
なお、本実施例において、アクチュエータ素子変位評価は、以下のようにして行った。 In this example, the actuator element displacement evaluation was performed as follows.
アクチュエータ素子変位評価法：図１に示す様にレーザ変位計を用い、素子を1mmx10mmの短冊状に切り取り、電圧を加えた時の5mmの位置の変位を測定した。 Actuator element displacement evaluation method: Using a laser displacement meter as shown in FIG. 1, the element was cut into a 1 mm × 10 mm strip and the displacement at a position of 5 mm when a voltage was applied was measured.
実施例および比較例で用いたイオン液体（ＩＬ）は、エチルメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＢＦ４）である。 The ionic liquid (IL) used in the examples and comparative examples is ethylmethylimidazolium tetrafluoroborate (EMIBF 4 ).
実施例および比較例で用いたカーボンナノチューブは、高純度単層カーボンナノチューブ（カーボン・ナノテクノロジー・インコーポレーテッド社製「ＨｉＰｃｏ」）（以下、ＳＷＮＴともいう）である。 The carbon nanotubes used in Examples and Comparative Examples are high-purity single-walled carbon nanotubes (“HiPco” manufactured by Carbon Nanotechnology Inc.) (hereinafter also referred to as SWNT).
実施例および比較例で用いたポリマーは、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体［ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）；商品名kynar2801］(III)である。 The polymer used in the examples and comparative examples is a polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer [PVDF (HFP); trade name kynar2801] (III).
実施例で用いた液晶化合物は、4−シアノ−4’−ペンチルビフェニル(5CB)である。 The liquid crystal compound used in the examples is 4-cyano-4'-pentylbiphenyl (5CB).
調製例１
［導電性薄膜層形成用分散液の調製］
ＭＰとＰＣの混合溶媒に、カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）とイオン液体（ＩＬ）、ポリマー［粉末状ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］、液晶化合物(5CB)を分散させて、マグネチック
スターラーにて撹拌、その後、超音波による分散を行うことにより、導電性薄膜層形成用分散液を調製する。
Preparation Example 1
[Preparation of dispersion for forming conductive thin film layer]
Carbon nanotubes (SWNT), ionic liquid (IL), polymer [powdered PVDF (HFP)], and liquid crystal compound (5CB) are dispersed in a mixed solvent of MP and PC, and stirred with a magnetic stirrer. A dispersion for forming a conductive thin film layer is prepared by dispersing with sound waves.
［電解質膜形成用溶液の調製］
イオン液体（ＩＬ）とポリマー［粉末状ＰＶＤＦ（ＨＦＰ）］を、上記導電性薄膜層形成用分散液の調製と同様にして、溶媒に溶解させることにより、電解質膜形成用溶液を調製する。
[Preparation of electrolyte membrane forming solution]
An electrolyte film forming solution is prepared by dissolving an ionic liquid (IL) and a polymer [powdered PVDF (HFP)] in a solvent in the same manner as in the preparation of the conductive thin film layer forming dispersion.
［アクチュエータ素子の製造］
導電性薄膜層、電解質膜は、それぞれ上記のように調製した分散液および溶液を、別々にキャストし、室温で一昼夜溶媒を乾燥させ、次いで、真空乾燥を行うことにより得る。得られた導電性薄膜2枚の間に、電解質膜を1枚挟んで熱圧着することにより3層構造のア
クチュエータ素子を得る。液晶化合物を含む導電性薄膜層は、図5に示すように、磁場下
にキャストして作製し、乾燥後、磁場の方向に平行(LC(5CB)-4)または垂直方向（LC(5CB)-5））に切り出す。また、磁場の非存在下に作製したサンプルはLC(5CB)-3’とする。導
電性薄膜層の上下方向に磁場をかけた場合について、同様に図７に示す。
[Manufacture of actuator elements]
The conductive thin film layer and the electrolyte membrane are obtained by separately casting the dispersion and solution prepared as described above, drying the solvent at room temperature for a whole day, and then vacuum drying. An actuator element having a three-layer structure is obtained by sandwiching one electrolyte membrane between two obtained conductive thin films and thermocompression bonding. As shown in Fig. 5, the conductive thin film layer containing the liquid crystal compound is prepared by casting under a magnetic field, and after drying, it is parallel to the direction of the magnetic field (LC (5CB) -4) or perpendicular (LC (5CB) -5)). A sample prepared in the absence of a magnetic field is LC (5CB) -3 ′. FIG. 7 similarly shows the case where a magnetic field is applied in the vertical direction of the conductive thin film layer.
［アクチュエータ素子の評価方法］
製造したアクチュエータ素子の変位応答性の評価は、図１に示した装置を用いて行った。アクチュエータ素子を、幅１ｍｍ×長さ１０ｍｍの短冊状に切断し、図１に示すように、端３ｍｍの部分を電極付きホルダーでつかんで、空気中で電圧を加え、レーザ変位計を用いて、固定端から５ｍｍの位置での変位を測定して行った。
[Evaluation method of actuator element]
The displacement responsiveness of the manufactured actuator element was evaluated using the apparatus shown in FIG. The actuator element is cut into a strip of 1 mm width × 10 mm length, and as shown in FIG. 1, the end 3 mm portion is held by an electrode holder, a voltage is applied in the air, and a laser displacement meter is used. The displacement was measured at a position 5 mm from the fixed end.
実施例および比較例で用いた疎水性溶媒は４−メチルペンタン−２−オン（ＭＰ）であり、親水性溶媒はプロピレンカーボネート（ＰＣ）である。 The hydrophobic solvent used in Examples and Comparative Examples is 4-methylpentan-2-one (MP), and the hydrophilic solvent is propylene carbonate (PC).
比較例１
以下の比率で、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ４）、ポリマー(kynar2801)及び液晶化合物（5CB）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。導電性薄膜層の製造時には磁場をかけなかった。
電極：CNT/kynar2801/EMIBF4/5CB=50.4mg/79.9mg/126.5mg/14.7mg
電解質：kynar2801/EMIBF4=201.5mg/207.0mg
比較例2
以下の比率で、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ４）、ポリマー(kynar2801)及び液晶化合物（5CB）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。導電性薄膜層の製造時には磁場をかけなかった。
電極：CNT/kynar2801/EMIBF4/5CB=50.2mg/80.9mg/123.6mg/12.5mg
電解質：kynar2801/EMIBF4=201.5mg/207.0mg
実施例１、２
以下の比率で、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ４）、ポリマー(kynar2801)及び液晶化合物（5CB）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。導電性薄膜層の製造時に薄膜面内で図５のように磁場を印加した。導電性薄膜層は、磁場方向に平行なサンプルLC(5CB)-4（実施例1）、磁場方向に垂直なサンプルLC(5CB)-5（実施
例２）を切り出して、アクチュエータ素子の製造に使用した。
電極：CNT/kynar2801/EMIBF4/5CB=50.4mg/79.9mg/126.5mg/14.7mg
電解質：kynar2801/EMIBF4=201.5mg/207.0mg
実施例３
以下の比率で、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、イオン液体（ＥＭＩＢＦ４）、ポリマー(kynar2801)及び液晶化合物（5CB）を使用して、導電性薄膜層(電極)−電解質膜−導電性薄膜層(電極)からなる、３層構造のフィルム状のアクチュエータ素子を製造した。導電性薄膜層の製造時に薄膜面に垂直な方向に、図７のように磁場を印加した。この導電性
薄膜層を切り出して、アクチュエータ素子の製造に使用した。
電極：CNT/kynar2801/EMIBF4/5CB=50.2mg/80.9mg/123.6mg/12.5mg
電解質：kynar2801/EMIBF4=201.5mg/207.0mg
試験例１
実施例１〜３および比較例１〜２で得られたアクチュエータ素子の電圧に対する応答性の評価を、上述したアクチュエータ素子の評価方法により行った。得られた結果を、図６、図８に示す。
Comparative Example 1
Using the carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and liquid crystal compound (5CB) at the following ratios, conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) A film-like actuator element having a three-layer structure was manufactured. No magnetic field was applied during the production of the conductive thin film layer.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /5CB=50.4mg/79.9mg/126.5mg/14.7mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 201.5mg / 207.0mg
Comparative Example 2
Using the carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and liquid crystal compound (5CB) at the following ratios, conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) A film-like actuator element having a three-layer structure was manufactured. No magnetic field was applied during the production of the conductive thin film layer.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /5CB=50.2mg/80.9mg/123.6mg/12.5mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 201.5mg / 207.0mg
Examples 1 and 2
Using the carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and liquid crystal compound (5CB) at the following ratios, conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) A film-like actuator element having a three-layer structure was manufactured. A magnetic field was applied within the plane of the thin film as shown in FIG. 5 during the production of the conductive thin film layer. For the conductive thin film layer, sample LC (5CB) -4 (Example 1) parallel to the magnetic field direction and sample LC (5CB) -5 (Example 2) perpendicular to the magnetic field direction are cut out to manufacture the actuator element. used.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /5CB=50.4mg/79.9mg/126.5mg/14.7mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 201.5mg / 207.0mg
Example 3
Using the carbon nanotube (CNT), ionic liquid (EMIBF 4 ), polymer (kynar2801) and liquid crystal compound (5CB) at the following ratios, conductive thin film layer (electrode) -electrolyte film-conductive thin film layer (electrode) A film-like actuator element having a three-layer structure was manufactured. A magnetic field was applied in the direction perpendicular to the thin film surface during the production of the conductive thin film layer as shown in FIG. This conductive thin film layer was cut out and used for manufacturing an actuator element.
Electrode: CNT / kynar2801 / EMIBF 4 /5CB=50.2mg/80.9mg/123.6mg/12.5mg
Electrolyte: kynar2801 / EMIBF 4 = 201.5mg / 207.0mg
Test example 1
The responsiveness to the voltage of the actuator elements obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 2 was evaluated by the above-described actuator element evaluation method. The obtained results are shown in FIGS.
図６の結果から、液晶化合物を配合して磁場をかけ、液晶化合物とともにCNT を配向させることにより、低周波での変形応答が顕著に向上することが明らかになった。これは磁場の方向に平行に切り出したサンプルの場合により大きな向上が見られ、磁場の方向に垂直に切り出したサンプルでも見られた。また、同様の向上が磁場を導電性薄膜平面の上下にかけた場合(図８)でも見られた。このような磁場配向による伸縮率の差は比較実験として５CBを入れない系（基準）で同様の実験を行った場合には見られず、すなわち、この結果は添加した液晶による配向誘起により伸縮率の異方性が生じたことを支持している。 From the results shown in FIG. 6, it has been clarified that the deformation response at a low frequency is remarkably improved by blending a liquid crystal compound, applying a magnetic field, and orienting the CNT together with the liquid crystal compound. This was greatly improved in the case of the sample cut out parallel to the direction of the magnetic field, and was also seen in the sample cut out perpendicular to the direction of the magnetic field. A similar improvement was also observed when a magnetic field was applied above and below the conductive thin film plane (FIG. 8). Such a difference in expansion / contraction ratio due to magnetic field orientation is not seen when a similar experiment is performed in a system (reference) without 5CB as a comparative experiment, that is, this result is due to the alignment induction by the added liquid crystal. This supports the occurrence of anisotropy.
１ 電解質膜
２ 導電性薄膜層
３ 導電層
４ イオン性液体のカチオン
５ イオン性液体のアニオン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Conductive thin film layer 3 Conductive layer 4 Cation of ionic liquid 5 Anion of ionic liquid
Claims (4)
工程１：液晶化合物、カーボンナノチューブ、イオン液体およびポリマーを溶媒中に溶解ないし分散させ、磁場をかけながら成膜して、前記液晶化合物が配向している導電性薄膜を調製する工程、
工程２：イオン液体およびポリマーから構成される電解質膜と工程１で得られた導電性薄膜を積層して積層体を形成する工程。 The manufacturing method of the actuator element in any one of Claims 1-3 including the following processes 1 and 2:
Step 1: A step of preparing a conductive thin film in which the liquid crystal compound is aligned by dissolving or dispersing a liquid crystal compound, a carbon nanotube, an ionic liquid and a polymer in a solvent and forming a film while applying a magnetic field.
Process 2: The process of laminating | stacking the electrolyte membrane comprised from an ionic liquid and a polymer, and the electroconductive thin film obtained at the process 1 and forming a laminated body.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008146386A JP5283063B2 (en) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008146386A JP5283063B2 (en) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009295358A JP2009295358A (en) | 2009-12-17 |
| JP5283063B2 true JP5283063B2 (en) | 2013-09-04 |
Family
ID=41543369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008146386A Expired - Fee Related JP5283063B2 (en) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5283063B2 (en) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013256590A (en) * | 2012-06-12 | 2013-12-26 | Seiko Epson Corp | Deformable material and actuator |
| CN103029355B (en) * | 2012-11-30 | 2015-05-13 | 电子科技大学 | Photoinduced bending flexible electro-conductive baseplate and preparation method thereof |
| CN103302910B (en) * | 2013-06-25 | 2015-12-23 | 电子科技大学 | A kind of biodegradable flexible conductive base plate and preparation method thereof |
| CN105140405A (en) * | 2015-07-27 | 2015-12-09 | 张相蓉 | Environmental-protection substrate for flexible photoelectronic device |
| CN105070835A (en) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 李声锋 | Flexible base plate for organic electronic device |
| CN105070831A (en) * | 2015-07-27 | 2015-11-18 | 李声锋 | Method for preparing flexible base plate for organic electronic device |
| CN109895982B (en) * | 2019-03-25 | 2020-09-29 | 浙江大学 | Preparation method of soft flapping wing module for underwater propulsion |
| CN116113217B (en) * | 2023-02-18 | 2023-08-22 | 广东工业大学 | Flexible heat-conducting ionic liquid phase-change gel material and preparation method and application thereof |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3407049B2 (en) * | 1995-03-13 | 2003-05-19 | ニッタ株式会社 | Working fluid for actuator |
| JP4873453B2 (en) * | 2005-03-31 | 2012-02-08 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Conductive thin film, actuator element and manufacturing method thereof |
| JP5114722B2 (en) * | 2006-05-29 | 2013-01-09 | 独立行政法人理化学研究所 | Integrated soft actuator with sensor function |
| JP4568885B2 (en) * | 2006-07-31 | 2010-10-27 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Actuator element using high-strength, high-conductivity thin film and manufacturing method thereof |
-
2008
- 2008-06-04 JP JP2008146386A patent/JP5283063B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009295358A (en) | 2009-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5283063B2 (en) | Actuator element using carbon nanotube electrode with aligned liquid crystal compound | |
| JP5110574B2 (en) | High-aspect-ratio carbon nanotubes and ionic liquids, conductive thin films and actuator elements | |
| JP4873453B2 (en) | Conductive thin film, actuator element and manufacturing method thereof | |
| JP5083911B2 (en) | Actuator element composed of carbon nanotube, polymerizable ionic liquid and ionic liquid | |
| JP4038685B2 (en) | Actuator element | |
| JP4568885B2 (en) | Actuator element using high-strength, high-conductivity thin film and manufacturing method thereof | |
| JP6713693B2 (en) | Actuator element using carbon electrode | |
| JP5004078B2 (en) | Actuator element with highly oriented electrodes using high aspect ratio carbon nanotubes | |
| JP5046127B2 (en) | High-aspect-ratio carbon nanotubes and ionic liquids, conductive thin films and actuator elements | |
| JP5332027B2 (en) | Actuator element using carbon nanotube electrode with conductive additive | |
| JP5888666B2 (en) | Conductive thin film and actuator elements composed of multi-walled carbon nanotubes, polymer and ionic liquid | |
| JP5477643B2 (en) | Electrode film composed of carbon nanotube, alkali metal salt and / or alkaline earth metal salt, ionic liquid and polymer, solid electrolyte film, actuator element | |
| JP4863297B2 (en) | High strength, high conductivity thin film using carbon nanotube and method for manufacturing actuator element | |
| JP2014024954A (en) | Actuator element including carbon electrode having clay material added thereto | |
| JP2012135071A (en) | Composite conductive thin film for actuator, and actuator element | |
| JP6359248B2 (en) | Conductive thin film, laminate, actuator element, and manufacturing method thereof | |
| JP6562319B2 (en) | Nanocarbon polymer actuator | |
| JP2012135074A (en) | Conductive thin film comprising carbon nanotube, polyvinylidene fluoride polymer and ionic liquid, and actuator element | |
| JP5665055B2 (en) | Actuator element driving method and manufacturing method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20101028 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130219 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130419 |
|
| RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20130419 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130514 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130521 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |