半導体微細加工技術に基づく高密度エネルギ源の研究と携帯ガスタービン発電機への応用

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本年度は、開発を進めている半導体微細加工技術に基づいた携帯ガスタービン発電機の要素のうち、発電機とモータの開発を、前年度に引き続き進めた。設計から、目標とする30Wの静電モータ・発電機を実現するには、幅5μmのエレクトレットが必要となることが分かったが、エレクトレットは小型化すると、従来使われてきたコロナ放電を用いた帯電法では帯電できなくなる。そこで、新たに、水銀を用いた接触帯電を利用したエレクトレット帯電法を開発し、幅5μmのエレクトレットを実現した。しかし、接触帯電でシリコン酸化膜の微小エレクトレットを帯電させたところ、その帯電安定性は、エレクトレットを微小化するにつれて劣化することが明らかになった。この劣化の原因は、エレクトレット表面に吸着した水分が原因であることが予測されたので、表面をフッ素系のシランカップリング剤でフッ素化し、疎水化処理をした。その結果、シリコン酸化膜エレクトレットの帯電安定性が、従来のものと比べて100倍近く向上した。また、理論的な解析によって、線状に加工したエレクトレトの帯電安定性は、その劣化の原因が表面の電気伝導性による場合、エレクトレットの幅の2乗に比例することを明らかにした。この傾向は、本研究における実験結果でも確認できたので、シリコン酸化膜エレクトレットの電荷消失の原因は、表面の電気伝導性によるものと明らかになった。このエレクトレットを用いて、タービン上にモータを配置した試作機を製作した。このタービンとして、本研究では流体力学的に特性の良いシュラウデッドタービンを用いた。この加工には、本研究で開発した、キャビティ貫通エッチングという内部に空間のあるウェハを、一度に貫通反応性イオンエッチングを行うプロセスを利用した。これにより、偏心の少ないシュラウデッドタービンを容易に得ることができた。