主要成果
本研究では、水ベースのカーボンナノファイバー（CNF）インクを綿布にディップコーティングすることで、n型熱電特性を持つテキスタイルを実現しました。特に、高濃度のインクを用いたPR 24グレードのCNFコーティング布において、最高の性能が確認されました。この布は、パワーファクター約1.2 × 10^-3 μW/m·K^2を達成し、熱伝導率は0.06 W/m·Kという低値を記録しました。これは未処理の綿布の約2倍に過ぎず、一般的なカーボンナノチューブ充填ポリマー複合材よりも大幅に低い値です。
技術・詳細
研究チームは、化学気相成長法（CVD）で合成された2種類のPyrograf III CNF（PR 24 LHT XTおよびPR 25 PS XT）を使用しました。これらは後処理の熱処理温度が異なり、PR 24は1,500℃、PR 25は700℃で処理されています。透過電子顕微鏡（TEM）による解析では、両者とも中空の管状コアを持つ二層構造であることが分かりましたが、直径はPR 24が80〜100 nm、PR 25が125〜150 nmと差があり、PR 24の方が結晶性が高いことがラマン分光法で確認されました。
布への適用は、界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム）で安定化した水性インクを用い、濃度を1.6、3.2、6.4 mg/mLの3段階で検証しました。走査電子顕微鏡（SEM）の観察では、最高濃度の6.4 mg/mLにおいて、CNFがもつれたマット状に布表面を完全に覆うことが確認されました。熱重量分析では、コーティング後の布は300℃まで熱的に安定しており、最高濃度では重量比で約8〜9%のCNFが含まれていることが示されました。
電気的特性については、インク濃度によって挙動が異なります。低濃度では直径の太いPR 25の方が導電性が高く（5.1 S/m）、高濃度ではPR 24がリードし、35.4 S/m（PR 25は23.2 S/m）に達しました。また、両者とも負のゼーベック係数を示し、n型伝導であることが確認されました。特にPR 24ベースのテキスタイルは約-6 μV/Kに達し、これは原料のCNF単体よりも高い値です。研究チームは、この向上はセルロース分子とグラファイト面間の吸着による電子ドーピングや、残留界面活性剤の影響であると考えています。
背景・業界の文脈
熱電テキスタイルの核心は、温度差から電圧を発生させる「ゼーベック効果」にあります。人体は通常37℃前後の温度を維持しており、周囲環境との温度勾配を利用できれば、電池なしでスマートテキスタイルのデバイスを駆動させることが可能です。綿はファッション業界で最も広く利用されており、肌触りが良くコーティング技術との相性も良いため、理想的な基材とされています。しかし、綿の布地特性を損なわずに導電性を持たせることは困難であり、粉末状のカーボン材料をインク化して適用する手法が有効な解決策となります。
今後の展望
今回の研究により、CNFのグレード選択よりもインクの濃度が電気的性能に決定的な影響を与えることが明らかになりました。この知見は、衣服に直接組み込むウェアラブル電源の設計プロセスを簡素化し、最適化するための重要な指針となります。
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