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電力系統の混雑緩和を実現するシステムのフィールド実証を開始

2050年カーボンニュートラルに向け、分散型エネルギーリソースの活用による配電用変電所の混雑緩和の実現性を検証

学校法人早稲田大学は、東京電力パワーグリッド株式会社、株式会社三菱総合研究所、関西電力送配電株式会社、京セラ株式会社、国立大学法人東京大学生産技術研究所（東京大学）、中部電力パワーグリッド株式会社、東京電力エナジーパートナー株式会社、東京電力ホールディングス株式会社および三菱重工業株式会社の10者からなるコンソーシアム（以下、「本コンソーシアム」）において、NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）とともに「電力系統の混雑緩和^※1のための分散型エネルギーリソース制御技術開発 (FLEX DERプロジェクト)」（以下、「本事業」）に取り組んでいます。

本年5月1日より、本事業において、蓄電池などの分散型エネルギーリソース（以下、「DER」)^※2を活用した系統混雑緩和の実現性を確認するフィールド実証を開始したことをお知らせします。

フィールド実証では、実際の電力系統に実証用システムを構築し、配電用変電所の混雑緩和の実現性を確認するための技術的検証を行います。具体的には、再生可能エネルギー（以下、「再エネ」）の導入拡大によって大量に連系された太陽光発電の発電電力により、将来、配電用変電所の変圧器において混雑の発生が懸念される栃木県那須塩原市内の特定エリアにて実証用のDERフレキシビリティシステム^※3の検証を行います。

この検証結果を既存設備に最大限活用し、再エネ導入量を拡大させるためのシステム開発に活かすことで、2050年カーボンニュートラル実現に貢献してまいります。

• 本事業における早稲田大学の担当部門は、スマート社会技術融合研究機構（機構会長　林泰弘、機構長　田辺新一 ）です。

【注釈】

※1：再エネの大量導入時に、再エネにより発電された電力が電力系統へ大量に送り込まれることにより、電力系統の送配電線の電力潮流が増加し送配電可能電力量が減少することを電力系統の混雑という。一方、この混雑を解消する取り組み（負荷の消費電力を大きくし再エネの発電電力を吸収するなど）により送配電可能量が回復することを混雑緩和という。

※2：発電設備や蓄電設備、電気自動車、ヒートポンプなどの需要設備の総称。「Distributed Energy Resources」を略して「DER」とも呼ばれる。

※3：DERフレキシビリティとは発電電力や負荷の消費電力の大きさを柔軟に変化させることが可能な能力。本事業で、DERフレキシビリティシステムは、下図に示す三つのシステム／プラットフォームにより構成されるものと定義して開発を進めている。図中の「DSO」は「Distribution System Operator」の略で、一般送配電事業者である配電系統運用者を指す。

「電力系統の混雑緩和のための分散型エネルギーリソース制御技術開発 (FLEX DERプロジェクト)」の概要

1．背景

「第6次エネルギー基本計画」で示された「再生可能エネルギーの主力電源化」に向け、系統の増強と並行しながら既存系統を最大限に活用するために必要な技術開発が求められており、その一つとして分散型エネルギーリソース（以下、「DER」)の出力を制御し、電力系統の混雑緩和を行う技術があります。

本事業^※1では、再生可能エネルギー（以下、「再エネ」）の発電電力に起因して混雑が生じる配電用変電所の変圧器を対象に、その供給エリアにおいて、アグリゲーター^※2などと一般送配電事業者をつなぎ、DERの電力需要パターン制御（需要シフトなど）をすることで混雑緩和を実現するDERフレキシビリティシステムの構築に向けた技術開発を行っています。

2．フィールド実証の概要

（１）　概要

本事業では、DERフレキシビリティを活用した系統混雑緩和の実現性をフィールド実証により確認するため、検討事項を「一般送配電事業者における課題検討」（WG1）、「DERフレキシビリティ活用プラットフォームにおける課題検討」（WG2）、「アグリゲーターにおける課題検討」（WG3）、「フィールド実証」（WG4）の四つの項目に分類しております。

今回の栃木県那須塩原市におけるフィールド実証に向けては、一般送配電事業者がDERフレキシビリティを調達する際の募集要件やデータ連係手順案などを反映した業務フロー案を基に、各項目（WG）間で連携しながら検証項目の抽出やユースケースの設定、シナリオ案の作成について取り組むとともに、DERの導入（系統用蓄電池システムの設置など）や各種測定器の設置などフィールド実証の環境構築を並行して進めてきました。

このたび、フィールド実証の準備が整ったため、本年5月1日より、フィールド実証を開始しました。大量に連系された太陽光発電の発電電力により、配電用変電所の変圧器で混雑が発生することを想定し、複数のユースケースに沿って、実証用のDERフレキシビリティシステムの検証を行います。

（２）　実証期間

2024年度中に複数時期にて実証を行う予定であり、第１回目は2024年5月14日までの予定で5月1日に開始しています。

（３）　実証場所

太陽光発電を主とする再エネの導入拡大により、将来、混雑の発生が懸念される栃木県那須塩原市にある配電用変電所を抽出し、選定されたエリアにてフィールド実証を行います。

3．今後の予定

NEDOと本コンソーシアム^※3は、本フィールド実証での検証結果を基に、DERフレキシビリティシステムの要求仕様をまとめ、標準的な業務フローや通信仕様を確立します。

これによりDERを最大限活用できる仕組みを実現し、国内における再エネのさらなる普及拡大に貢献します。

【注釈】

※1　事業名： 電力系統の混雑緩和のための分散型エネルギーリソース制御技術開発（FLEX DERプロジェクト）

事業期間： 2022年度～2024年度
事業概要： ［https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100237.html］

※2　DERなどを統合制御し、エネルギーサービスを提供する事業者。

※3　東京電力パワーグリッド株式会社、学校法人早稲田大学、株式会社三菱総合研究所、関西電力送配電株式会社、京セラ　　株式会社、国立大学法人東京大学、中部電力パワーグリッド株式会社、東京電力エナジーパートナー株式会社、東京電力ホールディングス株式会社、三菱重工業株式会社の10者を指します。図2の四つの項目（WG）に分類し、各WG間で連携して検討を実施しています。

参考

系統用蓄電池システムの概要

フィールド実証用に設置した系統用蓄電池システムを東京電力パワーグリッド：箒根蓄電所として運用開始しております。

＜設備情報＞

設置場所：栃木県那須塩原市関谷地区
設備面積：528㎡
設備容量：リチウムイオン電池
・出力：1,999kW
・公称電力容量：6,310kWh

「透明度」「電気伝導度」「柔軟性」に優れる多点マイクロ電極搭載コンタクトレンズを開発

網膜の局所的応答測定に成功し緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価へ期待 今後事業化に向けた臨床試験へ

発表のポイント

• 市販のコンタクトレンズに搭載可能な、小さく透明で柔らかい複合マイクロメッシュ電極を実現
• 本研究グループがこれまでに開発した導電性高分子を用いた電極技術により実際に市販のコンタクトレンズへの貼付、および局所的に絶縁することに成功
• これにより、網膜の局所的な応答を計測する複数点同時網膜電位計測が可能
• 本成果は、緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価につながります

早稲田大学大学院情報生産システム研究科の三宅丈雄（みやけたけお）教授、・アザハリ・サマン助教の研究グループと山口大学大学院医学系研究科眼科学講座の木村和博（きむらかずひろ）教授・芦森温茂（あしもりあつしげ）助教らの研究グループは、市販のコンタクトレンズに搭載可能な、小さく透明で柔らかい多点マイクロ電極を開発し、これまで技術的な課題のあった網膜の局所的な応答を測定することが可能となることを確かめました。これは、半導体微細加工技術によって、実用にも耐えうる82%以上の光透過性を持ち、かつ、微小な電位を計測可能な複合マイクロメッシュ電極(導電性高分子と金の複合化)です。さらに、市販のコンタクトレンズに本マイクロ電極を貼り付け、網膜電図（ERG）計測に用いる以外のリード線を絶縁化することにも成功しました。開発した電極は、角膜上皮細胞を用いて95％以上の生存率を実現できること、また、家兎試験によって市販のERG電極と同等の性能を有することを確認しました。さらに、アレイ化された７マイクロ電極でERGを多点計測できることを確かめました。これら成果は、緑内障や網膜色素変性症に伴う盲点評価などにつながります。

以上は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）、キヤノン財団の助成による成果であり、2024年5月7日にWileyの科学誌「Advanced Materials Technologies」にオンライン版で公開されました。

図1. 透明で柔らかいマイクロ電極による多電極網膜電位計測システム

（１）これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

網膜電図（ERG，Electroretinogram）^※1は、光刺激に応答する網膜（視神経細胞が刺激される）から発生する電位を角膜上のセンサ電極で測定します。一般的には、網膜変性疾患の検査で利用されることが多く、基礎研究から臨床的な応用まで幅広く利用されています。

ERG測定には、電気化学計測（ポテンショスタットなど）と同様、検出電極（間電極）、参照電極（不間電極）、接地電極からなる3電極システムが必要です。検出電極は角膜または結膜に、参照電極は測定器のグランドに相当し、接地電極は耳たぶなどに接触させます(図２参照)。歴史的には、角膜上で計測するタイプと結膜周辺（リングやフックタイプのワイヤー電極）で検出する２種類のタイプが存在しますが、現在では角膜上で測るタイプが主流となっており、実用性や安全性の観点でレンズ形状に加工された硬質なプラスチック上に金属が配線された製品が市販されています。これら一般的な１電極によるERG計測は、学術的には全視野網膜電図（FF-ERG, full field electroretinogram）と言い、網膜の局所的な応答を取得することができないなどの課題を有していました。局所的な応答（=空間的な差異を調べる）を測定する方法として、多局所網膜電図（MF-ERG, multifocal electroretinogram）や多電極網膜電図（ME-ERG, multi-electrode electroretinogram）があります。MF-ERGは、光を網膜の特定の位置に照射し、その際のERGを単一電極で計測する手法となるため、高解像度でスキャン可能な光刺激装置が必要となります。一方、ME-ERGは、FF-ERGと同等の光照射システムが利用できますが、電極を多点配置して測定することが必要となるため、電極およびレンズ全体の透明性および加工技術などの高度化に課題を有していました。

図2．本研究で実現された主な成果

（２）今回の研究で実現したこと

このような背景の中、本研究グループは、半導体微細加工技術と電気メッキ技術を組み合わせることで透明度、電気伝導度、柔軟性に優れるメッシュ電極を作製し、ERG計測可能な多電極化、市販のコンタクトレンズ上への接合および局所的絶縁化に成功しました（図2）。また、安全性に関しては、角膜上皮細胞による細胞生死判定および家兎を用いた多電極ERG計測および評価にも成功しました。

（３）そのために新しく開発した手法とその性能

透明で柔らかい金属電極を作製するために、形状（Serpentine, square, zigzag, hexagon：図2左参照）、幅（5, 7, 9μm）およびユニット幅（200, 500, 1000 μm）を変えたマイクロメッシュ電極を作製し、透過性および10%歪を加えた際の抵抗値変化を評価しました（図3）。ここで用いた金属は、電気メッキで作製された金となります。透明性に関しては、すべてのマイクロメッシュ電極において、80％以上の透過性を示しましたが、10％歪においては、Serpentineとhexagonのみ歪に耐えうることを確認しました。ソフトコンタクトレンズを用いた場合、眼圧などの変化によってレンズに～3％程度の歪が生じるため、検出電極の伸縮性が求められます。また、開発したメッシュ電極は市販のコンタクトレンズ上に貼り付け、レンズ表面に作製し、角膜とコンタクトする必要があるため、本研究グループがこれまでに用いてきた導電性高分子を用いた電極技術を用いました（Advanced Materials Technologies, 4, 1800671, 2019.）。従って、金マイクロメッシュ上にＰＥＤＯＴ導電性高分子が被覆された構造となります。複合化されたマイクロメッシュ電極においても、80％以上の透過性を有することは確認済みです。

図3. 複合マイクロメッシュ電極性能評価
（ここでは、電極は１本のみ。上図：電圧印加後のメッシュ電極および配線電極のインピーダンス結果、中図：電圧印加による絶縁化概要図、下図：各電極部位における出力電圧測定）

次に、このマイクロメッシュ電極から計測に繋げるリード電極の絶縁をどうするかという課題が、最終的なターゲットである多点電極によるＥＲＧ計測で必須となることがわかりました。そこで、本研究グループは、メッシュ電極の導電性高分子のみの導電性を維持する方法として（すなわち、リード線に被覆された導電性高分子を絶縁化する方法）、電極全体の両端に直流電流を印加することで、リード線に流れる電流（図３におけるI1）と金マイクロメッシュ上に新たに流れる電流値（図３におけるI2）を電極構造で制御できることに気づき、COMSOL^※2を用いた計算機シミュレーションと実験的に確かめました。シミュレーションの結果より電流密度として約70倍以上の電流値の差があることを確かめ、実験的にリード線上の導電性高分子のみが過酸化されること、また、フーリエ変換赤外線分光法による分子振動解析で導電性高分子の構造変化を確かめました。さらに、通電試験を実施したところ、マイクロメッシュ電極を介してのみ電圧が計測されることを確かめました。

開発した複合化マイクロメッシュ電極の生物学的安全性と動物試験によるＥＲＧ計測電極としての性能を評価しました（図4）。ヒト由来の角膜上皮細胞(HCEC)を用いて、各マイクロメッシュ電極（Au, Au/PEDOT, Zn）上での細胞生存率を求め、その結果AuとAu/PEDOT電極上では90％以上の高い生存率を保つのに対し、Zn電極上では金属イオンのリークにより生存率が50％以下まで低下することが明らかになりました。従って、電気メッキで作製したAu/PEDOT複合電極は、十分な安全性を有していると言えます。さらに、本複合マイクロメッシュ電極をアレイ化(７電極)した多電極レンズを試作し、家兎の眼に装着させて各電極からＥＲＧが計測できることを確認しました。本研究で開発したメッシュ電極から取得した網膜電位信号は、市販のＥＲＧ電極と同等の性能を有していることを確認しています。

図4. 安全性および多点電極ERG計測評価
（上図：各電極における細胞生存率評価と蛍光顕微鏡評価、下図：家兎を用いたME-ERG計測結果）

（４）今後の展望

今後は、事業化に向け、本計測レンズを用いて臨床試験に取り組みます。また、本プロジェクトにご興味のある企業からのお問い合わせをお待ちします。

（５）用語解説

※1　網膜電図
可視光を照射した際に，網膜から発生する電位の変化を記録します。これによって、網膜が正常に働いているかどうかを診断することができます。

※2　COMSOL
有限要素法を基盤とするシミュレーションソフトウェア。基本的工学分野から様々な応用分野における計算機シミュレーションを実現することができます。

（６）論文情報

雑誌名：Advanced Materials Technologies
論文名：Multi-electrode Electroretinography with Transparent Microelectrodes Printed on a Soft and Wet Contact Lens
執筆者名：Lunjie Hu, Saman Azhari, Qianyu Li, Hanzhe Zhang, Atsushige Ashimori, Kazuhiro Kimura, and Takeo Miyake
掲載日（現地時間）：2024年5月7日
URL：https://doi.org/10.1002/admt.202400075
DOI：10.1002/admt.202400075

（７）研究助成

日本医療研究開発機構医療機器等研究成果展開事業（開発実践タイプ），JP23hma322020
キヤノン財団研究助成

演題：Rank two weak Fano bundles over the del Pezzo threefold of degree five

日時：2024年5月24日(金)16 :30-18: 10

会場：西早稲田キャンパス　51号館18階12室

講師：原　和平（東京大学 カブリ数物連携宇宙研究機構 特任研究員）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

主催：基幹理工学部　数学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

関連リンク：https://sites.google.com/view/waseda-ag-seminar

2024年度 基幹・創造・先進理工学部一般入試（2月16、17日実施）の「数学」「物理」「化学」「生物」「空間表現」の記述解答問題について、出題の意図を公表いたします。

●2024年度理工一般　出題意図（数学）
●2024年度理工一般　出題意図（物理）
●2024年度理工一般　出題意図（化学）
●2024年度理工一般　出題意図（生物）
●2024年度理工一般　出題意図（空間表現）

※一般入試問題およびマーク解答問題の解答については、こちらを参照ください。

演題：石川県立図書館の現場～整備の調整役が考えたこと

日時：2024年6月14日(金) 13：10－14：50

会場：西早稲田キャンパス　56号館 104教室

講師：嘉門　佳顕（石川県能登半島地震復旧・復興推進部生活再建支援課 専門員）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

主催：創造理工学部　建築学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

演題：アカデミアの成果を社会実装する～産学官で採用を担当した経験より～

日時：2024年6月7日(金) 15：05－16：45

会場：西早稲田キャンパス　54号館403教室

講師：小泉　智信（理化学研究所　創薬・医薬技術基盤プログラム　副プログラムディレクター）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

主催：先進理工学部　化学・生命化学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

演題：Linear evolution PDE on semi-bounded domains revisited via a modern approach

日時：2024年5月25日(土) 16：10―17：50

会場：西早稲田キャンパス 55号館N棟2階物理応物会議室

講師：Andreas Chatziafratis(post-doctoral researcher National & Kapodistrian University of Athens)

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へ

主催：先進理工学部　先進理工学研究科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

関連リンク：http://www.ozawa.phys.waseda.ac.jp/sams/index.html

演題：フェアリー化合物の科学とその応用展開

日時：2024年5月13日(月) 17：00 – 18：40

会場：早稲田大学　120-5号館121会議室

講師：河岸　洋和（静岡大学　特別栄誉教授）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

ｵﾝﾗｲﾝ参加希望の場合は、[email protected]へお申込ください。

主催：早稲田大学 先進理工学部　生命医科学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

早稲田大学先進理工学部応用化学科_公募要領

このたび、早稲田大学の研究者4名が、科学技術分野で顕著な功績があったとして、「令和6年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰」を受賞しました。
日本の科学技術の発展等に寄与する可能性の高い独創的な研究又は開発を行った研究者を表彰する「研究部門」に、理工学術院の片岡淳教授、熊谷隆教授、嶋本薫教授および文学学術院の竹村和久教授が選ばれました。なお、当該部門の応募件数は226件で、受賞件数は51件（59名）でした。

以下に、各受賞者のコメントを掲載いたします。

科学技術賞　研究部門

受賞業績：元素の色を可視化する革新的薬物動態イメージング研究
理工学術院　片岡 淳　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を戴きまして誠に光栄に存じます。学生時代より宇宙のロマンに惹かれ、目に見えない光であるＸ線やガンマ線を駆使した巨大ブラックホールの研究や、衛星搭載カメラの開発に従事してきました。2012年には宇宙分野で科学技術賞（若手科学賞）を戴きましたが、今回のテーマは、より身近な医療への新たな展開となります。たとえば宇宙の元素合成を応用すれば、これまで可視化が難しかった様々な薬剤、たとえば抗がん剤の体内動態を可視化することができます。さらに、「宇宙を観る眼で人体を診る」新しい手法を開発しました。理工医薬を横断する壮大なテーマで毎日が勉強の日々ですが、良い共同研究者と学生さんに恵まれ、楽しく研究を進めています。これまでご支援を賜わりました多くの皆様に心より感謝申し上げると同時に、今後も変わらぬご指導、ご鞭撻の程、何卒よろしくお願い申し上げます。

受賞業績：複雑な系の上の異常拡散現象の研究
理工学術院　熊谷 隆　教授

受賞コメント
この度、科学技術賞（研究部門）をいただき、大変光栄に存じます。共同研究者の皆様はじめ多くの方々のお力添えの賜物であり、心から感謝しております。また、２年前に本学に赴任しまして以降、早稲田大学には快適な教育・研究環境を提供していただき、同僚の皆様にはいつも温かく接していただいております。この場を借りて深く御礼申し上げます。
私の研究テーマは、複雑な形状を持つ図形上の拡散現象の解析です。形状が複雑なため、通常の拡散とは異なる異常拡散現象が生じますが、確率論や解析学を用いて異常拡散の程度を定量的に評価し、図形のどのような性質が異常拡散を引き起こすのかを研究しております。このテーマは様々な応用分野に関連しており、諸分野の研究者の皆様との交流を通じてさらなる研究の発展に繋げたいと考えております。皆様のご研究で関連がありそうな問題がございましたら、是非お声がけください。どうぞよろしくお願いいたします。

受賞業績：航空宇宙通信の多角的な研究
理工学術院　嶋本 薫　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）を受賞させて頂きまして、誠に光栄に存じます。中学生時代BCL（海外短波放送受信）が一大ブームを起こしており、私も短波ラジオを片手に海外の珍放送局の探索などを行っていました。日々刻刻と変化する電波伝搬状況に一喜一憂するうちに１０W程度の出力で地球を１周以上も伝搬することに興味を覚え独学で無線通の勉強し始めましたが、当時使っていた関連書籍の著者が皆同じ大学の出身者だったので中学の時点で志望校を決定していました。修士時代から世界初の衛星データ通信ネットワーク構築の研究に従事し、その後大学で教員になってからは低軌道衛星、成層圏飛翔体、航空機間通信など先駆けて研究発表を行い、今では宇宙エレベータ通信まで手掛けています。また同時に６Gに向けた地上系モバイル通信や光と無線を組み合わせたバイタルセンシングなど幅広い分野も手掛けていますが、一方で原点である短波帯の電波伝搬の研究も継続しています。今でも短波帯の信号を受信するたびに当時を思い出し初心に帰る気がします。

受賞業績：行動意思決定論の再構築とそれに基づく社会実践研究
文学学術院　竹村 和久　教授

受賞コメント
この度は、文部科学大臣表彰・科学技術賞（研究部門）をいただき、光栄に存じます。今回の受賞は、共同研究者の皆様、早稲田大学の教職員・学生をはじめとして多くの方々のご支援の賜物であり、謹んでお礼申し上げます。
行動意思決定論は、心理学、経営学、行動経済学、感性工学、行動計量学、神経科学、精神医学などのさまざまな分野と密接な関係を持っています。簡単に言うと、「人々がどのような意思決定をしているか」、「どのようにしたらより良い意思決定ができるか」、「どうしたら最悪の意思決定を回避できるか」ということを課題としています。これからも研究に微力を尽くしたいと存じますので、ご指導、ご鞭撻のほどよろしくお願い申し上げます。
尚、これまで学部や大学院で、心理学、経済学、情報工学、経営工学、統計学、精神医学などを勉強させていただきましたが、その中でご指導いただいた諸先生、ご助言をいただいた諸先輩、友人の皆様に、改めて感謝申し上げます。

硫黄と水素結合を組み合わせ、発光デバイスの効率向上につながる新材料を実現

屈折率1.8超、分解可能な透明プラスチックを開発

発表のポイント

「分極性水素結合」という新たな構造に着目し、8以上の超高屈折率と可視光透明性を同時に満たすプラスチックを開発した。

今回開発したプラスチックは、優れた光学特性と柔軟性、リサイクル性を併せ持ち、従来よりも低負荷で発光電気化学セル (LEC) を作動させることにも成功した。

有機ELディスプレイの輝度や光学素子の画素向上が期待できるほか、光学プラスチックに環境適合性を付与する第1歩に繋がる。

早稲田大学 理工学術院の小柳津研一（おやいづけんいち）教授、および渡辺清瑚（わたなべせいご）次席研究員、ミュンヘン工科大学 StraubingキャンパスのRubén D. Costa 教授、およびLuca M. Cavinato 博士課程学生らの研究グループ（以下、本研究グループ）は、硫黄を含む水素結合を組み込んだ独自の高分子を設計し、従来達成が難しいとされていた1.8以上の超高屈折率と透明性を両立し、使用後には分解できる新しいプラスチックを開発しました。

従来の超高屈折率高分子は多くが着色を呈するため、有機発光ダイオード (OLED) などの可視光用途への応用が難しい課題がありました。今回開発した材料はポリマー鎖同士が「分極性水素結合」により密に絡み合うことで、着色なく屈折率を向上できるほか、柔軟性と分解性も併せ持つため、従来よりも低負荷で作動する、リサイクル可能な発光素子の実現に繋がります。本研究の概念は、有機ELディスプレイの輝度向上や、より高画素なマイクロレンズを実現できる透明材料の開発に繋がるほか、環境適合性の高い光学プラスチックの設計指針を提示する重要な知見を与えるものと考えられます。

本研究成果は、2024年4月12日 (金曜日) 8時（現地時間）にWiley-VCH刊行の『Advanced Functional Materials』誌にオンライン掲載されました（論文名：Polarizable H-bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s: Unprecedented High Refractive Index, Transmittance and Degradability at Force to Enhance Lighting Efficiency）。

（１）これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

高屈折率ポリマー (以下、HRIP) ^*1 は発光デバイス (有機発光ダイオード (OLED) など) の輝度や効率の向上に欠かせない材料で、デバイスのコーティング剤として使うことでより多くの光を取り出せるようになります。近年、HRIPの屈折率を向上させる研究の進歩は顕著で、例えば硫黄の含有率を高める手法が基本的な方法論として確立されています。一方で、HRIPの開発において屈折率と可視光透明性はトレードオフの関係にあるため、1.8以上の超高屈折率と、発光素子に適用できる十分な透明性を併せ持つHRIPの実現は困難でした。

（２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

（新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと）

本研究グループは、HRIPがフィルムなどの固体状態で生じる高分子鎖の隙間 (空気など) が屈折率低下の要因であると捉え、分子間の相互作用力の一つである水素結合^*2を組み込むことで隙間を減らし、屈折率が向上すると着想しました。その結果、透明性を保てる範囲で硫黄含量をできるだけ大きくしつつ、この隙間の割合を減らした分子設計を施すことで、HRIPの屈折率と透明性を同時に向上させることに成功しました。

（そのために新しく開発した手法）

研究グループは以前、硫黄を含むポリマーの1つであるポリ(フェニレンスルフィド) ^*3の側鎖に、水素結合性のヒドロキシ基 ^*4を導入することで、屈折率が劇的に向上することを見出しました (Macromolecules 2022: https://doi.org/10.1021/acs.macromol.1c02412など)。今回の研究は、本概念を拡張し、HRIPの構造としてポリ(チオウレア^*5)に初めて着目したものです (図２)。

チオウレアに含まれる硫黄原子は分極^*6しやすいため、密で無秩序な「分極性水素結合」を形成できる特殊な性質を示し、可視光域 (400-800 nm) で超高屈折率 (1.8) と十分な透過率 (92%以上) を両立しました。溶液プロセス^*7により均一で透明な薄膜も作製でき、ポリ(チオウレア)をコーティングした発光電気化学セル (LEC)^*8の外部量子効率^*9は最高12% (相対比) 向上しました。またポリ(チオウレア)に対し、原料のジアミン化合物を添加して50℃で加熱するのみで、急速に分子量^*10が低減し原料に近いレベルまで分解できることを明らかにしました。この性質は材料の循環性や再利用性の向上に寄与し、寿命を高めることにも繋がります。

（３）研究の波及効果や社会的影響

本研究で開発したポリ(チオウレア)は、従来の光学材料が抱えていたトレードオフを解消できるとともに、穏和な条件での分解性を付与した初めての例であり、従来よりも低負荷で作動しリサイクル可能な有機ELの実現が期待できます。種々の基板に対して簡便に製膜できる点も魅力的で、「一塗りするだけで」発光効率を上げることができる画期的な材料です。

（４）課題、今後の展望

本研究でポリ(チオウレア)が超高屈折率と透明性を両立することは実証されたものの、その限界値は未解明である上、さらに厳密かつ迅速に分解可能な構造を探索する必要があります。今後、ポリ(チオウレア)の化学構造や硫黄含量などを精密に制御することで、「使用時はさらに優れた屈折率と安定性を両立し、使用後のリサイクル効率の高いHRIP」の実現に繋げたいと考えています。

（５）研究者のコメント

HRIPの屈折率を高める研究は顕著に発展していますが、実際のデバイスで要求される透明性、製膜性、耐久性を網羅的に両立できる設計や、環境問題を志向した機能付与に関する研究はまだ十分行われているとはいえません。本研究では、これらの課題を一挙に解決しうる第一歩を実証できたことから、今後更なる化学構造の拡張と材料開拓によって、従来ない画期的機能を示す透明材料が生まれることが強く期待できます。

本論文は早稲田大学とミュンヘン工科大学との共同研究によるものです。ミュンヘン工科大学側の共著者の一人であるRubén Costa教授は、早稲田大学スーパーグローバル大学 (SGU) 創成支援事業によるエネルギー・ナノマテリアル拠点のジョイントアポイントメント教員として早稲田大学に滞在したことがあり、本成果はSGUプログラムによる研究の国際化の成果の一つと位置付けられます。第一著者である渡辺清瑚氏はこの3月に早稲田大学で博士学位を取得し、4月から早稲田大学の講師として研究を継続しています。現在は更なる展開を期待してCosta教授の研究室との共同研究を展開中です。

（６）用語解説

※1　高屈折率ポリマー (HRIP)

定義により異なるが、一般的に7以上の屈折率を示す透明な高分子 (ポリマー) の一群。高屈折率であればあるほど、光を大きな角度で曲げることができる。

※2　水素結合

電気陰性度の低い水素原子と、電気陰性度の高いヘテロ原子 (酸素・窒素・硫黄など) が有する孤立電子対の間で働く静電的な相互作用。

※3　ポリ(フェニレンスルフィド)

ベンゼン環と硫黄の繰り返し構造を有する、スーパーエンジニアリングプラスチック (スーパーエンプラ) の一つ。耐熱性や耐薬品性に優れるなどの特徴を有する。

※4　ヒドロキシ基

酸素原子と水素原子が共有結合でつながった構造を有する官能基。水素結合を形成する代表的な化学構造である。

※5　チオウレア

窒素原子、硫黄原子を多量に含む、水素結合性を示す化学構造の一種。従来は有機合成反応の触媒や、エネルギー貯蔵高分子の部分構造として用いられてきた。

※6　分極

光 (主に紫外〜可視光) が照射された際に電子の偏りが生じる性質。ベンゼン環、硫黄などが分極性の高い官能基の例として挙げられる。

※7　溶液プロセス

ポリマーを溶媒に溶かし、製膜する手法のこと。例えば、溶液を基板に滴下して風乾するドロップキャスト法や、遠心力を利用して製膜するスピンコート法が挙げられる。発光素子の作製工程に用いられる場合が多い。

※8　発光電気化学セル (LEC)

発光素子の一種で、発光する化合物と電解質を混合した発光層を有する点が特徴。一般的な発光素子として知られる有機発光ダイオード (OLED) と比較し、単純な素子構成、要求される印加電圧が低い、より簡便に作成できるなどの利点を有する。

※9　外部量子効率

発光素子に注入されたキャリア (電荷) のうち、光子 (フォトン) として取り出された数の割合。高いほど損失なく光が取り出されていることを意味する。

※10　分子量

化合物の質量。ポリマーの場合、鎖の長さに対応する。分解反応が進行する場合、時間の経過とともに分子量は低く遷移する。

（７）論文情報

雑誌名：Advanced Functional Materials
論文名：Polarizable H-bond Concept in Aromatic Poly(thiourea)s: Unprecedented High Refractive Index, Transmittance and Degradability at Force to Enhance Lighting Efficiency
執筆者名（所属機関名）：Seigo Watanabe¹, Luca M. Cavinato², Vladimir Calvi³, Richard van Rijn³, Rubén D. Costa², Kenichi Oyaizu^1
　1早稲田大学、²ミュンヘン工科大学、³ Applied Nanolayers
掲載日時（現地時間）：2024年4月12日（金）8時
掲載日時（日本時間）：2024年4月12日（金）15時
掲載URL：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404433
DOI：10.1002/adfm.202404433

（８）研究助成

研究費名：有機エネルギーマテリアル化学の確立と展開
研究課題名：文部科学省　科研費　基盤研究(A) (21H04695)
研究代表者名（所属機関名）：小柳津研一（早稲田大学）

研究費名：ソフト分極構造の多重集積による光・電場機能高分子の革新
研究課題名：文部科学省　科研費　挑戦的研究 (開拓) (22K18335)
研究代表者名（所属機関名）：小柳津研一（早稲田大学）

研究費名：分子間相互作用の制御に基づく含硫黄超高屈折率ポリマーの創出
研究課題名：文部科学省　科研費　特別研究員奨励費 (22KJ2927)
研究代表者名（所属機関名）：渡辺清瑚（早稲田大学）

上記のほかに、早稲田大学理工総研アーリーバード、みずほ学術振興財団 工学研究助成、EU DET-OPEN (MSCA-ITN STiBNite No. 956923) の支援により実施されました。

【キーワード】

透明プラスチック、発光デバイス、屈折率、硫黄、水素結合、分解性

教員人事公募要領

文部科学省卓越大学院プログラム『パワー・エネルギー・プロフェッショナル(PEP)育成プログラム』は、
電力・エネルギー新産業創出に寄与する人材を輩出することを目的とした修士・博士後期5年一貫の博士人材育成プログラムです。
＜ご参考＞
PEP卓越大学院プログラムHP　https://dpt-pep.w.waseda.jp/
パンフレット　https://dpt-pep.w.waseda.jp/pamphlet/
募集要項出願書類　https://www.waseda.jp/fsci/admissions_gs/guidelines/pep/

この度、本プログラムの2024年9月(7期生)・2025年(8期生)進入/編入募集説明会を以下のように開催致します。
当日は、プログラム説明後に現役PEP生も参加して、皆さんの質問にお答え致します。
奮ってお申込みください。
＜概要＞
対象：現在、電力系・エネルギーマテリアル系を専攻分野としている（あるいは現在それらの分野に関心がある）以下の学生、社会人
・学部3年生、4年生
・修士課程／一貫制博士課程1年生、2年生
・2024年9月・2025年4月に以下の参画専攻博士後期課程入学予定者
［参画専攻］
・基幹理工学研究科（機械科学・航空宇宙専攻、電子物理システム専攻）
・創造理工学研究科（地球・環境資源理工学専攻）
・先進理工学研究科（応用化学専攻、電気・情報生命専攻、ナノ理工学専攻、先進理工学専攻）
・環境・エネルギー研究科（環境・エネルギー専攻）

日時：2024年5月23日（木）12:30～13:10（途中入退室可）
形式：Zoomオンラインミーティング（申請フォームから参加登録いただいた方にURL詳細等、5/22(水)を目途にメールでお送り致します。）
内容：・PEP卓越大学院プログラム概要説明（研究指導・支援体制、カリキュラム、進路、経済的支援等)
・2024年9月(7期生)・2025年4月(8期生)進入/編入募集日程
・質疑応答（プログラムコーディネーター林 泰弘教授、PEP事務局が質問にお答え致します。）
・現役PEP生の体験談と質疑応答

＜申請フォーム＞
PEPプログラムに少しでも関心のある方はお気軽に、以下URLよりお申込みください。
https://x.gd/dH9Dl

申込締切：5月23日（木）10:00まで

＜お問合せ＞
PEP卓越大学院プログラム事務局（51号館1F理工統合事務所内）
TEL：03-5286-3238　Email：[email protected]

社会文化領域コースの進入説明会を、2024年5月30日 (木) にオンラインで開催します。今回の対象は、総合機械工学科、応用化学科を除く全学科の学生です。
関心のある学生は、以下のポスターおよび社会文化領域ウェブサイト上の情報をよく確認し、必要な手続きをとってください。

• orientation-2024-02

演題：革新的ペプチド合成〜旧来のペプチド合成を根本的に改める、全く新規なペプチド合成〜

日時：2024年6月14日(金)16：30－18：10

会場：西早稲田キャンパス　63号館 2階 03会議室

講師：山本　尚（中部大学　先端研究センター　特定教授）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

主催：先進理工学研究科　化学・生命化学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

関連リンク：https://www.chubu.ac.jp/research/institute/molecular-catalyst/member/hisashi-yamamoto/

演題：やわらかい二次元材料をつくる～応用化学での二刀流で挑む～

日時：2024年6月28日(金) 15：05－16：45

会場：西早稲田キャンパス　56号館101教室

講師：緒明　佑哉（慶應義塾大学　理工学部　応用化学科　教授）

対象：学部生・大学院生、教職員、学外者、一般の方

参加方法：入場無料、直接会場へお越しください。

主催：先進理工学部　応用化学科

問合せ：早稲田大学 理工センター 総務課

TEL：03-5286-3000

「革新的情報通信技術(Beyond 5G(6G))」のNICT事業に採択

〜ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現する革新的基盤技術の開発〜

学校法人早稲田大学(研究分担者 三宅 丈雄 教授)、国立大学法人東京農工大学(代表研究者 大学院工学研究院 高木 康博 教授)、国立大学法人徳島大学(研究分担者 山本 健詞 教授、水科 晴樹 客員准教授)、シチズンファインデバイス株式会社(注1、以下 シチズンファインデバイス)、株式会社シード(注２、以下 シード)は、革新的情報通信技術(Beyond 5G(6G))基金事業 要素技術・シーズ創出型プログラムに関する国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT(エヌアイシーティー))の公募事業に採択されました。今後、「ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現する革新的基盤技術の開発」をテーマとして研究開発に取り組んでいきます。

サイバー空間を現実空間と一体化させるSociety5.0のバックボーンとなるBeyond5G (6G)の能力を最大限に活用し、人々の豊かな生活を実現するためには、生活の中に溶け込むAR技術の実現が必要になります。本研究開発では、次世代のAR（Augmented Reality：拡張現実）技術実現のために、目に直接装着できるコンタクトレンズディスプレイの実現を目標とします。

これまで、コンタクトレンズディスプレイには「コンタクトレンズ内の表示デバイスに目がピント合わせできない」という根本的な問題がありました。本研究開発では、その解決に「ホログラフィー技術を用いて自然な目のピント合わせを可能にする」という独自の原理を用います。また、将来の幅広い普及を可能にするために、ソフトコンタクトレンズと同程度の薄さ、高い酸素透過率と含水性の両立を目指します。そのためには、従来とはレベルが異なる革新的な小型化・薄型化・ウェットデバイス技術の開発が必要となります。本研究開発は、ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイを実現するために最も基盤となるコア技術の研究開発に取り組みます。

ホログラフィックコンタクトレンズディスプレイが実現すれば、サイバー空間と目が直接接続されることになり、必要な情報をいつでもどこでも即座に入手可能になるため、Beyond5Gが提供する「拡張性」が最大限活用されるようになります。

図1　Beyond5GのARディスプレイ

図2　コンタクトレンズディスプレイで実現される社会

図3 本研究開発で開発するホログラフィックコンタクトレンズディスプレイのコア技術

東京農工大学、徳島大学、早稲田大学、シチズンファインデバイス、シードは、2024年度から2026年度までの間に本研究開発に共同で取り組みます。本研究開発で開発するコア技術と各機関の担当を以下に示します。

1. 像形成技術：超薄型ホログラム光学系(東京農工大学)、ホログラム計算(徳島大学)
2. 空間光変調器：超小型・超薄型空間光変調器(シチズンファインデバイス)
3. 電子デバイス技術：薄型アンテナ、共振結合回路、小型回転角センサ(早稲田大学)
4. コンタクトレンズ内蔵技術：構造開発、防水技術、溶出検査、組み立て技術(シード)
5. 視機能への影響評価：焦点合わせ、外界との融合、眼球運動との整合性(徳島大学)