材料科学
圧電ポリマー – 振動と構造的応力からの無料エネルギーの活用
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研究チームは、応力が加わると電気を生成するカルコゲン化物ペロブスカイト化合物を充填したポリマーフィルムを作成しました。この現象は圧電効果として知られており、機械的応力が加わったときに特定の材料が電荷を生成する能力です。
圧電効果は結晶構造の対称性を欠く材料で発生します。結晶、セラミック、ポリマー、そして骨、DNA、さまざまなタンパク質などの生体物質は、異なる種類の圧電材料です。
このような材料は機械的振動に関連するエネルギーを収集する可能性があります。この形態のエネルギーの最大の利点は、私たちの周囲に豊富に存在し、自然に再生可能であることです。
しかし、最新の研究ノートによれば、最も性能の高い圧電材料はしばしば化学元素の鉛（Pb）を含んでおり、がんを引き起こし、脳腫瘍のリスクを高め、DNA修復を妨げる可能性があります。
鉛を含む材料は有害であり、規制当局は環境保護のためにその使用を制限しています。
比較的低い融点を持つ重く可鍛性の自然金属である鉛の毒性を考慮し、材料やデバイスからの使用はますます段階的に廃止されています。
したがって、チームの目標は、鉛を含まず、自然界に一般的に存在する元素を使用して低コストで製造できる材料を作ることでした。
そこで、Rensselaer Polytechnic Institute（RPI）のチームは、鉛を含まないだけでなく、数少ない高性能材料の一つである材料を利用しました。したがって、医療応用、機械、インフラでの使用に最適な候補です。
チームが使用した鉛フリー材料は、圧電性を示すカルコゲン化物ペロブスカイト族に属しています。研究で使用された組成は BaZrS3 で、顕著な圧電応答を示すと報告されています。
カルコゲン化物ペロブスカイトは近年大きな注目と進展を集めています。この化合物族はペロブスカイト構造に関連しており、低毒性、高安定性、直接バンドギャップ、優れたキャリア輸送能力、強い光吸収など多くの有利な特性を持ちます。
これらの特性により、ペロブスカイトは太陽光発電、光検出器、発光デバイス、光触媒などの応用で際立っています。
興味深いことに、ほとんどの高性能圧電材料は非中心対称であり、本質的に高い分極性を示します。しかし、研究で使用されたものを含む多くの酸化物ペロブスカイトは中心対称結晶構造を示し、純粋な形では弱い圧電性です。これらの化合物は実際には非極性で、元々ネットの双極子モーメントを欠いています。
双極子モーメントは、圧電材料が応力下でどのように機能するかを示す科学的用語で、材料内の正イオンと負イオンが分離する変形を指します。この双極子モーメントはエネルギーに変換され、電流として利用できます。
しかし、ネットの双極子モーメントがない状態で、チームはどのように圧電性を実現したのでしょうか？ 彼らはカルコゲン化物ペロブスカイト構造内の緩いパッキングを利用してこの問題を克服しました。
グリーンエネルギー応用への技術スケーリング
最新の研究は、中心対称であるにもかかわらず、鉛フリーのカルコゲン化物ペロブスカイト材料は変形すると非常に速く分極可能になることを詳細に示しています。これは、多くの空隙を持つ緩くパックされた単位格子によるものです。
この大きな空隙はイオンの変位を拡大させ、結果として対称性が低下し、変位媒介型双極子モーメントが増幅されます。
チームは BaZrS3 に対して圧電応答フォース顕微鏡（PFM）を実施し、材料の圧電性を確認しました。
PFM は、機能性原子間力顕微鏡（AFM）モデルで、ナノメートルスケールでさまざまな材料の電気機械的特性に関する独自の情報を提供することで認識されています。
チームによれば、カルコゲン化物ペロブスカイト材料の構造対称性は応力下で容易に破壊され、圧電応答が強化されます。確認後、チームは BaZrS3 粒子をポリカプロラクトンに分散させた複合材料を開発しました。
合成された新材料はバリウム、ジルコニウム、硫黄を含み、これらは人体の動きからエネルギーを回収し、電気化学的および電子デバイスに電力を供給するために使用されました。
チームは走行、歩行、指タップ、拍手などの身体動作にさらすことで材料の発電能力をテストしました。実験中に生成された電力は、LED バンクを点灯させ、RPI と表示するのに十分であることが判明しました。
私たちはこの発見と、グリーンエネルギーへの転換を支援する可能性に興奮し、励まされています。
– Nikhil Koratkar, 研究共同著者
彼によれば、この材料は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。Koratkar 氏によると：
加圧荷重が大きく、圧力が加わる表面積が広いほど、効果は大きくなります。
チームが作成したエネルギーハーベスティングフィルムは厚さわずか 0.3 ミリメートルで、建物や高速道路などのさまざまな機械、デバイス、構造物に組み込むことができ、振動や車両が通過する際に電力を生成します。
チームが実施したテストは、この技術が自転車やランナーが装着するデバイスでヘルメットや表示装置を点灯させ、視認性を向上させるなど、多様な用途で有用であることも示しています。
ただし、現時点では概念実証にすぎません。Koratkar 氏は「最終的にはこの種の材料が大規模に実装され、エネルギー生産に実質的な変化をもたらすことを期待しています」と述べました。
次のステップとして、研究者はカルコゲン化物ペロブスカイト化合物全体を調査し、より強力な圧電効果を示す材料を見つけます。そのために、チームは人工知能（AI）と機械学習（ML）を活用します。
「持続可能なエネルギー生産は私たちの未来にとって不可欠です」と、RPI工学部長のシェカール・ガーデ博士は、RPIチームの材料発見への取り組みを称賛し、「世界的な課題に対処するのに役立つ」と述べました。
圧電の変革的インパクト
圧電は1880年にジャックとピエール・キュリーによって初めて確認され、現在では実世界のさまざまな応用で広く利用されています。電気エネルギーと機械エネルギーを直接変換できる能力は、エネルギーハーベスティングデバイスなどの用途で非常に魅力的です。
圧電の最も一般的な例の一つは電気ライターです。ボタンを押すと、スプリングのレバーが圧電結晶に衝突し、この機械的応力が電流を生成し、炎としてガスに点火します。日常生活の至る所で圧電の例を見ることができます。
前回の記事で詳述したように、圧電は現代技術の根本原理となっており、携帯電話やウェアラブルデバイス、減衰システム、洗浄ソリューションから航空宇宙、ソナー、医療診断ツール、アクチュエータまで幅広く利用されています。
その広範な利用に伴い、分野内で多くの進歩が見られました。すべては約半世紀前に人気の圧電セラミック PZT（鉛ジルコニウムチタン酸）と、1964 年に開発されたポリフッ化ビニリデン（PVDF）の開発から始まりました。
それ以来、研究者は圧電デバイスの効率と汎用性を向上させる新素材や技術の開発に取り組んでいます。主要な焦点は、上記の研究で見られたように、鉛の毒性への懸念が高まる中、PZT のような鉛系セラミックの環境に優しい代替品の創出です。
研究者はこの目的のためにバリウムチタン酸塩（BaTiO₃）やカリウムナトリウムニオバート（KNN）などの材料を探索しており、これらは鉛の環境影響なしに圧電特性を提供します。
さらに、PVDF とその共重合体などのポリマー系圧電材料の進歩により、スマートテキスタイル、センサー、医療インプラントへの統合が可能になりました。
圧電ポリマーは、その固有の柔軟性と順応性により、エネルギーハーベスティングに広く研究されており、デバイスが多くの曲げを必要とするウェアラブルデバイスへの統合に適しています。
ウェアラブルエレクトロニクスは従来の硬質エレクトロニクスの革新であり、医療、エネルギー、神経科学、メタバース、持続可能性において革命的なソリューションを提供します。これらのデバイスで圧電を利用することで、企業は頻繁な充電やバッテリーの必要性を減らし、携帯性と安全性を向上させることができます。
ナノテクノロジーの最近の進展により、ナノ構造圧電材料の作製が可能となり、サイズを縮小しながら性能を向上させています。
例えば、量子ドット、ナノワイヤ、グラフェンは、圧電システムの感度と効率を大幅に向上させる可能性があり、柔軟エレクトロニクスや次世代イメージング技術などの応用で非常に有益です。
これらすべての圧電材料のイノベーションはさまざまな産業に新たな可能性を開き、これらの進歩が続くにつれて、圧電材料の世界市場は大幅な成長が見込まれます。
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大規模な成長が待ち受ける
世界の圧電材料市場は、2024 年の 15.2 億ドルから 2032 年には 21.9 億ドルへ成長すると予測されています。
重要なエンドユース産業（電子機器や自動車産業など）の操業制限が需要に深刻な影響を与えた一方で、COVID-19 の影響で酸素計、パイロメータ、電子体温計、自動換気装置など、圧電材料を用いてエネルギー形態を変換する機器の需要が急増しました。この結果、危機期間中のこれら材料の需要にも影響が出たと、圧電材料市場に関するレポートは指摘しています。
地域別に見ると、特に米国市場は今後 8 年で約 2,484.8 億ドルに達すると予測されており、電子機器、IT、通信部門の生産拡大が牽引しています。また、同国の大規模な宇宙探査プログラムもこの成長に寄与します。
一方、アジア太平洋地域の市場規模は 9.9 億ドルで、2023 年に 68.28% のシェアを占めました。この支配は、アジア太平洋が中国、 日本、台湾、インド、韓国などが生産能力を拡大し、電子機器や消費財の製造ハブとして台頭したことによります。
ラテンアメリカの圧電材料市場はまだ初期段階ですが、中東・アフリカでは医療とエレクトロニクス産業の拡大に伴い需要が増加しています。
用途別に見ると、圧電材料市場はセンサー、共振器、発電機・変圧器、アクチュエータ、トランスデューサ、ソナー、音響デバイス、モーター、その他に細分化されています。
これらの中で、センサー部門は、消費者向けエレクトロニクス、製造ライン、自動車など多くの分野での技術応用により、かなりの年平均成長率（CAGR）で拡大すると予測されています。
一方、システムから送られる電気信号を機械エネルギーに変換し、特定の動作を実行するアクチュエータは、ロボットアーム、産業用工作機械の精密制御、車両のブレーキ・加速システムへの応用により、圧電材料市場で最大のシェアを占めると予想されています。
電子レンジ、テレビ、洗濯機、リモコン玩具など、圧電材料を使用して制御・作動させる消費財は、世界市場でのリーダーシップを維持すると予想されます。自動車産業はそれに続き、安定した年平均成長率で成長すると見込まれています。
圧電技術を活用する企業
現在、この分野を推進している企業として、圧電効果を利用した MEMS スピーカーを提供する USound と、圧電アクチュエータ、発電機、変圧器を開発する Noliac が挙げられます。
Kinetic Ceramics も、圧電アクチュエータ、圧電バルブ、固体ポンプ、精密加工、インテリジェントシステム、動作制御システムを専門とする企業です。
Amphenol Corporation の Piezo Technologies (APH ) は、圧電セラミック材料と超音波トランスデューサを専門としています。その製品には、航空宇宙、防衛、自動車、輸送、土木工学で使用されるデバイス、アセンブリ、システムも含まれます。
CTS Corporation (CTS ) は、医療技術、航空宇宙、産業分野で圧電製品を製造しています。時価総額 14.3 億ドルの同社の株価は現在 47.21 ドルで、年初来（YTD）で 7.93% 上昇しています。EPS（TTM）は 1.77、P/E（TTM）は 26.66 で、配当利回りは 0.34% です。
CTS 価格チャート
L3Harris Technologies
この会社は、空、宇宙、陸、海、サイバー領域を結ぶエンドツーエンドの技術ソリューションを提供しています。また、軍事ソナーや音響、医療画像、がん治療、エネルギーハーベスティング分野向けに圧電セラミック形状を設計しています。L3Harris は、軍事および商業顧客向けに PZT、PT、PMN などの高性能圧電セラミックを調合する、70 年以上の材料科学の専門知識を誇ります。
同社の圧電セラミック粉末配合は均一で高性能、微細粒子かつ高密度であり、トランスデューサやがん治療、薬剤送達、画像化、創傷ケアを支援する高度にカスタマイズされた材料など、幅広い用途に適しています。L3Harris の圧電セラミックは、圧力や振動からエネルギーを回収し、無駄になるエネルギーを利用してバッテリー依存を削減し、ワイヤレスセンサーネットワークに電力を供給します。
LHX 価格チャート
執筆時点で、LHX の株価は 248.15 ドルで、今年は 17.82% 上昇し、時価総額は 470 億ドルです。同社の EPS（TTM）は 6.25、P/E（TTM）は 39.72、配当利回りは 1.87% です。L3Harris Technologies (LHX ) は近日中に 2024 年第3四半期の決算を発表する予定ですが、2024年第2四半期の売上高は 45 億ドルで、13% 増加し、営業利益率は 9% でした。
当社は、営業利益率の改善を伴うもう一つの堅調な四半期決算を達成し、運営の卓越性へのコミットメントと、顧客と株主に価値を提供する実行への執拗な注力を反映しています。
– 最高経営責任者 Christopher E. Kubasik
結論
交通量で電力を供給する街灯や、建物の照明を賄う床、車両を充電するタイヤなど、圧電材料はクリーンエネルギー分野を革命的に変える可能性があります。しかし、これらの材料にも課題があるため、鉛フリー圧電材料の開発が求められています。
カルコゲン化物ペロブスカイトのようなこれらの新材料は、持続可能なエネルギーハーベスティング技術における重要な進歩を示しています。低毒性、高安定性、応力下での圧電応答の向上により、圧電材料の可能性を真に実現し、エネルギー生成を革命的に変えることができます。また、研究者が AI を活用してこれらの新材料の探索を続けることで、この分野はバイオ医療デバイス、インフラ、ウェアラブル技術における持続可能なイノベーションへの道を切り開くでしょう。
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