エネルギー
圧電材料 – 最も一般的な未知の電源
新しい実用的なアプリケーションが日々開発されており、圧電産業は 予想される 今後 41 年間で約 6 億ドルに達し、年間複利成長率は XNUMX% 近くになる見込みです。 このブームにより、現代世界におけるハイテクアモルファスおよびフィルムベースの圧電ポリマーのさらなる開発と実装が可能になるでしょう。
圧電材料とは何ですか?
圧電材料を使用すると、力を電荷に変換することで、運動エネルギーを活用することができます。 1880 年にキュリー兄弟によって最初に定義された圧電性は、現代技術で利用される基本原理となっています。
圧電性とは、機械的ストレスが加えられたときに電荷を生成する物質の能力を指します。 この電荷は強制的な非対称性によって生成されます。 圧電材料では、正電荷と負電荷が互いに分離されていますが、対称的なパターンで整列したままです。 物質に機械的ストレスが加わると、この対称性が崩れ、電荷が発生します。
PVDF ベータ段階。
この材料のもう XNUMX つのユニークな特性は、ランダムな性質とワイス ドメイン (磁気的に配向されたドメイン) の存在です。 無し 外部磁気の影響）。
これらの同じ材料が電気効果に対して直接的に逆の特性を示すことが後に発見されました。 材料に電荷が加えられると、材料内で反復可能な機械的変形が発生することが判明しました。 この発見は、そのような材料に大きな有用性をもたらし、将来の使用例が実質的に XNUMX 倍になりました。
メーカーとイノベーター
実際のユースケースの例に入る前に、現代のエレクトロニクスに不可欠なさまざまな製品で圧電材料を活用している大手企業 XNUMX 社を以下に挙げます。
注目すべきは、バロンズのアナリストが現在、以下の各銘柄を「過剰」または「買い」と評価していることです。
ストーンリッジ (SRI)
ニューヨーク証券取引所に上場しているストーンリッジ (SRI) は、この記事の執筆時点で過去 30 年間で株価が 2021% 以上上昇しました。 新型コロナウイルスの感染拡大でストーンリッジの収益は打撃を受けたが、20年には770％近く回復してXNUMX億XNUMX万ドルとなった。
Stoneridge は 5,000 人以上の従業員を擁し、ミシガン州を拠点に事業を展開しています。
Methode エレクトロニクス (MEI)
ニューヨーク証券取引所に上場している Methode Electronics Inc. の株価は、この記事の執筆時点で過去 15 年間で 4% 近く上昇しています。 過去 2.36 年間、Methode Electronics は毎年 10.13% ～ 2022% の範囲で収益を成長させ続けてきました。 1.16 年の収益は XNUMX 億 XNUMX 万ドルを超えました。
Methode Electronics は 7,000 人以上の従業員を擁し、イリノイ州を拠点に事業を展開しています。
キンボール エレクトロニクス株式会社。 （KE)
ナスダックに上場しているキンボール エレクトロニクス社の株価は、この記事の執筆時点で過去 32 年間で 2019% 以上上昇しました。 上記の企業が 2020 年から 1.35 年にかけて苦戦した一方で、キンボール エレクトロニクスは継続的に収益の増加を誇ることができました。 2022 年の総額は 4.47 億 2021 万ドルとなり、XNUMX 年と比較して XNUMX% 増加します。
Kimball Electronics は 7,000 人以上の従業員を擁し、インディアナ州を拠点に事業を展開しています。
現代の進歩
従来、その効果を実証するために天然に存在する圧電物質が使用されてきました。 最も一般的に選択される材料は石英でした。 自然界に存在する物質の限界に達すると、人工セラミックスが一般的な選択肢になりました。 1952 年に設計され、現在でも最も人気のある圧電セラミックの XNUMX つは PZT (チタン酸ジルコン酸鉛) です。 ただし、PZT には変形の制限、脆弱性、質量密度の高さなどの欠点があり、あらゆる用途に最適というわけではありません。
1964年にPVDF（ポリフッ化ビニリデン）が開発されました。 PVDF は半結晶構造をしており、石英よりも数倍大きな電荷を生成します。 この人工ポリマーは PZT の多くの欠点に対処しましたが、高温での圧電破壊や劣化など、独自のさまざまな欠点がありました。 最近の技術の進歩と需要の増大により、PZT と PVDF は限界に達した可能性があります。
2000 年代初頭に、GAIKER-IK4 などの研究機関は、いわゆるアモルファス圧電ポリマーの開発を開始しました。 アモルファス構造を利用することにより、この物質はさらに高い温度に耐えることができます。 圧電効果は高温で破壊する結晶構造に依存していないため、非晶質構造によりより頑丈なポリマーが生成されます。
これらの非晶質ポリマーは、 発展した なぜなら、より高いレベルの変形、大幅な軽量化、およびより優れた堅牢性を実現できるからです。 これを達成することで、材料の応用分野で航空宇宙や電子機器への組み込みが可能になりました。 新しい非晶質圧電ポリマーおよびフィルムが開発されているため、使用中に約 150°C 以上の温度で故障が発生します。 物質の分解は約 400℃で起こります。 このため、極端な条件での使用が制限される可能性がありますが、ほとんどの用途は適切な範囲内に収まります。
多くの新しい物質と同様に、これらのポリマーは PVDF と PVT を基礎として開発されています。 可能な限り多くの欠点を排除しながら、それぞれの素材の利点を維持しようとします。 このような製品は新しいポリマーですが、現在の実用モデルをモデルにしています。
アモルファス構造を利用することにより、最適なガラス転移温度について広範なテストを行う必要があります。 この値は、材料が持つ圧電特性の強さに直接関係します。 アモルファス構造は、結晶構造で見られるような長距離秩序ではなく、短距離秩序に依存して圧電効果を生成します。 これに加えて、多くの企業は、その機械的、誘電的、熱的特性により、ポリイミドを材料の構造に組み込むことを選択しており、ポリイミドは分子の位置に関係なく分子の分極を確実にします。
ユースケース
圧電材料の過去および現在の用途には、ライター、クォーツ時計、さらにはエンジン管理システムなど、多くの目立たない製品が含まれています。 現在、それらの最も一般的な用途はセンサーとアクチュエーターです。 これらのユースケースには適切な圧電材料が適用されてきましたが、将来のアプリケーションでは、より汎用性の高い材料が必要になります。 ありがたいことに、開発中の圧電ポリマーはまさに多用途です。 材料科学の理解と、直接の逆効果を示す能力の継続的な進歩により、材料科学を使用できるアプリケーションの数は増え続けています。 現在および潜在的な将来の興味深い応用例としては、次のようなものがあります。
モバイルおよびウェアラブル電子機器
トーク搭載の携帯電話やウェアラブル デバイス。 音波によってマイク内に発生する圧力を利用することで、圧電ポリマーはいつか電話を使用するのに必要な十分な電力を生成できると期待されています。 このコンセプトによってすぐにバッテリーが完全に不要になる可能性は低いですが、低消費電力のウェアラブル スマート デバイスのバッテリー寿命が延びる可能性はあります。
現時点で圧電材料はマイクロホンに 100 年近く使用されていることに注意してください。 ただし、デバイスを充電することが最終目標ではなく、これらのアプリケーションは、費用対効果の高い方法で録音および再生する目的で音波を電気に変換することを可能にします。
減衰システム
別の用途は、減衰システムにおける圧電材料の使用です。 などの企業 HEAD はこのアイデアをテニスラケットやスキー板に取り入れ、振動の吸収・減衰を図りました。 ラケットやスキー板に衝撃が発生すると、生成された電気信号が逆方向の材料に送信され、反対の力が発生し、その相互作用が利用されます。 これにより、効果的な減衰システムが実現します。
これと同じ概念が、自動車、家庭、危険な職場環境における騒音と振動の低減にも適用されています。 このような環境の一例は、ビットコイン マイニング ファームです。 振動は長期的には電子機器に有害であるだけでなく、周辺地域でこうした操作が行われるさまざまな事例が発生しています。 不満 ASIC デバイスの使用によって生じる騒音と振動について。 多くの同様のシナリオでは、これらの影響をそれぞれ弱める解決策としてピエゾベースのアクチュエーターが使用されています。 車、住宅、機械の中で物体が反響することによって音波が発生するため、この騒音も粘着性の制振材などの従来の方法で除去するか、少なくとも軽減することができます。 ただし、これらの材料は受動的に機能するため、非常に重く高価です。 これらは通常、材料の共振周波数を下げることによって機能します。 搾取 圧電ポリマーの特性により、上記のよりアクティブでダイナミックなアプローチを採用することで、この問題が解決されます。
洗浄液
圧電材料の使用例がいかに多用途であるかを示すために、次のような企業が行っている研究を考えてみましょう。 ソーラーピエゾクリーン。 この例では、同社はソーラーパネルを圧電フィルムでコーティングしています。 その目的は、最適な効率を確保するための鍵となる、ソーラーパネルを清潔に保つ低メンテナンスの手段を提供することです。
このプロセスでは、フィルムに電荷を与えることでフィルムが特定の周波数とピッチで振動し、重力の力を借りて塵や埃が簡単に落ちます。 これはつまり、水と人件費を節約しながら、コーティングされたパネルの寿命と効率を向上させることを意味します。 太陽光発電の設置がより一般的になるにつれて増大するばかりの問題に対する、シンプルだが独創的な解決策です。
このような方法での圧電材料のより一般的な実装には、ジュエリークリーナーのような超音波洗浄装置が含まれます。
航空宇宙産業
先ほど、航空宇宙分野での圧電材料の使用について触れました。 ここでは、航空機はそのような材料を利用して、生成される電荷の測定を通じて構造の完全性とストレス要因を監視できます。これは、安全性の向上だけでなく、エンジニアが軽量化と構造の強化を同時に行うことを可能にする使用例であり、効率も向上します。必要です。
大気圏を越えると、圧電アクチュエーターが多くの衛星で使用されます。 このようなアクチュエーターは、極めて正確に動作する能力により、適切な衛星位置決めが可能なマイクロスラスターを作成することができます。
ヘルスケア診断ツール
より小型のデバイスを作成する能力が向上するにつれて、現在では医療分野のさまざまな診断ツールに圧電材料が使用されています。 この例としては、血管内超音波検査 (IVUS) があります。 IVUS は、小さなプローブで血管内から画像を生成できるようにするプロセスです。 これは、圧電単結晶で作られた超音波トランスデューサーの使用によって行われます。
圧電材料は特定の歯科用機器にも使用されています。 前述の SolarClean で使用される洗浄液と同様に、この装置は、圧電材料に電流を印加することによって生成される超音波を利用して歯垢を洗浄/除去します。
ソナー
ソナー (サウンド ナビゲーションおよび測距) システムは、画像処理や通信に使用できます。 画像処理の例には、海底の地形図作成や日常の魚群探知機などがあります。 一方、通信は音波の生成を通じて実現できます。 これらの各プロセスは、圧電トランスデューサーの使用によって可能になります。
100 年以上前に開発されたにもかかわらず、ソナーは今日でも重要な役割を果たし続けています。 これの最も最近広く普及した例は、自動運転車への実装です。自動運転車では、通常、ソナー、LIDAR、レーダーを組み合わせて周囲の状況を追跡および解釈します。
環境発電
最後に、非常に興味深い応用例は、大規模なエネルギー生産です。 圧電ポリマーは、世界中のさまざまな工場、スポーツ場、駅など、交通量の多い場所に設置するために開発されています。 1cm3 石英片は、4,500ポンドの力が加えられたときに最大175Vの電気を生成することができます。 このような駅で地面を踏むたびに電気が生成され、毎日生成される膨大な量を利用できる可能性があり、建物の効率と電気コストが大幅に増加します。
歩行者交通を超えて、車が物理的な力を加えると電気が発生して街路灯や標識に電力を供給し、道路にそのような材料が埋め込まれる未来を多くの人が思い描いています。
組み合わせると、自動車のワイヤレス充電などの将来のテクノロジーが開発されます。 エレクトレオン、および次のような企業によるパワードサーフェス パヴェゲン、うまくいけば、いつか車両のバッテリーサイズが削減され、電気自動車を充電し続けるためのより効率的でクリーンな方法が可能になるでしょう。
最後のワード
全体として、圧電材料の可能性はまだ認識され始めたばかりです。 太陽エネルギーを可能にする光起電力効果は 1800 年代半ばに発見され、現在ではようやく実用化され、広く使用されるようになりました。 圧電材料も例外ではなく、これらの材料の研究開発が続くにつれて、効率と耐久性も向上しています。 現代の科学の進歩により、ここに挙げたユースケース (発電、消音、ソナー、センサー、アクテーターなど) はほんの一例に過ぎず、このエネルギー源の可能性を最大限に理解できるようになったばかりです。無数の可能性の中からいくつかを選択します。
