本発明において、アクチュエータ素子の� ��極層に使用する導電性薄膜には、カーボン� ��ノチューブ、ポリマー、イオン液体と導電� ��助剤が使用される。

 本発明に用いられるイオン液体(ionic liqui d)とは、常温溶融塩または単に溶融塩などと� ��称されるものであり、常温(室温)を含む幅� �い温度域で溶融状態を呈する塩であり、例� �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� ��明で使用するイオン液体はイオン導電性が� ��いものが好ましい。

 本発明においては、各種公知のイオン液体� ��使用することができるが、常温(室温)また� �常温に近い温度において液体状態を呈する� �定なものが好ましい。本発明において用い� �れる好適なイオン液体としては、下記の一� �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� ��オン)と、アニオン(X ^- )より成るものが挙げられる。

 上記の式(I)~(IV)において、Rは直鎖又は分枝� ��有するC ₁ ~C ₁₂ アルキル基または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� �ルキル基を示し、式(I)においてR ¹ は直鎖又は分枝を有するC ₁ ~C ₄ アルキル基または水素原子を示す。式(I)にお いて、RとR ¹ は同一ではないことが好ましい。式(III)およ� ��(IV)において、xはそれぞれ1~4の整数である� �

 直鎖又は分枝を有するC ₁ ~C ₁₂ アルキル基としては、メチル、エチル、n-プ� ��ピル、イソプロピル、n-ブチル、イソブチ� �、sec-ブチル、t-ブチル、ペンチル、ヘキシ� �、ヘプチル、オクチル、ノニル、デシル、� �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� ��る。

 直鎖又は分枝を有するC ₁ ~C ₄ アルキル基としては、メチル、エチル、n-プ� ��ピル、イソプロピル、n-ブチル、イソブチ� �、sec-ブチル、t-ブチルが挙げられる。

 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、CH ₂ OCH ₃ 、(CH ₂ ) _p (OCH ₂ CH ₂ ) _q OR ² (ここで、pは1~4の整数、qは1~4の整数、R ² はCH ₃ 又はC ₂ H ₅ を表す)が挙げられる。

 アニオン(X ^- )としては、テトラフルオロホウ酸イオン(BF ₄ ^- )、BF ₃ CF ₃ ^- 、BF ₃ C ₂ F ₅ ^- 、BF ₃ C ₃ F ₇ ^- 、BF ₃ C ₄ F ₉ ^- 、ヘキサフルオロリン酸イオン(PF ₆ ^- )、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミ ド酸イオン((CF ₃ SO ₂ ) ₂ N ^- )、過塩素酸イオン(ClO ₄ ^- )、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)炭 素酸イオン(CF ₃ SO ₂ ) ₃ C ^- )、トリフルオロメタンスルホン酸イオン(CF ₃ SO ₃ ^- )、ジシアンアミドイオン((CN) ₂ N ^- )、トリフルオロ酢酸イオン(CF ₃ COO ^- )、有機カルボン酸イオンおよびハロゲンイ� �ンが例示できる。

 これらのうち、イオン液体としては、例え� ��、カチオンが1-エチル-3-メチルイミダゾリ� �ムイオン、[N(CH ₃ )(CH ₃ )(C ₂ H ₅ )(C ₂ H ₄ OC ₂ H ₄ OCH ₃ )] ⁺ 等であり、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等のものが、具体的 に挙げられる。なお、カチオン及び/又はア� �オンを2種以上使用し、融点をさらに下げる� ��とも可能である。

 ただし、これらの組み合わせに限らず、イ� ��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。

 本発明に用いられるカーボンナノチュー� ��は、グラフェンシートが筒形に巻いた形状� ��ら成る炭素系材料であり、その周壁の構成� ��から単層ナノチューブ(SWNT)と多層ナノチュ� ��ブ(MWNT)とに大別され、また、グラフェンシ� ��トの構造の違いからカイラル(らせん)型、� �グザグ型、およびアームチェア型に分けら� �るなど、各種のものが知られている。本発� �には、このような所謂カーボンナノチュー� �と称されるものであれば、いずれのタイプ� �カーボンナノチューブも用いることができ� �。

 実用に供されるカーボンナノチューブの� ��適な例として、一酸化炭素を原料として比� ��的量産が可能なHiPco(カーボン・ナノテクノ� ��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。

 本発明に用いられるポリマーとしては、� ��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� ��フッ素化オレフィンとパーフッ素化オレフ� ��ンの共重合体、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)� ��どの水素原子を有するフッ素化オレフィン� ��ホモポリマー、パーフルオロスルホン酸(Naf ion,ナフィオン)、ポリ-2-ヒドロキシエチルメ� ��クリレート(poly-HEMA)、ポリメチルメタクリ� �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� ��リル(PAN)などが挙げられる。

 導電補助剤としては、例えば、導電性高� ��子、メソポーラス無機材料、金属酸化物、� ��素粒子、金微粒子などが挙げられる。

 導電補助剤の添加により電極の電子導電� ��の向上、および、CNTとポリマーが形成する� ��分子の網の目の充填化、さらに発生圧力の� ��上が期待できる。

 導電性高分子としては、例えば、ポリアセ� ��レン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポ� ��ピロール、ポリフルオレン、ポリフェニレ� ��、ポリフェニレンサルファイド、ポリ(1,6-� �プタジイン)、ポリビフェニレン(ポリパラフ ェニレン)、ポリパラフェニレンスルフィド� �ポリフェニルアセチレン、ポリ(2,5-チエニレ ン)、ポリインドール、ポリ-2,5-ジアミノアン トラキノン、ポリ(o-フェニレンジアミン)、� �リ(キノリニウム)塩、ポリ(イソキノリニウ� �)塩、ポリピリジン、ポリキノキサリン、ポ� ��フェニルキノキサリン等を挙げることがで� ��る。これらの導電性ポリマー は、種々の� �換基を有していてもよい。このような置換� �の具体例として、例えば、直鎖又は分枝を� �するC ₁ ~C ₁₂ アルキル基、水酸基、直鎖又は分枝を有する C ₁ ~C ₁₂ アルコキシ基、アミノ基、カルボキシル基、 スルホン酸基、ハロゲン基、ニトロ基、シア ノ基、直鎖又は分枝を有するC ₁ ~C ₁₂ アルキルスルホン酸基、ジ(直鎖又は分枝を� �するC ₁ ~C ₄ アルキル)アミノ基等を挙げることができる� �

 導電性高分子を用いた場合、伸縮率が大� ��く向上するだけでなく、発生力も高いため� ��好ましい。特に、その効果は低周波数域で� ��著であるが、添加量を調整すると1Hz程度の� ��波数でも、導電性高分子を用いない場合に� ��べ、伸縮率、発生力とも向上させることが� ��能である。

 メソポーラス無機材料は、一次元細孔が� ��則的に配列した構造を有するメソポーラス� ��機材料である。「一次元細孔が規則的に配� ��した構造」とは、均一な孔径を有し、一次� ��細孔が規則的に配列された構造であれば特� ��限定されることはない。規則的に配列され� ��とは、細孔が一軸配向性を有して整列して� ��ることを意味する。均一な孔径とは、各細� ��の孔径が一定の範囲内であることをいう。� ��径の大きさは適宜設定し得るが、通常1~30nm� ��好ましくは1.5~15nmである。細孔の大きさは� �界面活性剤を変えることにより作り分ける� �とができる。一次元細孔が規則的に配列し� �構造としては、具体的には、ヘキサゴナル� �造、オルソロンビック構造、モノクリニッ� �構造が挙げられる。

 このようなメソポーラス無機材料は、規� ��的な細孔構造を形成し得る界面活性剤を鋳� ��として調製することができる。

 メソポーラスの無機材料としては、適宜� ��望のものを用いることができる。例えば、� ��リカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ、� ��リカ-アルミナ、シリカ-チタニア、リン酸� �ズ、リン酸ニオブ、リン酸アルミニウム、� �ン酸チタン、ならびにそれらの酸化物、窒� �物、硫化物、セレン化物、テルル化物又は� �合酸化物、複合塩などを用いることができ� �。これらのうち、特にシリカ等の含ケイ素� �化物が耐熱性、耐薬品性、及び機械的特性� �優れる点で好ましい。

 好ましいメソポーラス無機材料は、MCM-41で� ��る。MCM-41は、CNTと同程度の空孔径(2.7nm)、比 表面積(~1000m ² /g)を持つ規則構造体(ハニカム構造)であり、C NTの添加量を少なくでき、コスト的に有利で� ��るばかりでなく、イオン液体を効率よく移� ��させる一次元チャンネルとしても機能でき� ��。理論に拘束されることを望まないが、本� ��明者は、メソポーラス無機材料はカチオン� ��効率的な吸着もしくは電極の鋳型に使用で� ��ると考えている。

 金属酸化物としては、例えば、酸化チタン( TiO ₂ )、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO ₂ )、酸化アルミニウム(Al ₂ O ₃ )、酸化ルテニウム(RuO ₂ )等を挙げることができる。

 炭素粒子としては、例えば、カーボンブ� ��ック、ケッチェンブラック、アセチレンブ� ��ック、人造黒鉛、炭素繊維、ファーネスブ� ��ック、チャンネルブラック、ランプブラッ� ��、サーマルブラック等を挙げることができ� ��。

 炭素粒子を用いた場合、導電性高分子を� ��いた場合と同様、伸縮率および発生力の大� ��な向上が見られる。また、適量の炭素粒子� ��用いることにより、より広い周波数域(200Hz~ 5mHz)で伸縮率および発生力の向上が見られる� ��め、好ましい。

 これらの導電補助剤は、一種単独で、ま� ��は二種以上を組み合わせて用いることがで� ��る。

 アクチュエータ素子の電極層に使用され� ��導電性薄膜層は、カーボンナノチューブ、� ��オン液体、ポリマー及び導電補助剤から構� ��される。

 導電性薄膜層中のこれらの成分の好ましい� ��合割合は:
カーボンナノチューブ:
3~90重量%、好ましくは16.6~70重量%、より好ま� �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� ��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� �くは11~64重量%;
である。

 導電補助剤は、カーボンナノチューブ、� ��オン液体及びポリマーの合計量100重量部に� ��し3~90重量部、好ましくは4~65重量部配合さ� �る。

 本発明のアクチュエータ素子としては、� ��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導 電補助剤を含む導電性薄膜層(電極層)2,2で挟� ��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� �のアクチュエータ素子であってもよい(図2B)� �。

 電解質膜の表面に導電性薄膜層を形成し� ��アクチュエータ素子を得るには、カーボン� ��ノチューブ、イオン液体、ポリマーおよび� ��電補助剤を溶媒に分散した電極用ゲル溶液� ��イオン液体およびポリマーからなる電解質� ��ゲル溶液を交互にキャスト法により塗布、� ��燥、積層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� ��得た電解質膜の表面に、同様に別途、キャ� ��ト、乾燥することにより得た導電性薄膜を� ��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� ��て得ることもできる。導電補助剤を配合し� ��カーボンナノチューブにイオン液体を染み� ��ませる。あるいは、導電補助剤を配合した� ��ーボンナノチューブにイオン液体とポリマ� ��を溶媒に分散させたイオン液体ゲルの溶液� ��染み込ませる、あるいは、溶液中に導電補� ��剤を配合したカーボンナノチューブを浸し� ��その後、溶媒を乾燥させることによって得� ��ことができる。電解質膜は、イオンゲル溶� ��をキャスト法により製膜し、溶媒を蒸発、� ��燥させることによって得ることができる。

 本発明では、導電補助剤、カーボンナノ� ��ューブとイオン液体、必要に応じてさらに� ��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。� ��成分が均質混合された分散液を調製するた� ��には、溶媒を用いるのが好ましく、例えば� ��水性溶媒と親水性溶媒の混合溶媒を使用す� ��のが特に好ましい。

 親水性溶媒としては、エチレンカーボネ� ��ト、プロピレンカーボネート、ジメチルカ� ��ボネート、ジエチルカーボネート、メチル� ��チルカーボネート、プロピレンカーボネー� ��、ブチレンカーボネートなどのカーボネー� ��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� ��素数1~3の低級アルコール、アセトニトリル� ��が挙げられる。疎水性溶媒としては、4-メ� �ルペンタン-2-オンなどの炭素数5~10のケトン� ��、クロロホルム、塩化メチレンなどのハロ� ��ン化炭化水素類、トルエン、ベンゼン、キ� ��レンなどの芳香族炭化水素類、ヘキサン、� ��クロヘキサン等の脂肪族又は脂環式炭化水� ��類、N,N-ジメチルアセトアミド等が挙げられ る。

 本発明の導電性薄膜を製造するための分� ��液は、導電補助剤、イオン液体とカーボン� ��ノチューブを混練してゲル化させ、その後� ��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、イオン液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、� �電補助剤、カーボンナノチューブ、イオン� �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� ��と疎水性溶媒の混合溶媒、イオン液体が疎� ��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。 その場合、各成分を混合するのに超音波によ る分散も有効である。

 いったんゲル化させた後に分散液を調製� ��る場合、混合溶媒の割合としては、親水性� ��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。

 また、ゲル化のプロセスなしに分散液を� ��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。単一溶媒を用いることもでき、そ の場合、N, N-ジメチルアセトアミドが好まし い。

 導電性薄膜層は、導電補助剤、カーボン� ��ノチューブ、イオン液体及びポリマーを含� ��高分子ゲルから構成される。

 導電性薄膜層中の(導電補助剤+カーボン� �ノチューブ+イオン液体)と(ポリマー)の配合� ��(重量比)は、(導電補助剤+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� �好ましく、(導電補助剤+カーボンナノチュー ブ+イオン液体):(ポリマー)=1:1~3:1であるのが� �り好ましい。この配合の際には、親水性溶� �と疎水性溶媒との混合溶媒を用いる。導電� �助剤とカーボンナノチューブとイオン液体� �混合して予めゲルを形成し、このゲルにポ� �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、(導電補助剤+カーボンナノ� ��ューブ+イオン液体):(ポリマー)は、より好� �しくは1:1~3:1である。

 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� �きるだけ除去しておくのが好ましい。

 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� ��しいイオン伝導層は、このゲル状組成物を� ��る際の親水性イオン液体とポリマーの配合� ��(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:� ��リマー=1:2~2:1であるのがより好ましい。こ� �配合の際にも、上記と同様に、親水性溶媒� �疎水性溶媒とを任意の割合で混合した溶媒� �用いるのが好ましい。

 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。

 導電性薄膜層とイオン伝導層に使用する� ��リマーは同一であっても異なっていてもよ� ��が、両者は同一であるか、性質の類似した� ��リマーであるのが、導電性薄膜層とイオン� ��導層の密着性を向上させるのに好ましい。

 電解質膜の厚さは、5~200μmであるのが好� �しく、10~100μmであるのがより好ましい。導� �性薄膜層の厚さは、10~500μmであるのが好ま� �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、� �刷、スプレー等も用いることができる。さ� �に、押し出し法、射出法等も用いることが� �きる。

 このようにして得られたアクチュエータ� ��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� �以内に素子長の0.05~1倍程度の変位を得るこ� �ができる。また、このアクチュエータ素子� �、空気中あるいは真空中で、柔軟に作動す� �ことができる。

 このようなアクチュエータ素子の作動原� ��は、図3に示すように、電解質膜1の表面に� �互に絶縁状態で形成された導電性薄膜層2,2� �電位差がかかると、導電性薄膜層2,2内のカ� �ボンナノチューブ相とイオン液体相の界面� �電気二重層が形成され、それによる界面応� �によって、導電性薄膜層2,2が伸縮するとい� �ものである。図3に示すように、プラス極側� ��曲がるのは、量子化学的効果により、カー� ��ンナノチューブがマイナス極側でより大き� ��のびる効果があることと、現在よく用いら� ��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� ��し、5はイオン液体のアニオンを示す。

 上記の方法で得ることのできるアクチュ� ��ータ素子によれば、カーボンナノチューブ� ��イオン液体とのゲルの界面有効面積が極め� ��大きくなることから、界面電気二重層にお� ��るインピーダンスが小さくなり、カーボン� ��ノチューブの電気伸縮効果が有効に利用さ� ��る効果に寄与する。また、機械的には、界� ��の接合の密着性が良好となり、素子の耐久� ��が大きくなる。その結果、空気中、真空中� ��、応答性がよく変位量の大きい、且つ耐久� ��のある素子を得ることができる。しかも、� ��造が簡単で、小型化が容易であり、小電力� ��作動することができる。さらに、カーボン� ��ノチューブに導電性の添加剤を加えること� ��より、電極膜の導電性および充填率が向上� ��、従来の同様の素子より、効率的に力の発� ��が起こる。

 本発明のアクチュエータ素子は、従来の� ��ーボンナノチューブ、イオン液体と支持高� ��子からなるアクチュエータ素子(特許文献1)� ��比較して、伸縮性能および発生力が飛躍的� ��向上している。また、本発明のアクチュエ� ��タ素子は、空気中、真空中で耐久性良く作� ��し、しかも低電圧で柔軟に作動することか� ��、安全性が必要な人と接するロボットのア� ��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)、� �た、宇宙環境用、真空チェンバー内用、レ� �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� �れ防止用などの医療、福祉用ロボット、ブ� �ーキ、さらにはマイクロマシーンなどのた� �のアクチュエータとして最適である。

 特に、純度の高い製品を得るために、真� ��環境下、超クリーンな環境下での材料製造� ��おいて、純度の高い製品を得るために、試� ��の運搬や位置決め等のためのアクチュエー� ��の要求が高まっており、全く蒸発しないイ� ��ン液体を用いた本発明のアクチュエータ素� ��は、汚染の心配のないアクチュエータとし� ��、真空環境下でのプロセス用アクチュエー� ��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� ��成は少なくとも2層必要であるが、図4に示� �ように、平面状の電解質膜1の表面に多数の� ��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� �、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。� �の素子により、細管内に挿入できるような� �クチュエータが実現可能である。