CN107210685A - 基于电荷泵的人造闪电发电机及制造其的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制造基于电荷泵的人造闪电发电机的方法包括以下步骤：在制备好的基板上形成第二电极，在第二电极之下形成具有海绵结构的带负电体，使用甲苯溶液从带负电体去除球形聚合物粒子，允许金属粒子穿透到带负电体中，在带负电体之下预定距离处的位置中形成带正电体以便产生电荷，将带正电体的表面纳米结构化，用第二金属粒子涂覆带正电体的纳米结构化的表面，在维持在向下的方向上离带正电体的一侧恒定距离的同时形成用于电荷分离的接地层，以及在带正电体之下预定距离处的位置中形成用于电荷积累的第一电极。因此，本发明能被小型化，能从诸如风、振动或声音的微小能量中产生高输出的能量，并且能显著地减少根据能量收集所致的成本。

Description

基于电荷泵的人造闪电发电机及制造其的方法

技术领域

本发明涉及基于电荷泵的人造闪电发电机以及制造其的方法，且更具体地，涉及通过在“电荷泵(电荷生成器、电荷分离器和电荷积累器的集成系统)”中采用闪电产生原理、开发用于电荷泵系统的带电体的新材料、设计器件、以及实现集成系统设计而制造的高输出的基于电荷泵的人造闪电发电机，以及制造其的方法。

本发明还涉及通过采用利用基于静电感应的接地层与导体之间的电荷转移以有效率地分离电荷的电荷积累器、基于振动结构建模设计器件结构、设计能够有效率地使用外部能量的系统、以及确保可靠性而制造的持续可操作的、环境友好的且高输出的基于电荷泵的人造闪电发电机，以及制造其的方法。

背景技术

大自然中闪电击打向地面提供大约十亿焦耳或更多的能量。如果闪电的能量可转化成电，则可以产生大量的清洁能源。

然而，因为应建造昂贵的闪电塔并且能量输出时间非常短，所以能量产生的效率低。

闪电由积雨云中的水汽分子与冰晶之间的摩擦引起。由于摩擦产生的正电荷和负电荷被有效地分离并基于冰晶的密度积累在云的上部和下部中，并且大量电荷由于由电荷分离导致的大电位而被释放。如果以手掌大小可实现以上技术，则该技术可以应用于各种各样类型的便携式电子产品并用于辅助电池源。

归因于摩擦的能量产生利用当两个带电体摩擦在一起时引起的材料之间的电荷转移，并且与用于将小能量转化成电的另外的系统相比，由于其高的能量转化效率，可以通过使用小的外部应力而实现高输出。此外，与用于将例如热或阳光的小能量转化成电的另外的系统相比，时间限制和空间限制小。此外，能量可以不知疲倦地可持续地产生，这通常由典型的能量收集技术导致，典型的能量收集技术用于通过使用压电材料的内部应变而产生能量。

然而，电荷可以由于两个带电体之间受限的电荷转移而不均匀地分布在带电表面中，低输出电流可以由装置中产生的电荷的大量损失导致，并且输出特性在低频率处可以迅速地劣化。

此外，因为迄今为止进行的大部分研究使用已有的硅基材料(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))，所以需要能够改变典型平台的创新的新材料和结构。

(现有技术文献)

(专利文献)

KR 10-0433327(18.05.2004)

发明内容

技术问题

因此，本发明提供通过在“电荷泵(电荷生成器、电荷分离器和电荷积累器的集成系统)”中采用闪电产生原理、开发用于电荷泵系统的带电体的新材料、设计器件、以及实现集成系统设计而制造的高输出的基于电荷泵的人造闪电发电机，以及制造其的方法。

本发明还提供通过采用利用基于静电感应的接地层与导体之间的电荷转移以有效率地分离电荷的电荷积累器、基于振动结构建模设计器件结构、设计能够有效率地使用外部能量的系统、以及确保可靠性而制造的持续可操作的、环境友好的且高输出的基于电荷泵的人造闪电发电机，以及制造其的方法。

技术方案

根据本发明的一方面，一种根据本发明的制造基于电荷泵的人造闪电发电机的方法包括：(a)在制备好的基板上形成第二电极，(b)在第二电极之下形成海绵结构的负带电体，(c)通过使用甲苯溶液从负带电体去除球形聚合物粒子，(d)将第一金属粒子插入到负带电体中，(e)在负带电体之下在与负带电体间隔开一定距离的位置处形成正带电体以产生电荷，(f)将正带电体的表面纳米结构化，(g)用第二金属粒子涂覆正带电体的纳米结构化的表面，(h)在维持离正带电体一定距离的同时在正带电体的一侧之下形成接地层以分离电荷，以及(i)在正带电体之下在与正带电体间隔开一定距离的位置处形成第一电极以积累电荷。

发明的有益效果

在根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机及制造其的方法的基础上，可以制造小型发电机，可以通过使用诸如风、振动或声音的小能量而产生高输出的能量，并且可以大大减少能量收集成本。

此外，经济效益可以通过关于带电体的新材料的源技术以及关于新概念基于电荷泵的器件结构和电荷泵系统的原始专利被实现。

附图说明

图1是根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的概念视图。

图2是根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的剖视图。

图3是用于描述制造根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的正带电体的工艺的视图。

图4是用于描述制造根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的负带电体的工艺的视图。

图5是用于描述根据本发明的制造基于电荷泵的人造闪电发电机的方法的视图。

图6是用于描述驱动根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的方法和原理的视图。

具体实施方式

在下文中，将通过参照附图说明本发明的实施方式而详细描述本发明。说明书和权利要求中使用的术语不应限于常规含义或词汇含义，并且应被解释为具有与本发明的技术想法对应的含义和概念以便最恰当地描述本发明。

应理解，不旨在将本发明的实施方式限于所公开的特定形式，但相反地，本发明的实施方式将覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。

图1是根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机以及制造其的方法的概念视图，图2是根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机以及制造其的方法的剖视图。

如图1和2中所示，根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机以及制造其的方法包括第二电极10、负带电体20、正带电体30、支撑件40、接地层50和第一电极60。

第二电极10被构造为柔性基板(未示出)上的单层或多层，所述柔性基板包括聚酯(PET)、聚醚砜(PES)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、Kapton等，所述单层或多层包括铝(Al)、镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、金(Au)和铟锡氧化物(ITO)中的至少一种。

负带电体20被提供在第二电极10之下并由于支撑件40的支撑而与下面将描述的正带电体30间隔开一定距离。

具体地，负带电体20包括海绵结构的聚合物，并且该海绵结构的聚合物中的孔21的尺寸取决于球形粒子(例如聚苯乙烯、硅石或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粒子)的尺寸以及蒸馏(DI)水的量而被通常确定为约0.1μm到约100μm。

海绵结构的负带电体20可以包括有机聚合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)或环烯烃共聚物(COC))或无机聚合物(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或ORMOCER)。

第二电极10和负带电体20与提供在它们之下的正带电体30间隔开一定距离，并由于外部刺激或荷重而产生电流和电压。

正带电体30被提供在负带电体20之下以由于支撑件40的支撑而与负带电体20间隔开一定距离。

在这种情况下，正带电体30使用柔性材料电极、使用采用银(Ag)纳米线31的复合材料电极、并用第二金属粒子32(例如Au、Ag、Al、Ni或Pt粒子)涂覆以提高电荷的产生。

具体地，现在参照图3简要地描述制造根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机的正带电体30的工艺。

为了制造用作正带电体30的使用Ag纳米线31的复合材料电极，Ag纳米线31如图3的操作(a)中所示地通过使用旋涂而均匀地分散在平坦的基板上，弹性环氧基聚合物如图3的操作(b)中所示地被涂覆在分散的Ag纳米线31上以形成其复合物，第二金属粒子32(例如Au、Ag、Al、Ni或Pt粒子)如图3的操作(c)和(d)中所示地被涂覆在Ag纳米线31的顶表面上以提高电荷的产生。

像第二电极10一样，第一电极60被构造为柔性基板(未示出)上的单层或多层，所述柔性基板包括PET、PES、PEN、Kapton等，所述单层或多层包括Al、Ni、Cr、Pt、Au和ITO中的至少一种。

支撑件40包括第一弹性支撑件41和第二弹性支撑件42。第一弹性支撑件41在第一电极60与正带电体30之间被垂直地提供在第一电极60的四个拐角处，第二弹性支撑件42在正带电体30与第二电极10之间被垂直地提供在正带电体30的四个拐角处。

上述第一弹性支撑件41和第二弹性支撑件42被构造为例如弹簧的弹性体以灵敏地响应外部刺激或荷重，从而通过根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机及制造其的方法而利用电流和电压的产生。

在这种情况下，第一弹性支撑件41和第二弹性支撑件42可以被构造为具有不同弹簧常数k的弹簧以控制外部荷重以及振动的大小和振幅。

具体地，第二弹性支撑件42的弹簧常数k可以为380N/m并且第一弹性支撑件41的弹簧常数k可以为780N/m，以由于单个荷重而可持续地产生摩擦。

接地层50被提供在第一电极60与电荷产生层(例如负带电体20和正带电体30)之间，并且可以由于接地而选择性地从正带电体30去除负电荷，使得仅带有正电荷的正带电体30由于静电感应而在第一电极60中有效率地积累电荷。

此外，接地层50如上所述地被插入以选择性地分离电荷、被构造为单层或多层、并且可以包括由于与地或外部装置的连接而能够选择性地分离电荷的材料(例如金属、陶瓷或聚合物)。

在这种情况下，提供在接地层50之下的例如弹簧的弹性体通过吸收向下施加到正带电体30的外部荷重而使接地层50与正带电体30之间能够进行稳定的接触。

现在参照图1至5描述根据本发明的制造基于电荷泵的人造闪电发电机的方法。

首先，制备基板(未示出)(S100)。

基板可以是包括PET、PES、PEN、Kapton等的柔性基板。

如图5中所示，构造为包括Al、Ni、Cr、Pt、Au和ITO中的至少一种的单层或多层的第二电极10形成在基板上(S200)。

负带电体20形成在图5的操作(a)中所示的第二电极10上(S300)。

现在参照图4详细描述负带电体20的形成。

负带电体20的形成(S300)包括：如图4的操作(a)中所示，将球形聚合物粒子(例如聚苯乙烯、硅石或PMMA粒子)与液体混合(S310)；如图4的操作(b)中所示，布置已混合的球形聚合物粒子(例如聚苯乙烯、硅石或PMMA粒子)(S320)；如图4的操作(c)中所示，通过在空气中干燥液体而去除液体(S330)；如图4的操作(d)中所示，将液态负电荷与球形聚合物粒子混合(S340)；以及如图4的操作(e)中所示，在球形聚合物粒子之间填充液态负电荷(S350)。

在这种情况下，如上所述，负带电体20的聚合物可以包括有机聚合物(例如PMMA、PET、PEEK、PS、PE或COC)或无机聚合物(例如PDMS或ORMOCER)、可以由于旋涂而被均匀地涂覆、并且可以维持在真空状态以允许聚合物溶液渗透在球形聚合物粒子之间。

液态聚合物可以在90℃下被热处理并被转变为具有柔性固态球形聚合物粒子和聚合物的结构。

然后，与基板分离并包括在负带电体20中的球形聚合物粒子通过使用甲苯溶液从负带电体20中被去除(S400)。

在这种情况下，球形聚合物粒子被溶解在甲苯溶液中8至24小时以被完全去除，因此负带电体20具有海绵结构。

第一金属粒子22(例如Au、Ag、Al、Ni或Pt粒子)形成在海绵结构的负带电体20中(S500)。

在这种情况下，第一金属粒子22可以与液体混合，然后在真空状态下与所述液体一起被插入到海绵结构的负带电体20的孔21中。

在第一金属粒子22和所述液体被插入到孔21中之后，由于90℃下的热处理，仅所述液体可以被选择性地去除，因此获得在其孔21中具有第一金属粒子22的海绵结构的负带电体20。

然后，如图5的操作(b)中所示，正带电体30在负带电体20之下在与负带电体20间隔开一定距离的位置处被形成(S600)。

正带电体30使用柔性材料电极并使用采用Ag纳米线31的复合材料电极。

正带电体30的表面被纳米结构化(S700)。

正带电体30的表面的纳米结构化包括：通过使用光刻在硅基板上形成图案(S710)；在图案形成之后通过使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)去除氧化物层(S720)；通过经由使用氢氧化钾(KOH)溶液蚀刻硅基板而制造具有与所形成图案的形状对应的凹线、立方体或锥体的模具(S730)；在制造的模具上旋涂非固化的Ag-纳米线-聚合物复合物(S740)；在真空状态下去除由于旋涂而产生的气泡，然后通过将Ag-纳米线-聚合物复合物暴露于紫外光而固化Ag-纳米线-聚合物复合物(S750)；以及从模具中去除已固化的Ag-纳米线-聚合物复合物(S760)。照此，可以获得纳米结构化的锥形表面结构。

第二金属粒子32(例如Au、Ag、Al、Ni或Pt粒子)被涂覆在正带电体30的纳米结构化的表面上以提高电荷的产生(S800)。

图5的操作(c)中所示的接地层50在维持离正带电体30一定距离的同时形成在正带电体30的一侧之下(S900)。

在这种情况下，接地层50可以被构造为包括Al、Ni、Cr、Pt、Au和ITO中的至少一种的单层或多层。

最后，图5的操作(c)中所示的积累层或第一电极60在正带电体30之下在与正带电体30间隔开一定距离的位置处被形成(S1000)。

由于上述操作S100至S1000，根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机如图5的操作(d)中所示地被制造。

现在参照图6描述驱动根据本发明的上述基于电荷泵的人造闪电发电机的方法和原理。

如图6的操作(a)中所示，在初始状态中，负带电体20具有负电荷，正带电体30由于分离到正带电体30的上部和下部的正电荷和负电荷的结合而成中性，第二电极10由于由负带电体20的负电荷引起的静电感应而失去电子从而感应出正电荷，第一电极60感应出负电荷。

在上述初始状态中，当外部荷重如图6的操作(b)中所示地被施加到根据本发明的基于电荷泵的人造闪电发电机时，第二弹性支撑件42由于不同的弹簧常数而被首先压缩，从而在负带电体20与正带电体30之间发生摩擦。

在这种情况下，正带电体30的电荷由于负带电体20的负电荷而被分离成在正带电体30的上部和下部中的正电荷和负电荷，并且电子由于基于电荷泵的人造闪电发电机中的电荷平衡而不移动到外部电路。

然后，如图6的操作(c)中所示，当外部荷重被持续施加到基于电荷泵的人造闪电发电机时，正带电体30的下部中的负电荷在第一电极60的表面上感应出正电荷，并且电子从第二电极10移动到第一电极60以产生输出电流。由于接下来第一弹性支撑件41的压缩，如图6的操作(d)中所示，在正带电体30的下部与接地层50之间发生摩擦，并且具有相对大量的负电荷的上层(例如第二电极10、负带电体20和正带电体30)的负电荷可以通过接地层50被选择性地分离。

最后，如图6的操作(e)中所示，摩擦发生在每个层中，在这种情况下，电荷和电子由于基于电荷泵的人造闪电发电机中的电荷平衡而不移动。

然后，如图6的操作(f)中所示，当外部荷重被去除时，构造为第一弹性支撑件41和第二弹性支撑件42的弹簧被几乎同时释放。照此，以极小的时间差，正带电体30与第二电极10之间的第二弹性支撑件42的弹簧首先被释放，然后正带电体30与第一电极60之间的第一弹性支撑件41的弹簧被释放。

当第一弹性支撑件41的弹簧稍后被释放时，正带电体30的上表面中的正电荷在其下表面上感应出负电荷以接收从接地层50注入的电子，并且如图6的操作(g)中所示，负带电体20的负电荷在第二电极10上感应出正电荷以将电子传递到第一电极60。

结果，在外部荷重被去除之后，电荷和电子由于基于电荷泵的人造闪电发电机中的电荷平衡而不移动，并且正带电体30的分离的正电荷和负电荷结合以回到如图6的操作(a)中所示的中性初始状态。当外部荷重被反复施加时，输出由于上述操作和电荷转移而产生。

虽然已经参照本发明的实施方式具体显示并描述了本发明，但本领域普通技术人员将理解，可以在此作出形式和细节上的各种各样的改变而不背离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

附图标记的说明

10：第二电极

20：负带电体

21：孔

22：第一金属粒子

30：正带电体

31：Ag纳米线

32：第二金属粒子

40：支撑件

41：第一弹性支撑件

42：第二弹性支撑件

50：接地层

60：第一电极

Claims (19)

1.一种基于电荷泵的人造闪电发电机，包括：

第一电极60；

正带电体30，其与所述第一电极60间隔开；

负带电体20，其在与所述第一电极60相反的方向上与所述正带电体30间隔开；

第二电极10，其部分地接触所述负带电体20；

第一弹性支撑件41，其被提供在所述第一电极60与所述正带电体30之间；

第二弹性支撑件42，其被提供在所述正带电体30与所述第二电极10之间；以及

接地层50，其与所述正带电体30间隔开一定距离以间歇地接触所述正带电体30。

2.如权利要求1所述的基于电荷泵的人造闪电发电机，其中，当施加外部荷重时，所述正带电体30的下部中的负电荷在所述第一电极60的表面上感应出正电荷，并且电子从所述第二电极10移动到所述第一电极60以产生输出电流。

3.如权利要求1所述的基于电荷泵的人造闪电发电机，其中所述第一弹性支撑件41和所述第二弹性支撑件42包括具有不同弹簧常数k的弹簧。

4.如权利要求2所述的基于电荷泵的人造闪电发电机，其中，当持续施加所述外部荷重时，所述第二弹性支撑件42先于所述第一弹性支撑件41被压缩，以及

其中，当去除所述外部荷重时，所述第二弹性支撑件42和所述第一弹性支撑件41被同时释放。

5.如权利要求1所述的基于电荷泵的人造闪电发电机，其中所述接地层50包括金属、陶瓷或聚合物，并由于接地而选择性地从所述正带电体30去除负电荷，使得仅带有正电荷的所述正带电体30由于静电感应而在所述第一电极60中积累电荷。

6.如权利要求1所述的基于电荷泵的人造闪电发电机，其中所述负带电体20具有纳米结构化的表面，所述纳米结构化的表面包括具有0.1μm到30μm的多个孔21的海绵结构。

7.一种制造基于电荷泵的人造闪电发电机的方法，所述方法包括：

(a)在制备好的基板上形成第二电极10；

(b)在所述第二电极10之下形成负带电体20；

(e)在所述负带电体20之下在与所述负带电体20间隔开一定距离的位置处形成正带电体30以产生电荷；

(f)将所述正带电体30的表面纳米结构化；

(g)用第二金属粒子32涂覆所述正带电体30的纳米结构化的表面；

(h)在维持离所述正带电体30一定距离的同时在所述正带电体30的一侧之下形成接地层50以分离电荷；以及

(i)在所述正带电体30之下在与所述正带电体30间隔开一定距离的位置处形成第一电极60以积累电荷。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述(b)包括：

(b-1)布置与液体混合的球形聚合物粒子；

(b-2)通过在空气中干燥所述液体而去除所述液体；以及

(b-3)在从其中去除了所述液体的所述球形聚合物粒子之间填充液态负电荷。

9.如权利要求8所述的方法，还包括在(b)之后(c)通过使用甲苯溶液从所述负带电体20去除所述球形聚合物粒子。

10.如权利要求9所述的方法，还包括在(c)之后(d)将第一金属粒子22插入到所述负带电体20中。

11.如权利要求7所述的方法，其中所述(f)包括：

(f-1)通过使用光刻在硅基板上形成图案；

(f-2)在所述图案形成之后通过使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)去除氧化物层；

(f-3)通过经由使用氢氧化钾(KOH)溶液蚀刻所述硅基板而制造具有与所形成的图案对应的凹线、立方体或锥体的模具；

(f-4)在所制造的模具上旋涂非固化的银(Ag)-纳米线-聚合物复合物；

(f-5)在真空状态下去除由于所述旋涂而产生的气泡，然后通过将所述Ag-纳米线-聚合物复合物暴露于紫外光而固化所述Ag-纳米线-聚合物复合物；以及

(f-6)从所述模具去除固化了的Ag-纳米线-聚合物复合物。

12.如权利要求7所述的方法，其中所述接地层50包括金属、陶瓷或聚合物，并由于接地而选择性地从所述正带电体30去除负电荷，使得仅带有正电荷的所述正带电体30由于静电感应而在所述第一电极60中积累电荷。

13.如权利要求7所述的方法，其中，当施加外部荷重时，所述正带电体30的下部中的负电荷在所述第一电极60的表面上感应出正电荷，并且电子从所述第二电极10移动到所述第一电极60以产生输出电流。

14.如权利要求7所述的方法，其中第一弹性支撑件41被提供在所述第一电极60与所述正带电体30之间，以及

其中第二弹性支撑件42被提供在所述正带电体30与所述第二电极10之间。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一弹性支撑件41和所述第二弹性支撑件42包括具有不同弹簧常数k的弹簧。

16.如权利要求7所述的方法，其中所述负带电体20具有纳米结构化的表面，所述纳米结构化的表面包括具有0.1μm到30μm的多个孔21的海绵结构。

17.一种制造基于电荷泵的人造闪电发电机的负带电体的方法，所述方法包括：

(A1)将球形聚合物粒子(例如聚苯乙烯、硅石或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)粒子)与液体混合；

(A2)布置与所述液体混合的所述球形聚合物粒子(例如聚苯乙烯、硅石或PMMA粒子)；

(A3)通过在空气中干燥所述液体而去除所述液体；

(A4)将液态负电荷与所述球形聚合物粒子混合；以及

(A5)在所述球形聚合物粒子之间填充所述液态负电荷。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述液体包括第一金属粒子22(例如金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)或铂(Pt)粒子)，以及

其中所述第一金属粒子22被插入到所述负带电体的孔21中。

19.一种制造基于电荷泵的人造闪电发电机的正带电体的方法，所述方法包括：

(B1)通过使用旋涂将银(Ag)纳米线31均匀地分散在平坦的基板上；

(B2)在已分散的Ag纳米线31上涂覆弹性环氧基聚合物以形成其复合物；以及

(B3)在所述Ag纳米线31的顶表面上涂覆第二金属粒子32。