Nagaoka University of Technology Institutional Repository

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

林, 高雄

論文審査の結果の要旨 
 
                         学位申請者   林 高雄 
 本論文は「表面の力学的特性を考慮した異方性弾性体の接触解析と van der Waals 力によ
る凝着解析」と題し、8 章より構成されている。第 1 章では、これまでの研究成果を紹介し、
ナノスケールでの接触・凝着問題の課題を明らかにしている。それを踏まえて、本研究の
位置づけと目的を述べている。第 2 章では、表面応力と表面弾性定数を考慮した半無限異
方性弾性体の表面グリーン関数を導出している。単位集中荷重に対する等方性弾性体の表
面変位を表す Boussinesq の解、異方性弾性体における異なる結晶面に対する弾性定数の算
出方法について述べている。さらに、分子動力学法による表面応力と表面弾性定数の算出
方法について説明している。第 3 章では、古典的接触理論である Hertz 接触理論、JKR 理論
などの凝着理論について解説している。さらに、本研究で用いる接触・凝着の数値解析法
を概説している。第 4 章では、表面応力と表面弾性定数を考慮して、平らな異方性弾性体
に対する接触解析を行い、圧子の押し込み深さと押し込み荷重の関係を明らかにしている。
その際、解析結果を分子動力学法による結果と比較したところ、両者はよく一致している
ことを示している。第 5 章では、異方性および等方性弾性体の平面に対して van der Waals
力を考慮した凝着解析を行っている。弾性定数の違いに対する凝着力の変化および表面特
性を考慮した際の凝着力の変化を調べている。その結果、表面応力を変えた際の凝着力の
変化は、弾性定数を変えた場合に比べて小さいことを示している。このことから、平らな
面に対する凝着力測定により、弾性定数の同定は可能であると考えられるが、表面応力の
同定は難しいとしている。第 6 章では、表面形状が指数則に従う圧子と表面に軸対称の波
形状を有する半無限弾性体との接触凝着問題を解析している。特に、波形状表面の振幅と
最大凝着力の関係を調べている。数値解析における凝着過程と剥離過程の最大凝着力を比
較すると、剥離過程の最大凝着力が凝着過程のそれよりも常に大きく、最大で 2.4 倍大きい
ことを示している。そのため、van der Waals 力を用いて最大凝着力を評価するときには、
剥離過程の凝着力を調べることが重要であることを指摘している。また、異方性弾性体に
対する解析の結果、弾性定数の違いによる最大凝着力の違いは、波形状の面の方が平らな
面より大きいことを示している。これにより、ある程度の粗さを有する面に対する凝着力
測定試験から微小領域における弾性定数を同定できる可能性を示唆している。第 7章では、
原子間力顕微鏡による凝着力の測定を行い、数値解析により得られた最大凝着力と比較し
ている。分子動力学法で得られた表面エネルギを用いて JKR 理論より最大凝着力を求めた
ところ、実験で得られた最大凝着力より約 11倍大きい値となることを示している。その後、
実験により得られた表面エネルギの値を用い、van der Waals 力と原子の結晶構造による粗
さを考慮して解析すると、最大凝着力は実験値と比較して約 1.4 倍となり実験結果に近い最
大凝着力を求めることができることを示している。第 8 章では、ナノスケールの接触・凝
着問題に対する今後の展望を述べ、本論文で得られた結果をまとめている。よって、本論
文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文として十分な価
値を有するものと認める。 
 
                       審査委員主査  古口 日出男  印 
 


表面の力学的特性を考慮した異方性弾性体の接触解析とvan der Waals力による凝着解析

ZHANG, WEIQI

English

Electrochemical Investigation of Pt-based Catalysts for Polymer Electrtolyte Fuel Cells Using Porous Microelectrode

加藤, 亮

1 
（様式３）  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  加藤  亮  
 
NEXCO 三社の高速道路では，橋梁のレベリング層に砕石マスチックアスファルト混合
物（SMA）を採用している．しかし，SMA は施工性に課題があり，材料分離や締固め不足
等による不十分な仕上がりとなるケースが散見されている．また，従来の床版防水から要
求性能を大幅に高めた高性能床版防水を導入した 2010 年からは，橋面舗装の早期損傷が頻
発している状況にある．  
本研究ではこれらの課題を解決することを目的に，現地調査を行って橋梁レベリング層
の破損状況と破損要因を把握するとともに，アスファルト混合物の配合を見直して耐久性
を向上させることについて検討した．  
その結果，高性能床版防水上の橋面舗装の早期損傷については，その要因が高性能床版
防水と SMA の層間に形成される微細な空洞群によるものであることを解明し，本研究で
はこれを Cavity と称することとした．Cavity の形成を抑制するには，連続粒度で，かつ骨
材と石粉のうち 2.36 mm ふるいに残留する骨材割合の少ない配合が有効であることを見出
した．これは，微小粒径の骨材および石粉とアスファルトが一体となったアスファルトマ
スチックが，粗骨材の骨格間隙を充填して密実な構造となるためである．この配合によっ
て，ギャップ粒度である SMA よりも少ない転圧エネルギーで締固めが可能で，高い耐久
性が得られる．さらに，この配合のアスファルト混合物は感温性が低く，敷均し温度や転
圧温度が適温よりも低い場合であっても十分に締め固まり，施工後の層下面が平滑に仕上
がって，Cavity の形成が抑制されることを確認した．  
本論文は，以上の検討内容を第 1 章から第 6 章に分けて論述している．各章の概要を以
下に示す．  
第 1 章では，老朽化が進む NEXCO 三社の高速道路の現状と橋梁レベリング層について
の課題を明確にし，本研究の目的を述べた．  
第 2 章では，本研究に関連の深い SMA，床版防水，橋面舗装の損傷事例，およびアスフ
ァルト混合物の温度依存性に関する既往の研究を整理し，明示した．  
第 3 章では，表層への高機能舗装の全面導入，コンクリート床版の損傷の顕在化，そし
て床版防水についての認識の高まりといった，橋面舗装に対する NEXCO 三社の変遷を紹
介するとともに，高速道路上の橋面舗装の構成，構造について解説した．  
第 4 章では，SMA の粒度および混入する補強用繊維の影響に着目し，橋梁レベリング層
に求める性能を保持しつつ，現行の SMA に比べて施工性が改善される配合の検討につい
て述べた．SMA は高アスファルト量の配合を意図して繊維を添加することがあるが，繊維
はアスファルトマスチックの動きを緩慢にして締固めが困難となり，仕上がり面のテクス
チャが粗くなって，結果的に水密性の低下等を引き起こすことが確認された．また，ギャ
ップ粒度を連続粒度に近づけ，かつ粒度曲線を細粒度側にシフトさせることにより，締固
めが容易になることが確認された．しかしながら，この新たな配合の SMA（改良型 SMA）
は水密性の高い仕上がりとなることから，ブリスタリングの発生が懸念された．そこで，
2 
改良型 SMA を採用した NEXCO 三社の 17 工事について，ブリスタリング発生の有無を調
査した．その結果，ブリスタリングが発生した事例は全国で最初に改良型 SMA を試行的
に採用した 1 件のみで，これ以降の工事では確認されなかった．この実態調査に加えて室
内試験によって改良型 SMA と各種床版防水の引張接着試験を実施し，飽和水蒸気圧との
関係からブリスタリング発生の可能性を検証した．その結果，改良型 SMA と床版防水の
接着状態に不良がない場合には，舗装表面が 60℃となるような温度条件であってもブリス
タリングは発生しないことが確認された．  
第 5 章では，高性能床版防水上の橋面舗装の早期損傷原因を解明するとともに，高性能
床版防水に適合した配合に関する検討について述べた．現場調査および検証試験の結果，
橋梁レベリング層に SMA を舗設する際，舗設基面である高性能床版防水の表面が低温で，
さらに SMA の温度が低温であるほど，高性能床版防水と SMA の層間に Cavity が形成され
やすいことを確認した．橋面舗装には，壁高欄の地覆部分や伸縮装置と橋面舗装の境界面，
あるいは施工上やむを得ず形成してしまう舗装のコールドジョイントなどといった鉛直方
向の分離面が存在する．水はこのような箇所から橋面舗装内に浸入し，高性能床版防水と
SMA の層間に存在する Cavity に到達すると，水平方向に伸展して行く．これにより高性
能床版防水と SMA の層間は湿潤状態となり，交通荷重が加わることで SMA の下層のはく
離が進行し，損傷として顕在化するものと考え，実物大の舗装模型を用いた耐久性試験に
よってこのことを証明した．以上のことから，アスファルト混合物の粒度特性と感温性に
着目し，Cavity の形成が抑制され，かつ低温条件でも混合物の各種性状が低下しない配合
の検討を行った．この結果，骨材の合成粒度を最密充填に近いものとすると，骨材自体で
密実な構造が構築されるとともに，混合物の表面も裏面も滑らかなテクスチャの仕上がり
となることが確認された．また，この配合の混合物を高性能床版防水に舗設したところ，
Cavity の形成が抑制されることが認められた．この配合は，熱可塑性の混合体であるアス
ファルトマスチックの影響が小さいため，低温条件であっても各種性状が低下せず，かつ
Cavity の形成が抑制される特性も保持されることが確認された．  
第 6 章では，本研究で得られた成果を取りまとめるとともに，今後の課題について整理
して言及した．  


橋梁レベリング層の破損要因と配合設計上の改良に関する研究

山岸, 郷志

（様式４）  
別紙２  
 
論文審査の結果の要旨  
 
学位申請者	 山岸	 郷志  
 
本論文は、「ガスタービン実機環境因子を考慮した遮熱コーティング部材の損傷評価に関す
る研究」と題し、「緒論」と「結論」を含めて全 5 部より構成されている。  
ガスタービンは、発電プラントの主熱機関あるいは航空機の推進装置として広く利用さ
れている。ガスタービンの性能を特徴づける重要な因子のひとつが、ガスタービン動静翼
材に代表される、ガスタービン高温部材である。たとえば、タービン動翼材には、内部に
精密な冷却構造を持ち、かつ高度に微視的構造が制御された Ni 基超合金が使用され、さ
らにその表面を合金層とセラミック層からなる遮熱コーティング（Thermal Barrier 
Coating : TBC）薄膜よって被覆された TBC 部材が使用される。TBC 部材は優れた高温強
度を発揮するが、その寿命は有限であり、部材の健全性を定期的に評価しながら使用する
必要がある。一方、その健全性評価の対象となる TBC 部材の損傷は、それら部材が特殊
な材料系であることに加えて、その損傷が機械的負荷、熱、流体、など多くの環境的の因
子により支配される複雑な現象である。今後さらにガスタービンの利用拡大が見込まれる
昨今の社会情勢を鑑みるに、TBC 部材の損傷に係る適切なリスクコントロールが極めて重
要である。これらの工業的、工学的要望に鑑み、本論文は、「ガスタービン実機環境因子を
考慮した遮熱コーティング部材の損傷評価に関する研究」と題し、実機使用環境を模擬し
た条件において遮熱コーティング (TBC)部材の損傷特性を評価するとともに、実機 TBC 部
材の損傷の非破壊検出技術に関する基礎検討を行うことを目的としたものである。  
「緒論」では、工学表面の凹凸形状測定や評価技術に関する従来の研究の概要を示す
とともに、本研究の目的と範囲を述べている。  
Ⅰ部「遮熱コーティングの基礎物性」（第 I-1 章から第 I-6 章）では、TBC 部材に発生す
る損傷現象の基礎となる各種材料特性の測定を行なっている。これは、一般に TBC 皮膜
の機械的特性はバルク材料と大きく異なることが知られているからである。一連の測定に
より、TBC 皮膜の機械的特性は、その微視的構造に非常に敏感であり、かつ顕著な異方性
をすること、成膜プロセスや各層の材質の組合せによっても大きく変化すること、高温曝
露によって顕著な経時変化を示すことを定量的に示している。これらは、TBC 部材の健全
性評価にあたっては配慮すべき事象となる。  
Ⅱ部「再現燃焼雰囲気における遮熱コーティング部材の損傷」（第 II-1 章から第 II-5 章）
では、TBC 試験片に対して、熱機械的負荷を加え TBC 損傷の再現実験を行なっている。
ここでは、実機環境に近い試験条件をより高度に再現することに注力し、燃焼器と力学的
負荷試験装置とを組み合わせた即時の新試験システムを開発した上で、それを用いて実燃
焼雰囲気においてクリープ負荷を加えたときの TBC 試験片の損傷を評価している。その
結果、本試験システムにより、TBC 試験片内部に、燃焼ガス流れに依存した有意な温度勾
配を再現できることができること、一連の試験期間中には種々の形態の TBC 皮膜損傷が
発生する中で、温度の高い燃焼ガス流れの上流側よりも温度の低い下流側でき裂の発生密
度が高いことを実験的に明らかにしている。また、これらの工学的背景を明らかにするた
め、部材内に顕著な温度勾配がある場合のクリープ変形について解析モデルを構築し、実
験結果と比較している。その結果、変形拘束型のクリープ変形が生じる場合、負荷開始直
後に低温側要素に高い内部引張応力（熱応力）が発達し、時間とともに高温側を上回る大
きさのクリープひずみが生じ、そこで優先的に損傷が生じ得ることを明らかにした。ただ
し、この傾向は機械的負荷および温度条件に強く依存し、かつ経時変化も有意であること
も示している。以上のことから、部材内に有意な温度差が生じる実機 TBC 部材の健全性
評価は、温度勾配に対する配慮が特に必要であることを示した。  
Ⅲ部「遮熱コーティング部材における損傷の非破壊検出」（第 III-1 章から第 III-4 章）
では、TBC 部材の損傷の非破壊検出技術について検討している。ここでは、実機の保守・
点検の作業場においても適用できる技術となり得るに力点をおき、交流インピーダンス測
定から、TBC 部材の静電容量を介した損傷検出手法を試みている。その結果、測定条件を
適切に選定すれば、TBC 皮膜の界面はく離を膜に直接接触することなく検出できることを
実験的に示している。界面はく離は、静電容量値の低下として、一方、TBC 皮膜の表面に
付着する燃焼生成物については静電容量値の上昇として検知できることを示し、あわせて、
界面はく離長さが時間とともに変化する場合に対しても提案手法が有効であることを示し
ている。  
「結論」では、本研究の知見を総括するとともに、将来の方向性についても示してい
る。  
以上を要約すると、より高い性能が要求されるガスタービン用 TBC 部材の設計および
その運用にあたり、TBC 皮膜（部材）の力学的物性の特徴を十分に考慮した上で、温度勾
配など実部材に特徴的な現象に関連する材料強度的背景を確実に把握できれば、従来から
コントロール困難とされてきた保守・維持管理上の課題を工学的に解決できる可能性を示
したものと言え、工学上及び工業上貢献するところが大きい。  
以上より、博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと認める。  
 
審査委員主査	 岡崎	 正和	 印  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Traditional Chinese

ガスタービン実機環境因子を考慮した遮熱コーティング部材の損傷評価に関する研究

上米良, 秀行

（様式３） 
 
論文内容の要旨 
 
                          氏 名   上米良 秀行 
 
 本論文の目的は、モンスーンアジアの複数地域を対象に、国や地域に応じて異なる各種雨量
情報の利用可能性や特徴を踏まえることで、それらの情報を水文学・気象学の幾つかの問題に
活用できることを実証的に示すことである。雨量情報の代表は雨量計や気象レーダーによる地
上観測である。雨量計観測は点の情報としては正確だが空間代表性に乏しい。レーダー観測を
活用すれば降雨状況を空間的に詳しく把握できるが正確な雨量を知ることは難しい。衛星観測
に基づく雨量は地上観測が充実していない地域にとって特に重要だが、その性能は十分に把握
されていない。数値気象モデルに観測を取り込んだ客観解析・再解析に基づく雨量も同様であ
る。 
 そこで先ず、ベトナム中部のトゥボン・ヴザ川流域を対象に、少数地点の雨量計観測、レー
ダーと雨量計の観測を合成した雨量、及び衛星雨量をそれぞれ降雨流出モデルに与えて河川流
量に変換し観測流量と比較することで、各雨量情報の確かさを水文学的に検証した。雨量計観
測を与えた場合、対象のひと月間の総流量は計算と観測とでよく一致した。即ち、少数地点の
雨量計観測であっても、時間的空間的に積分（平均）することで空間代表性が高まり、平均雨
量としては実際を上手く表現できることを明らかにした。レーダー・雨量計合成雨量を与えた
場合、計算流量の時系列はひと月間にわたって観測とよく一致した。即ち、レーダーと雨量計
の観測を組み合わせることでレーダー単独よりも雨量の見積りが正確で雨量計単独よりも空間
分布が詳しい雨量情報を作成できることを明らかにした。衛星雨量を与えた場合、月単位で見
ても計算は観測を大幅に過小評価した。 
 時間的空間的に積分することで空間代表性が高まるという雨量計観測の特徴を踏まえて、イ
ンドネシア・ジャワ島のソロ川流域を対象に、高密度で配置された雨量計の長期観測と比較す
ることで衛星観測の性能を調査した。地点毎、日単位での比較では衛星雨量は雨量計観測と殆
ど一致しないが、月単位、流域（全地点）平均の雨量で比較すれば雨量計観測とよく一致する
ことを示した。上述のベトナム中部の様に衛星雨量と雨量計観測が一致しない場合もあるため、
衛星雨量には地域や季節に応じた性能の良し悪しがあることに注意する必要がある。 
 また、モンゴル東部のヘルレン川流域では、雨量計だけでなくその他の気象観測についても
空間代表性を考慮し、長期の水収支を部分流域単位で分析して半乾燥流域の水循環を明らかに
した。流域を上流・中流・下流の 3つの部分流域に分けてそれぞれ河道に出入りする水の収支
を求めることにより、何れの部分流域でも周辺域から河道への流出があることを示した。また、
河道の側面・底面からの浸透による失水の可能性を示した。これらの結果から、ヘルレン川の
中・下流域において河道の上端と下端の総流量がほぼ等しいという観測事実に対して、河川流
出があってもそれとほぼ同量の河川水が蒸発や浸透によって河道から損失し実質的には河川流
量の増減に寄与していないというひとつの解釈を与えた。 
 インドネシア・スマトラ島西岸域では、レーダーと雨量計の長期連続観測を組み合わせて作
成した正確で空間分布も詳しい雨量情報を解析し、海陸両上の降雨日変化とその地理的分布が
季節内変動と連関していることを示した。季節内変動の主要モードであるマデン・ジュリアン
振動に伴ってインド洋上で発生し赤道に沿って東進する雲集団がスマトラ島に到着するころ、
西岸域では降雨日変化極大の西向き移動が強化され、それに伴ってスマトラ島及びメンタワイ
海峡上では他の時期よりも雨が多く降ることを示した。また、沖合のシベル島では日中と夜間
の 1日 2回の降雨極大を持ち、日中の極大はスマトラ島と同じ頃に出現し、夜間の極大は対岸
のスマトラ島の降雨極大が海を越えて到達する頃に出現することを明らかにした。 
 中国長江・松花江では再解析雨量に基づく流出解析により河川流量を再現できることを示し
た。雨量を降雨流出モデルに与えて河川流量に変換し観測流量と比較する方法により、大陸規
模の大河川を対象にした流出解析における再解析雨量の適用可能性を検討した。長江・松花江
何れの流域においても、流量極大値の出現日は計算と観測でほぼ一致した。集水面積が大きい
下流の地点では特に、極大出現日だけでなく極大時の流量も観測とほぼ一致した。洪水予測や
水資源管理の観点からは、洪水流量の極大がいつ出現し、その量がどの程度であるかを知るこ
とが重要であり、上述の結果はこうした要求に応えるものである。一方で、集水面積の小さな
上流側の地点では、洪水波形の特徴は一致するものの流量極大値を過小評価する等の結果も得
られており、実利用においては注意する必要がある。 
 


アジアモンスーン地域における各種雨量情報の水文・気象学的応用に関する研究

MITSOMWANG, PUSIT

（様式）    
 
             論文内容の要旨         
 
                         氏 名 MITSOMWANG PUSIT 
                                                ミットソムワン プーシット 
 
 In the converting industry of sheet materials, cutting processes for three kinds of sheets such as 
ductile resin, fragile plastic and fiber-based paper are frequently considered. However, since the 
mechanical properties of these sheets are fairly complicated, compared to ductile metals, 
fundamental characterization of cutting processes for each sheet is highly necessary for obtaining 
successful cuts. Thus, in this research work, the author aims to investigate and analyze effects of 
tool conditions on cutting characteristics of sheet materials subjected to straight shearing tool 
indentation. Three kinds of sheets were investigated: a 0.5 mm thickness of polycarbonate (PC), a 
1.0 mm thickness of acrylic (AC) and a 0.45 mm thickness of white-coated paperboard. As cutting 
manner, wedge indentation cutting and punch/die shearing which are widely used in the 
converting industry were considered. Here, the former cutting method was investigated only on the 
PC worksheet, while the latter was carried out on all the three sheets.  
 First, concerning the wedge indentation cutting of the PC worksheet, to reveal effects of 
underlay stiffness on the wedged profile of the worksheet was primary objective. Experimental 
results of the wedging revealed that the Young’s modulus, the out-of-plane bending rigidity, the 
stiffness in the thickness direction of the flexible underlay remarkably affected the cutting 
processability and the profile feature of the wedged edge. Apart from the experimental work, a 
two-dimensional finite element method (FEM) analysis for the indentation was carried out. It was 
revealed that the effect of underlay stiffness kr on the profile feature of the wedged worksheet was 
slightly different when kr was varied by varying Young’s modulus and thickness of the underlay. 
Through the experimental and FEM results, a suitable range of kr for generating a preferable 
wedged profile of the worksheet was recommended. 
 Second, for the punch/die shearing of the PC worksheet, the cutting characteristics 
including the cutting load resistance, cracking pattern and final sheared profile of the worksheet 
was investigated and analyzed with respect to mechanical conditions such as the punch/die 
clearance, cutting velocity and cutting tool configuration. From experimental results, the clearance 
of 2 ~ 10% of the worksheet thickness seems to be a suitable range for obtaining a smart sheared 
edged of the PC worksheet. By varying the cutting velocity V = 0.05 ~ 1.0 mms1, the cutting load 
resistance was slightly varied, but such variation did not almost affect the final sheared profile of 
the worksheet. In addition, a two-dimensional FEM analysis of the PC shearing was performed 
based on a developed constitutive equation (material model). A state of stresses near the punch 
and die corners was investigated in order to discuss about a critical stress level for the propagation 
of initiated primary cracks near the cutting tool corners.  
 Next, the punch/die shearing of the fragile acrylic worksheet was conducted. As 
experimental conditions, the clearance was varied to be negative (overlapped) and positive gaps. 
Also, the cutting velocity was altered ranging from V = 0.025 to 0.5 mms1. From side-view 
deformation photographs of the AC worksheet taken during shearing, complicated cracking 
patterns were observed, and they were recognized with respect to the varied mechanical conditions. 
From the feature of the final sheared edge, the application of the negative clearance appeared to be 
preferable to a smart cut of the fragile acrylic worksheet. Moreover, in order to further discuss 
about cracking on the upper and lower surfaces of the worksheet, a two-dimensional FEM 
shearing model was developed and simulated. The simulation result of stress distribution on the 
worksheet surfaces at the sheared zone were investigated, compared with crack initiation position 
detected in the experiment and discussed.    
 Finally, the white-coated paperboard was subjected to the punch/die shearing, and its 
cutting characteristics were experimentally studied. In the shearing test, negative, zero and 
positive clearances were applied for cutting off the paperboard worksheet. After cutting, final 
sheared edges of the paperboard were examine using a scanning electron microscope (SEM). 
Through SEM images taken at the sheared edges, the generation of whisker-like dust was found to 
be dramatically suppressed under the negative punch/die clearance condition. To furthermore 
discuss about the generation of the dust, a material flow analysis at the sheared zone was 
conducted using an image-based analysis. From the analyzed material flow during shearing for 
each clearance case, the suppression mechanism of the whisker-like was explained. In addition, it 
was confirmed that the application of the negative punch/die gap was effective for suppressing the 
generation of the dust in various cutting directions.   


Effect of Tool Conditions on Cutting Characteristics of Resin and Paper Fiber Based Sheet Materials Subjected to Straight Shearing Tool Indentation

小杉, 健一朗

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Study on Morphology and Properties of Natural Rubber with Nanomatrix Structure

李, 智媛

 
論文の内容の要旨 
氏 名 李 智媛 
 
色素増感太陽電池は、低コスト、簡便な構造工程、環境低負荷といった多くの魅力的な特
徴から、世界的規模で研究が活溌に進められている。特に、1991 年にスイス国のローザンヌ
大学(EPEL)の Grätzel 教授らにより発表された新しいタイプの色素増感太陽電池は、真空装
置が不要で製造コストを大幅に削減できる可能性があること、今までの色素増感太陽電池に
比べ性能が格段に高くアモルファスシリコン太陽電池と同等以上の性能を持つこと、着色透
明な太陽電池が作れることなど、従来の太陽電池にはない魅力を持つことから世界的に注目
されている。 
 これまでの、色素増感太陽電池の課題として、主に耐久性向上、変換効率向上、大型セル
パネル、独自の応用分野開拓などの項目があり、各研究機関、企業が様々なアプローチにて
課題克服の検討を試みしている。多くの色素増感太陽電池は、ルテニウム錯体などの色素 (市
販名で N3, N719 など) を用いて作製されているが色素は高価であり、有害である。また、
紫外線により分解されやすく、耐久性に問題がある。このような問題点を解決するために、
天然由来色素に着目し、環境低負荷型の色素増感太陽電池を提案した。なかでも、数ある天
然色素の中で色素増感太陽電池への適用候補として、これまで廃棄処理されてきた海産物資
源のイカスミ由来の色素に着目した。イカスミ色素 (ユーメラニン) は、耐久性に優れている。
特に、太陽光の吸光特性が既存のルテニウム色素より広波長に渡っているという利点があり、
既存の太陽電池より高効率を望めるのではないかと着想した。また、酸化物ナノチューブの
体表的な一種である TiO2 ナノチューブ (TiO2 NT) は、水熱合成法とイオン交換過程から成
るプロセスにより、外径約 10 nm のナノチューブを簡便に高純度で合成できる。この自己組
織化 TiO2 NT は、光励起されたキャリアの寿命が長いことや、比表面積が非常に大きく、か
つ表面を覆っている OH 基によって有機物が吸着しやすい特性をもつことから、高効率な光
触媒材料や色素増感太陽電池のための負極材料として応用が期待されている。以上を踏まえ
て、本研究では、TiO2ナノ粒子(TiO2 NP)及び合成した TiO2 NT と天然色素を用いて色素増
感太陽電池の作製を行った。しかしながら、天然色素を色素増感太陽電池に適用するために
は、多くの問題があり、これまで実用化には結びついていない。その一つが天然色素の粒度
分布の広さに起因した問題である。本研究においては、環境低負荷型プロセスによるイカス
ミの微細化処理や、粒度分布の広い色素を利用できるチタニア構造の最適化に関する設計と
その具現化に取り組んだ。これらの研究を通じて得られた微細構造制御手法は他の天然色素
の活用へ展開出来るだけで無く、広く天然由来材料のデバイス応用に対する多くの知見を得
た。 
 本論文は、「環境低負荷型色素増感太陽電池の設計と開発に関する研究」と題し、以下の
6 章より構成されている。 
第 1 章では、本研究の背景として、太陽光エネルギーに関する現在の状況と色素増感太陽
電池について述べる。 
第 2 章では、色素増感太陽電池の作製にあたって本研究で着目した天然イカスミ由来の色
素(ユーメラニン)について構造分析の調査を行い、特性評価と観察を行った。さらに、もう一
つ着目したTiO2 NTの構造と合成方法、また、合成したTiO2 NTの特性評価について述べる。 
第 3 章では、天然イカスミ色素と TiO2 NT を用いた色素増感太陽電池の作製を行った。ま
た、作製する過程で生じた問題点を解決について検討を行い、その特性評価について述べる。 
第 4 章では、第 3 章で得られた結果を元に考案した。天然イカスミ色素の粒度分布が広く、
凝集していることから、環境低負荷プロセスで天然イカスミ色素の微細化処理を行った。ま
た、酵素分解で微細化処理した天然イカスミ色素を用いて色素増感太陽電池の作製と作製し
たセルの特性評価を行った結果を述べる。 
 第 5 章では、第 4 章から得られた知見を元に天然色素を用いた色素増感太陽電池のための
最適な構造を提案した。天然イカスミ色素は、酵素分解による微細化処理でも凝集している
ものが多いことから、天然イカスミ色素のための TiO2 NT を用いた電極構造制御が必要であ
ると考え、従来印加することのできない超高電場による電場配向技術が可能なナノ秒パルス
電源を用いて特徴的な柱構造制御手法を確立した。 
 第 6 章では、本研究において得られた成果をまとめと今後の展望について述べる。 
 
 
 
 


環境低負荷型色素増感太陽電池の設計と開発に関する研究

野下, 裕市

 別 紙 ２ 
論文審査の結果の要旨 
 
                         学位申請者   野 下 裕 市 
本論文は，「高周波配電に適用する電力変換装置を小型化するマルチレベル回路に関す
る研究」と題し，6 章より構成されている。 
第 1 章では，高周波配電の利用例や技術的要求事項を示し，本研究の目的を明らかにし
た。 
第 2 章では，電圧形と電流形マルチレベル回路の従来技術についてまとめ，高周波配電
に適用する際の問題点をまとめた。回路のマルチレベル化によって受動部品が小型化でき
る一方，回路構成が複雑化する問題について，電圧形についてはパワーフローを AC-DC 方
向に限定することでスイッチ数を低減できることを示した。また，電流形については線形
増幅動作を利用することで，制御回路を簡単化できることを示した。 
第 3 章では，スイッチ数を削減した電圧形 5 レベル PWM 整流器を提案した。提案回路の
受動素子パラメータの設計法を示し，実験によりその性能を評価した。また，レベル数の
異なる変換器との受動部品体積の比較を行った。さらに，EMC フィルタの体積についても 3
レベル変換器との違いについて考察し，パワー密度の向上と小型化に有利であることを確
認した。 
第 4 章では，第 3 章にて提案したスイッチ数を削減した 5 レベル PWM 整流器を高周波配
電に適用し，入力電流波形の改善手法を提案した。また，高周波配電系統で想定される負
荷変動，電源変動を考慮した実験による動作確認を行った。 
第 5 章では，受動部品と高周波スイッチング動作を用いずに，高力率かつ高効率な動作
を実現する，電流形マルチレベル回路を応用した交流 LED 駆動回路を示した。提案回路は
非線形負荷である LED を抵抗負荷に近づけることで，高力率動作を実現する。また，電流
バイパス回路を多段直列接続することで，線形動作領域の損失を低く抑えられる。シミュ
レーションおよび実験から，有用性を検証した。 
以上のように，本論文は，高周波配電に適用する電力変換器を小型化するため，電圧形
と電流形のマルチレベル回路を応用した回路方式を提案し，実機検証により有用性を確認
した。これらのマルチレベル電力変換器により，高周波配電に連系する電力変換器を小型
化することで，航空機や船舶のエネルギー効率向上に貢献できる。よって、本論文は工学
上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文として十分な価値を有す
るものと認める。 
 
                     審査委員主査  伊 東 淳 一   
 
 


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