2000年度 白鳥研究室

構成

助教授:
白鳥世明
訪問研究員:
林原仁 (プラスト(株)代表取締役)
北村武昭(三重織物株式会社 技術部課長)
中島稔 (古河電気工業(株))
山形由紀(矢崎総業(株))
修士課程:
1年:伊藤孝浩,稲葉行則,井浪雄之,菊地正志,高井広和,山下康之, 山田健史
学部4年:
秋保晋,岡山良樹,櫛田慎哉,鈴木岳登,三井喬士

研究成果

http://www.appi.keio.ac.jp/shiratori/ 参照)

有機薄膜を用いた有害ガス除去フィルタの作製

近年、居住空間の気密性の向上、快適空間の構築に対する要求の高まりにつれ数多くの空気清浄機が出現している。空気清浄機には大別して2種類あり、1つは吸着式のもの、そしてもう1つは分解式のものである。前者は活性炭に代表されるように、基材の多孔性を利用した物理吸着と、基材表面の官能基による化学吸着を主としたものである。これは安価であるが、その吸着性能や耐久性に問題がある。一方後者はプラズマ放電や光触媒に代表されるように、非常に高い酸化力を持つ物質を発生させ、それによりにおい物質を分解する方法である。この場合、耐久性に問題はないが、装置の大型化や高電圧を要するなどの問題がある。 そこで本課題では、多孔質ガラス繊維を基材とし、その上に交互積層法を用い有機薄膜を製膜することにより、基材の孔による即効性のある物理吸着と、有機薄膜による吸着力の強い化学吸着機能を有する空気清浄用フィルタの作製を目的とした。また、除去対象ガスはシックハウス症候群の原因とされるホルムアルデヒドガス、タバコ煙中に多く含まれるアセトアルデヒドガス、アンモニアガス、硫化水素ガスとした。 アルデヒドガス吸着力の強いリン酸ヒドロキシルアミンと、アンモニアなどの塩基性ガスの吸着力の強いポリリン酸を用い交互積層を行った。ガス除去効果に対して累積層数の最適値が存在することが判明し、電子顕微鏡での観察からも、(リン酸ヒドロキシルアミン/ポリリン酸)の交互積層膜は主に基材の孔内に成長していることが分かった。フィルタ性能の点においても既製品を大幅に上回り、タバコ煙の複合ガス中においてもその性能は十分に発揮することが分かった。

有機薄膜を用いたホルムアルデヒドガス、エチレンガス除去用フィルタの作製

本課題では、地球環境破壊の防止、快適空間の追求といった社会ニーズに対応したフィルタの作製を試みた。基材として生分解性発泡剤を用い、それに有機薄膜を添着させることによりフィルタを作製し評価を行った。ホルムアルデヒド除去用フィルタとしては生分解性発泡剤にPAHを添着させたものを使用した。このフィルタの除去システムは、PAHの持つアミノ基とホルムアルデヒドガスとの化学吸着によるものである。一般に弱電解質ポリマーは、その溶液のイオン強度を変化させることにより形状が変化することが知られている。そこで、PAH溶液にNaClを加えることにより溶液のイオン強度を変化させ、それぞれのイオン強度の溶液から作製したフィルタのホルムアルデヒド除去効果を評価した結果、ガス除去効果においてPAH溶液のイオン強度の最適値が存在することが判明した。次にエチレンガス除去用フィルタとしては、生分解性発泡剤に竹から抽出した竹酢液を添着させたものを使用した。このフィルタの除去システムは竹酢液中に含まれるエチレンモノオキシゲナーゼ(エチレン酸化酵素)によるエチレンガスの酸化である。基材に直接竹酢液を添着させたフィルタに比べ、あらかじめPAHが添着された基材の上に竹酢液を添着させたフィルタではエチレンガス除去効果が大幅に上昇した。これはPAHの持つアミノ基にエチレンモノオキシゲナーゼが基材に固定化されためであると考えられる。現在竹酢液中に含まれるエチレンモノオキシゲナーゼによるエチレンガス酸化の機構の詳細を調査中である。

QCM法を用いた交互吸着膜構造最適化

本課題では電解質ポリマー交互吸着膜のブロック単位での膜厚制御を可能とした。一昨年本研究室で開発した質量制御型交互吸着膜自動作製装置では、各吸着槽での電解質ポリマーの吸着量をQCM法によりモニタしフィードバックをかけることにより超薄膜へテロ構造の作製を可能とした。しかしながら、この装置ではリンス槽で脱離する電解質ポリマーの質量を考慮していなかったため、全体としての膜厚制御性に欠けていた。そこで本課題では各吸着槽での電解質ポリマー吸着量をQCM法によりモニタするとともに、電解質ポリマーの総吸着量をモニタすることにより、交互吸着膜作製をより高精度に行うことが可能となった。

AFMによるPAH/PAA交互吸着膜のin-situ観察

電解質ポリマー交互吸着膜は、使用する電解質ポリマー溶液のpHや基板の表面電荷により大きく変化することが知られている。製膜過程において、各層吸着後についての報告は数多くされているが、各層吸着過程においての報告はされていない。そこで本課題では水中AFM観察により、電解質ポリマーの吸着の様子を確認した。その結果、溶液中で吸着した電解質ポリマーの形状は膜乾燥後もほとんど変化しないことが判明した。

交互吸着膜を用いたアンモニアセンサ

従来のアンモニアセンサは半導体を用いたものがほとんどであり、そのほとんどがガス選択性やコスト的に問題を抱えている。そこで本課題ではQCM基板上にPAH/PAA交互吸着膜を製膜し、これをアンモニアセンサとして用いた際の評価を行った。このセンサの原理は、PAAの持つカルボキシル基とアンモニアとが化学結合を起こし、その結果QCM基板上の交互吸着膜の膜質量が増加し、その質量増加をQCMの共振周波数の低下として現れるものである。本課題で作製したセンサは、恒温恒湿セル内においてはアンモニアガス濃度とQCM共振周波数の低下との間に線型性が認められた。しかし、このセンサは外乱(温度、湿度、振動)に対して非常に弱いという欠点を持つため、その改善策を検討中である。

有機/無機複合膜によるオプティカルフィルタの作製

本課題では、ウェットプロセスにより作製された有機/無機複合膜による特定波長帯域のみ透過する光学フィルタを作製し評価した。屈折率の異なる2種類の膜を膜厚λ/4(λ:光の波長)で積層し、膜の中に欠陥層を組み入れることにより、特定の波長帯域のみを透過する光学フィルタを作製することができる。そこで、本課題ではまずコンピュータシミュレーションにより透過波長の欠陥層依存を示した。そして一昨年本研究室で開発された各層膜厚制御可能な質量制御型交互吸着膜自動作製装置を用い、屈折率の高いチタニアと、屈折率の低い電解質ポリマーとをゾル・ゲル法により作製した。現在は更なる物質の選定と、作製した膜の光学特性両面において進展中である。

Ru錯体を用いた有機EL素子の作製

近年、低電圧駆動、高輝度発光などの面から次世代ディスプレイとして有機EL素子が注目されている。本研究ではRu錯体をスピンコート法によりITO基板上に製膜し、乾燥温度による発光特性の変化を調べた。その結果、乾燥温度により素子の電流-電圧特性、発光強度が大きく変化することが分かった。Ru錯体はウェットプロセスにおける発光材料として期待でき、発光の中心波長も詳細に制御できることを見出した。また、電気化学発光特有のレスポンスの遅さも、伝導性高分子との複合化により、著しく改善できることをみいだした。さらに、交互積層法により、量子効率を高めることができるため、ウェットプロセスによる発光素子の作製法として期待できよう。交互積層法は水溶性ポリマーはもちろん、有機溶媒系にも適応できるため、より多くの材料系に適応可能である。

発表論文・学会発表など

論文

  • Seimei Sha Shiratori, Kazuki Kouno and Masayoshi Yamada, “High Performance Smell Sensor Using Spatially Controlled LB Films with Polymer Backbone Sensors & Actuators B 64 (2000) p.70-75.
  • Masayoshi Yamada and Seimei Sha Shiratori, “Smoke Sensor Using Mass Controlled Layer-by-layer Self-assembly of Polyelectrolytes Films”, accepted for publication in Sensors & Actuators B 64 (2000) p.124-127
  • Seimei S. Shiratori and Masayoshi Yamada, “Nano-scale Control of Composite Polymer Films by Mass-controlled Layer-by-layer Sequential Adsorption of Polyelectrolytes”, accepted for publication in Polymers for Advanced Technologies,2000.
  • Seimei S.Shiratori, Yuji Inami, Masashi Kikuchi, Masayoshi Yamada and Takeshi Yamada, “High Performance Polymer Films for Air Cleaning Filter Fabricated by Mass-controlled Layer-by-layer Adsorption of Polyelectrolytes”, Transaction of the Materials Research Society of Japan 25[2]401-404(2000).
  • S.S.Shiratori and M.F.Rubner, “pH-Dependent Thickness Behavior of Sequentially Adsorbed Layers of Weak Polyelectrolytes”, Macromolecules, 2000,33,4213-4219.
  • 白鳥 世明、「交互吸着自己組織化膜のナノ構造制御とデバイス応用」、応用物理、第69巻、第5号、p.553-557(2000年)
  • Seimei Shiratori and Takahiro ITO, “Formation of Ultra-thin Organic Films by Micelle-Wrapping Sequential Adsorption Method”, IEICE Transactions on Electronics., Vol.E83-C,No.7,p.1094-1098,(2000).
  • S.Shiratori and K.Kohno, “Molecular Architecture for the Sensing Film of High Sensitivity Smell Sensor by Molecular Arrangement Control of Self-assembly Film”, Techinical Digest of the 17th Sensor Symposium 2000, pp.313-316. (2000)
  • M.Kikuchi, Y.Inami and S.Shiratori, “Removal of Smell from Ammonia by Using Layer-by-Layer Self Assembly Film” Techinical Digest of the 17th Sensor Symposium 2000, pp.317-320.(2000)
  • Y.Inami, M.Kikuchi, Y.Yamashita and S.Shiratori, “Smoke Filter for Smokeless Ashtray Using Layer-by-Layer Self-Assembly Film”, Techinical Digest of the 17th Sensor Symposium 2000, pp.333-336.(2000).
  • Y.Yamashita and S.Shiratori, “Construction of Comfortable Space Using an Active Smoke Detector System”. Techinical Digest of the 17th Sensor Symposium 2000,pp.337-340(2000).
  • Seimei Shiratori, Kazuki Khono, “Development of a Highly Sensitive Sensing Film of a Gas Sensor by Molecular Arrangement Control of Self-assembled Film”, Trans.IEE of Japan, Vol.121-E, No.5, May,2001.
  • 白鳥 世明 他、「界面の電気化学とその応用」、電気学会技術報告“有機配列制御膜の界面電子現象評価技術と電子・光機能素子の現状と将来” 第778号、(2000) 4月、 p.51-66

口頭発表

  • 河野一樹、山下康之、白鳥世明、 “ポリマー裏打ち構造をもつLB膜による分子ふるい(2)”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1238, 28a-Y-3, 2000.03.
  • 片山剛、稲葉行則、伊藤孝浩、白鳥世明、 “BBOTバッファ層を付加したRu錯体EL素子”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1308, 31a-H-10, 2000.03.
  • 稲葉行則、樋口昌芳、山元公寿、白鳥世明、 “有機溶媒中での交互吸着法によるRu錯体EL素子”、 第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1309, 31a-H-11, 2000.03.
  • 山田健史、白鳥世明、 “電解質ポリマー交互吸着膜吸着過程のAFM像観察”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1310, 30p-X-3, 2000.03.
  • 菊地正志、井浪雄之、白鳥世明、 “交互吸着膜のタバコ副流煙・におい分子に対するフィルタ効果”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1310, 30p-X-4, 2000.03.
  • 伊藤孝浩、白鳥世明、 “表面ゾルゲル法による酸化物超薄膜の自動累積”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集、No.3, p1311, 30p-X-6, 2000.03.
  • 白鳥世明、 “質量制御交互吸着法による化学センサ/高機能フィルタの作製と応用”、第47回応用物理学関係連合講演会講演予稿集シンポジウム講演、No.0,p40,29p-W-6,2000.03.
  • 林 洋輔、佐藤徹哉、白鳥世明、 “交互吸着によるBaFe12O19微粒子累積膜の作成”、第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集、p.132,3p-V-13,2000.9.3.
  • 鈴木岳登、櫛田慎哉、井浪雄之、林原仁、白鳥世明、”電解質ポリマーフィルターによるホルムアルデヒドの除去効果”、p.1059, 4a-ZG-10/III,2000.9.4.
  • 山田健史、山本陽徳、松田学、今井宏明、白鳥世明、 “電解質ポリマー交互吸着膜の構造制御”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1129,5p-ZG-4,2000,9.5.
  • 岡山良樹、伊藤孝浩、白鳥世明、 “質量制御型交互吸着法のフィードバック定数最適化”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1129,5p-ZG-5,2000,9.5.
  • 菊地正志、井浪雄之、白鳥世明、 “交互吸着膜を用いた悪臭の除去”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1129,5p-ZG-6,2000,9.5.
  • 井浪雄之、菊地正志、櫛田慎哉、鈴木岳登、白鳥世明、 “電解質ポリマー薄膜による悪臭除去効果”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.383, 6a-ZQ-10,2000.9.6.
  • 山下康之、井浪雄之、白鳥世明、 “能動煙センサを用いた空気清浄システム”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.383、6a-ZQ-11, 2000.9.6.
  • 稲葉行則、樋口昌芳、山元公寿、白鳥世明、 “Li塩混合PEOによるRu錯体有機EL素子の高機能化”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1119,6p-ZH-8,2000,9.6.
  • 三井喬士、稲葉行則、樋口昌芳、山元公寿、白鳥世明, “PSSLiを用いた交互吸着法によるRu錯体有機EL素子”、 第61回応用物理学会学術講演会講演予稿集p.1119, 6p-ZH-9, 2000, 9.6.
  • 白鳥世明、伊藤孝浩、 “質量制御型交互積層による1次元フォトニック結晶の構築”、電子情報通信学会2000年エレクトロニクスソサイエティ大会、講演論文集2、p.127, C-13-4,2000.10.1
  • 高井広和、井浪雄之、北村武昭、白鳥世明、”低分子量化合物を用いた交互吸着膜の作製”、 第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、28p-ZH-12,2001.3.28.
  • 山田健史、白鳥世明、”水溶性ポリアニリン誘導体を用いた交互吸着膜の作製”、 第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 28p-ZH-13,2001.3.28.
  • 岡山良樹、伊藤孝浩、白鳥世明、”交互積層法における吸着量の多重監視と水晶振動子交換の影響”、第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 28p-ZH-14,2001.3.28.
  • 菊地正志、渋江明、白鳥世明、”交互吸着法を用いた湿度センサ用保護フィルタ”、第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 28p-ZH-15,2001.3.28.
  • 山下康之、鈴木岳登、白鳥世明、”QCMを用いたエチレンガスセンサ”、 第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 29p-ZG-6,2001.3.29.
  • 鈴木岳登、山下康之、白鳥世明、”電解質ポリマーと竹酢の複合膜によるエチレンガスの吸着”、 第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 29p-R-12,2001.3.29.
  • 井浪雄之、高井広和、北村武昭、白鳥世明、”交互吸着膜を用いたケミカルフィルタの特性評価” 、第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 30p-ZW-9,2001.3.30.
  • 櫛田慎哉、菊地正志、井浪雄之、北村武昭、白鳥世明、”交互吸着膜を用いた空気清浄用フィルタの作製”、第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 30p-ZW-10,2001.3.30.
  • 稲葉行則、樋口昌芳、山元公寿、白鳥世明、”交互吸着法によるPPV薄膜の作製” 第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 30p-ZW-11,2001.3.30.
  • 伊藤孝浩、白鳥世明、“湿式薄膜作製法による有機・無機ヘテロ構造”、第48回応用物理学会関係連合講演予稿集、 30p-ZW-12,2001.3.30.
  • 白鳥世明、伊藤孝浩、「質量制御型交互積層による1次元フォトニック結晶の構築」、電子情報通信学会2000年エレクトロニクスソサイエティ大会、講演論文集2、p.127, C-13-4,2000.10.1
  • 山田健史、白鳥世明、 “電解質ポリマー交互吸着膜形成過程のin-situ液中AFM像観察”、信学技報、OME2000-18,p.35-40(2000.05).
  • 稲葉行則、樋口昌芳、山元公寿、白鳥世明、 “有機溶媒交互積層法によるRu錯体EL素子”、信学技報、US2000-24,EMD2000-20,CPM2000-35,OME2000-30,p.1-4(2000.07).
  • 伊藤孝浩、白鳥世明、 “ウェットプロセス交互積層による誘電体多層膜の形成”、信学技報、US2000-26,EMD2000-22,CPM2000-37,OME2000-32,p.11-16(2000.07).
  • 白鳥世明、櫛田慎哉、鈴木岳登、井浪雄之、菊地正志、山下康之、 “ハイブリッドケミカルフィルタによる室内アルデヒドの除去とセンシング”、信学技法、OME2000-97,p.51-56 (2000.08).
  • 白鳥世明、菊地正志、井浪雄之、 “交互積層ハイブリッドフィルタによる悪臭の除去と環境モニタリング”、電気学会ケミカルセンサ研究会資料、CHS-00-58,p.11-16(2000.9.13).
  • 白鳥世明、稲葉行則、樋口昌芳、山本公寿、 “Ru錯体を用いた有機EL素子の動作特性”、信学技法、OME2000-140,p.75-80,(2000-10).

展示会出品

  • 交互吸着膜を用いたハイブリッドケミカルフィルタによるホルムアルデヒドの除去」 センサ総合展2000、日本工業新聞社、東京ビッグサイト・有明、2000年4月26日~28日
  • 「環境対応壁材・環境対応緩衝材」テクノトランスフェア2000inかわさき、2000年7月12日~14日、かながわサイエンスパーク、(株)東洋プラストと共同出展
  • 「ハイブリッドフィルタによるホルムアルデヒドの除去」特許流通フェア2000秋、特許庁/ 関東通商産業局、2000年9月26日~28日、東京国際展示場(東京ビックサイト)・有明、(株)東洋プラストと共同出展

その他(記事、新聞発表)

  • 日刊工業新聞 2000年7月3日
  • 日刊工業新聞 2000年7月6日
  • 日刊工業新聞 2000年7月11日
  • 日刊工業新聞 2001年1月11日

申請特許

国内8件

  • 白鳥世明、「多層ヘテロ構造およびこれを用いた光学素子ならびにその製造方法」、特願2000-173648.
  • 白鳥世明、他3名、「新規化合物、それを用いた発光材料及び有機EL素子」、 特願2000-370365
  • 白鳥世明、他3名、「発光材料及び有機EL素子」、特願2000-370366
  • 白鳥世明、他3名、「有機EL素子の発光波長計測方法及び装置」、特願2000-370367.
  • 白鳥世明、「エチレンガス用吸収材と梱包材」、「エチレンガス除去方法と濃度制御方法」、「エチレンガスセンサと定量方法」、3件 特願2001-064513、特願2001-064514、特願2001-064515
  • 白鳥世明、他2名 「吸着剤およびその製造方法」 特願2001-088020

■学位論文

卒業論文

  • 秋保 晋:Ru錯体有機EL素子作製過程の熱処理条件による特性変化
  • 岡山良樹:吸着プロセスの多重制御による交互積層法の膜厚制御性の向上
  • 櫛田慎哉:ポリマー薄膜を用いた空気清浄フィルタ
  • 鈴木岳登:におい分子吸着ケミカルフィルタ及びセンサーの作製
  • 三井喬士:高分子電解質交互吸着法を用いた有機EL素子

■進路

富士通、フジテレビ、慶應義塾大学大学院理工学研究科

■助成

  • 平成12年度 三菱財団研究助成
  • 平成12年度 東電記念科学技術研究助成
  • 平成12年度 財団法人日本板硝子材料工学助成会研究助成
  • 平成12年度 科学技術振興事業団独創的研究成果育成事業

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics