2018年5月6日日曜日

熱電ウォッチ インプレッションその2

「世界初の熱電スマートウォッチ」MATRIX社のPOWERWATCHについて、その1では一般ユーザー目線での感想を書きましたが、その2として、研究者・技術者目線での感想を書きたいと思います。

MATRIX社のTECHNOLOGYのページを見てもわかるように、このPOWERWATCHは、従来からある典型的な熱電モジュールを使っているように見えます。熱電材料の種類について具体的な発表は見つけられませんでしたが、CEOがシリコン系の熱電材料を研究していた人であること、それから、TECHNOLOGYのページにシリコンナノテクノロジーを使っている旨記述されていますので、おそらく、ナノ構造(フォノン散乱を増やして熱伝導率を下げる効果がある)を作り込んだシリコン系熱電材料ではないかと推測されます。
従って、同社のウェブページにあるモジュールの絵こそ何の変哲もないセラミックプレートで挟まれたπ型モジュールですが、「従来の」熱電材料よりもかなり熱伝導率を抑えているのではないかと予想していました。

しかし!
実際につかってみたところ、その期待は裏切られました。

 POWERWATCHは、WATCHモードで竜頭を回すと、左の写真のように裏面プレートと表ケースの温度を表示します。
左の写真は室温25℃前後の屋内での定常状態ですが、Skin Temp 31℃、Case Temp 31℃となっています。
おかしいなと思って、いろいろな場所でいろいろな状態を試しましたが、春の日中の気温では、どこにいても表示される温度差はせいぜい1℃です。
こちらが標準のWATCHモードです。12時のところから2時のあたりまで白いバーが伸びていますが、これがリアルタイムの発電量を表しているそうです。外周の数字がパーセントを表しているのでしょう。100%が何を意味するのかは不明です。
上の写真と同じ状態で表示だけ切り替えたので、温度差1℃以下のとき15%の発電量ということになります。


試しに、裏面プレートを42℃のお湯につけ、表面ケース側を手であおいで冷やしてみたところ、それでようやく出力70%くらいでした。100%とは体温に対してケースを氷水で冷やすくらいのレベルなのでしょうか。

さて、2週間ほど使ってみましたが、日常生活時には発電量5〜25%の間でした。温度差はせいぜい2℃です。さらに気になるのは、その1でも書いたように、 POWERWATCHを装着している腕に常時冷たさを感じるのです。皮膚が敏感な人なら不快に感じるかもしれません。
これは、皮膚が寒さを感じるほど局所的に熱を奪い、側面のフィンも含めたケースの熱設計を頑張ることでモジュールに熱流を与えているにも関わらず、モジュールの熱コンダクタンスが大きいために1℃程度しか温度差がつかないということを意味しています。時計のサイズと比較してモジュールはふたまわりくらい小さいと推測されるので、熱電材料の熱伝導率はかなり高いのではないでしょうか。最新技術を導入しているとは言えシリコン系材料(推測ですが)を使っているからかもしれません。

なお、このバージョンのPOWERWATCHには、もう一つ弱点があります。それは、内側プレートより外側ケースのほうが高温になると発電しないことです。実際に、屋外で直射日光に当たると、ケースが黒いため(これはBLACK OPSを選んだ私が悪い?)に外側ケースの温度が上がり、すぐに発電量がゼロになります。
これについては、今後発売されるPOWERWATCH Xで改良され、ケースのほうが高温の場合も発電するようになるそうです。温帯から熱帯地方で、屋外で使う時間が長い場合は、そのほうが良いでしょうね。
MATRIX社では電源回路も独自に最適化設計しているそうですが、逆極性で発電できないということは昇圧回路がかなり厳しいのでしょうか?
おそらく、モジュールサイズが小さく、直列数が少ないので、温度差が付かないことも相まって出力電圧が低いのだと推測します。チャージポンプ回路でかなり頑張って昇圧している(推測)ので、極性を切り替えるためのダイオードやトランジスタスイッチが使いにくいのかもしれません。
"X"のほうは通知機能を使うためにBluetooth LEを常時動作させるはずですから、おそらくモジュールのサイズがかなり大きくなるのでしょう。実際、ケースのサイズは一回り大きくなります。そうすれば、出力電圧もより上げられますから、逆極性発電のための回路も組みやすくなるのではないかと推測されます。

まだまだ気づいたことはありますが、ここらへんでPOWERWATCHを使って実感した、このようなウェアラブル用途に熱電変換技術を使う場合の要求事項をまとめておきます。
  1. モジュールの熱伝導率は樹脂と同程度以下であるべき
  2. ベルトの面積がもったいない。ここも熱電変換に使うべき。
  3. 常用状態でモジュールの出力電圧が1V程度あったほうが良い。
つまり、0.1 W/mKオーダーかそれ以下の熱伝導率で、フレキシブルで、かつ、なるべくゼーベック係数が大きい熱電材料/モジュールが必要!

まさに、5年くらい前から私が主張して、研究の目標としていることですね。
例えば、我々が研究しているカーボンナノチューブ/タンパク質複合熱電材料は、熱伝導率0.1 W/mK以下の状態も得られており、これなら1を満たします。それを紡糸して布に縫い込んだ「熱電布」は、フレキシブルで、まるでトレーナーやリストバンドのように身につけられます。これは2を満たします。
3の電圧は、低熱伝導率のために得られる十分な温度差(例えば、我々の熱電布は、屋内で片側を指で触れると5℃程度の温度差が生じます)と力業の直列数でも満たすことができると思いますが、それとは別に、我々が研究している巨大ゼーベック効果が使えるようになると、体温から1 V以上の電圧が余裕で出せます。

我々が目指しているところは間違っていない!
これが実体験として確信につながったので、4万円強の値段はリーズナブルでした。

熱電ウォッチ インプレッションその1

先日のブログで書いたように、最近、MATRIX社POWERWATCHという製品を入手しました。
「世界初の熱電スマートウォッチ」という触れ込みでアメリカのテクノベンチャーが売り出している製品です。日本でも発売が始まったので、先陣を切って購入しました。

余談ですが、MATRIX社のCEOであるDr. Akram Boukaiは、Caltechにおけるシリコン系熱電材料の研究でPh.Dを取得し、ミシガン大で准教授として働いていた人だそうです。また、CTOのDr. Douglas Thamも太陽電池や熱電の研究者でCaltechでPh.Dを取得しています。
日本でも優秀で元気の良い若手研究者が、このようなベンチャーを立ち上げられる環境になると良いのですが...

買ったのはベーシックモデルのPOWERWATCH BLACK OPSというもので、スマートウォッチという触れ込みですが、実質的にアクティビティモニターの機能だけです。スマホとの連携は、アクティビティ情報を一方的に送ったり、ファームウェアのアップデートを受け取ったりするだけの機能しかありません。

これが本体前面の拡大写真です。
 この写真では時計モードになっており、これ以外にDaily Activity、Running、Stop Watch、Watch Settingのモードがあります。
時計モードは、現時点ではこの表示のみですが、将来のファームウェアアップデートで複数のウォッチフェイスが選べるようになるそうです。




裏面の拡大写真です。
このモデルは50m防水となっています。
中央の丸い部分はアルミ製で、ここで人体から熱流を取り込むようです。
周囲の質感が異なる部分は、熱絶縁のために樹脂製になっています。ぱっと見の質感が安っぽくならないように、デザインやテクスチャーで頑張っています。



本来なら画面に向かって下側のベルトが付いてるはずの側面です。放熱のためのスリットが入っています。
このBLACK OPSというモデルでは、全体がつや消し黒になっていので一見境界がわかりにくいですが、さきほどの裏蓋周囲からベルトを固定する部分までが樹脂製、表面周囲とスリット部を含む側面の大部分が一体になっていて、こちらもアルミ製です。


つまり、裏面中央のアルミパーツで人体の熱を取り込んで、本体の上面と側面、さらにはこのスリットのアルミパーツで頑張って放熱し、温度差を稼ぐ構造になっています。熱流デザインが重要であることがわかります。

2週間程度使ってみて、まずは一般ユーザーとして感じた長所短所を挙げてみます。

長所

  • 見た目よりは軽く、つけ心地は悪くない。つけて寝ても違和感は少ないレベル。
  • 特にBLACK OPSの金属メッシュベルトは、軽くてしなやか。
  • 充電の心配が不要。
  • 反射型液晶は明るいところでの視認性が良い。
  • これまでのアクティビティメーターとは異なり、体温からも活動量を計算する。
  • 発電量が表示されるので、体温で発電している実感がある。
短所
  • サイズがいかつい。200 m防水のダイバーウォッチ並で、仕事着の長袖シャツだと袖のボタンが留められないものがある。
  • アルミケースは傷が付きやすい。1年で買い換えたくなるかもしれません。
  • 機能が少なく、スマートウォッチとは言い難い。やはり通知機能は欲しい。
  • 睡眠記録は、自分で寝るときと起きたときにボタンを操作するという酷い仕様。 
  • つけていて冷たさを感じるときがある(これはその2で詳しく述べます)。
  • 対応するスマホアプリの出来がひどい。また、シンクロさせるときの通信で頻繁にエラーがでる。

長所短所ありますが、体温発電という売りを抜きにしたら、スマートウォッチとしての価値を感じない人も多いと思います。これは、今後の改良に期待しましょう。
しかし、アクティビティモニターという機能を主役に考えるなら、比較的軽いこと、電池切れの心配がないこと、発電するついでに代謝量もある程度見積もることができることなど、メリットは大きいと思います。
現在手に入る最新の熱電材料技術、回路技術、熱設計のための材料技術を組み合わせて、この程度の値段でこれを世に出したMATRIX社に、敬意を表するところです。

上級モデルとしてPOWERWATCH Xというより高機能なモデルも近日発売されるそうです。こちらは電話着信などの通知機能も付くそうで、スマートウォッチを名乗っても違和感がないと思います。ただし、さらに大きくなるようで、日本人の平均的体格なら大きすぎて使いづらいかもしれません。

長くなりそうなので、研究者・技術者目線での感想は別の投稿で述べます。

2018年4月21日土曜日

個人的新技術実証実験

未来の技術を提案する立場にある以上、今普及しつつある技術は表面的でなく実体験として知っておく必要があります。
そのため、ときどき「物好き」なことをやります。

NAISTに異動した際の住み替えをきっかけに、自宅のゼロエミッション化を試みました。
当時の予算内でつけられるソーラーパネルの制約からエネルギー自給率は70%程度でしたが、電気で24時間冷暖房していることを考えるとまあ合格ラインでしょうか。
今なら、もっと効率の良いパネルが安くつけられるので、オール電化でも年間通算での自給率100%は達成容易だと思います。
個人予算でやってみると特に実感しますが、金銭的に元をとるのに10年くらいかかりますので、太陽光発電関連のハードウェアはすべて寿命が長ければ長いほど良いです。10年でパネル張り替えなんてもってのほかです。パワーコンディショナーくらいなら取り替えは容易ですが、パネルは住宅本体と同等以上の寿命がないとミクロ経済的にはメリットがありません。目安は、実使用環境での寿命30年以上ですね。

最近では、自宅IoT化をぼちぼちと実験していますが、これは住宅電気設備や家電製品にまだまだネットワーク対応機器が少ないのがネックです。
GoogleホームとNature Remoを使っていますが、現時点では、テレビ、一部の照明、エアコン、空気清浄機のみがネット上から、あるいは、Googleホームを通じて音声でいじれるのみです。出先から、自宅リビングの温度と湿度がわかるのは、おまけです。
次は、玄関のロックを対応させたいのですが、まだいろいろ制約が多いので様子見中。
今は、住宅内の電気機器、冷暖房、風呂の給湯などをどうクラウドから制御するかがネックですが、その次に来るのは住宅内の状況を細かく知りたいという要求でしょう。
この段階になって、簡単に設置/撤去できる小型/薄型のセンサーパッチのようなものがほしくなり、そのためにエナジーハーベスターが必要不可欠になるでしょう。

ちなみに、学生や若い人の中には住宅のIT化はつい最近始まったかのように思っている人が多いと思います。実は、これで3回目のブームです。
詳しくは、日経XTECHのこの記事をご覧ください。
1990年代に「ホームオートメーション」、2000年代に「IT住宅」、そして今は「スマートホーム」と言葉を変えていますが、国と業界が主導してなにやら画策することを延々繰り返しています。いくら国や業界が主導しても、周辺技術や、普及技術とのコンパチビリティ、さらには、社会的需要がすべて満たされないと技術は普及しないという典型例ですね。関わっている人たちも、1段1段技術と社会的需要をすりあわせてゆくための方便に、すぐにでも実現できるようなことを言っているだけかもしれません。
この段階ごとに使える要素技術が増えていますので、30年前と比べて簡単に実現できることが飛躍的に増えています。あたりまえに使われる技術になるのはさらに10年以上かかるのかもしれませんが、そのためには要素技術の基礎研究はすでに行われているべきです。

さて、これ以外に、「身の回りで熱電変換を使おう」実証実験を進めています。
最初に購入したのは、BioLite社のCampStove 2というアウトドア用品です。これは何度か試しましたが、電源はないけど枯れ木は燃やせるという環境でどんどん発電します。スマホの充電には十分です。調理にも使ってみましたけど、火加減が難しいので、山キャンプなどかなり過酷な状況でないとありがたみは少ないかもしれません。
これは、必要な人には今でも十分使える技術と言えるでしょう。

我々の研究ターゲットに近いところで、MATRIX社のPOWERWATCHという製品でウェアラブル熱電の使用具合を試し始めました。
これについては、別の投稿で詳しく書きます。

2018年2月5日月曜日

2018年春応物学会他発表

2018年 第65回応用物理学会春季学術講演会での、当研究室関連の発表一覧です。

チュートリアル
3月17日(土)9:00~11:30
中村雅一:「フレキシブルエナジーハーベスターのための有機系熱電材料入門」

【12.3 機能材料・萌芽的デバイス】
・小堀天、中本裕太、鄭敏喆、小島広孝、辨天宏明、中村雅一:
"THz波時間領域分光法を用いた有機無機ハイブリッドペロブスカイト薄膜の評価", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.17) 17p-P6-20.

・濱邊景大 、岡本尚文、関本祐紀、阿部竜、 鄭敏喆、小島広孝、辨天宏明、山下一郎、中村雅一:
"バイオナノ接合により熱電特性制御されたカーボンナノチューブ紡績糸の作製", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.17) 17p-P6-22.

・竹内高伸、井上智史、阿部竜、小島広孝、鄭敏喆、辨天宏 明、田村悠人、山田容子、菊池満、伊澤誠一郎、平本昌宏、中村雅一:
"有機低分子単結晶における巨大ゼーベック効果", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.17) 17p-P6-23.

【12.5 有機太陽電池】
・入口亮、辨天宏明、大北英生:
"ブレンド膜中における共役高分子の伝導度向上の起源", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.17) 17p-G202-3.

・鈴木隼也、小柳津直樹、鄭敏喆、小島広孝、辨天宏明、中村雅一:
"インピーダンス分光法で明らかにする全高分子ブレンド太陽電池の曲線因子制限要因", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.18) 18a-G202-12.

【シンポジウム“無機・有機複合材料で放熱問題 に挑む ~物理と応用の最前線~”】
・関本祐紀、岩堀健治、鄭敏喆、小島広孝、辨天宏明、中村雅一:
"分子接合によるカーボンナノチューブ凝集体の熱伝導率制御の可能性", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.19) 19p-C304-6.

【12.1 作製・構造制御】
・荻野孝太、松本拓也、松原亮介、鄭敏喆、小島広孝、辨天宏明、中村雅一:
"高速分子線蒸着を用いたペンタセン薄膜の高速成長が電界効果移動度に与える影響", 第65回応用物理学会春季学術講演会, 早稲田大学・西早稲田キャンパス(東京都新宿区), 2018.3.17~20 (2018.3.20) 20a-P7-3.


なお、今シーズン、応物学会以外に以下の発表が予定されています。

・ K. Ueda, M. Murata, N. Toyama, M. Oku, M. Muraoka, R. Abe, H. Kojima, M. Nakamura:
"Efficient Synthesis and Thermoelectric Properties of Coordination Polymers with Benzenetetrathiol Derivative", 日本化学会 第98春季年会, 日本大学理工学部・船橋キャンパス(千葉県船橋市), 2018.3.20~23 (20183.20)

・(招待講演)M. Nakamura, M.-C. Jung, R. Matsubara:
"Carrier Transport and Trapping Phenomena in Pentacene Thin Films", 2018 MRS Spring Meeting (Phoenix, USA), MA02.03.03 (2018.4.4).
Symposium: MA02: Organic Electronics—Processing, Microstructure and Multifunctioning 

・M. Nakamura, M. Ito, T. Koizumi, H. Kojima, T. Saito:
"From Materials to Device Design of a Thermoelectric Fabric for Wearable Energy Harvesters", 2018 MRS Spring Meeting (Phoenix, USA), MA05.04.08 (2018.4.4).
Symposium: MA05: Dynamic Materials and Textiles for Next-Generation Clothing 


2017年12月22日金曜日

NAIST東京フォーラム

11月27日に開催されたNAIST東京フォーラムについての記事が、本日付けの日本経済新聞全国版夕刊に掲載されました。

日経新聞(電子版)にも掲載されていますが、
http://ps.nikkei.co.jp/naist2017/
掲載期間が平成29年12月22日~平成30年1月21日と短いそうなので、ブログでのみお知らせします。是非読んでみて下さい。