CN107547003A

CN107547003A - 利用摩擦电的能量采集器和包括其的装置

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Publication number: CN107547003A
Application number: CN201710206465.6A
Authority: CN
Inventors: 金在瑛; 卞卿溵; 申铉振; 郑雅林
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: US10931209B2; US20180006582A1; EP3264584A1; EP3264584B1; KR102581469B1; CN107547003B; KR20180002267A

Abstract

示例实施方式涉及一种利用摩擦电的能量采集器，以及涉及包括该能量采集器的装置。能量采集器可以包括具有第一摩擦电材料的第一结构，具有第二摩擦电材料的第二结构，以及将第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的摩擦表面与外部环境隔离的封闭结构。能量采集器还可以包括在封闭结构中的填充材料。填充材料可以具有电荷。填充材料可以具有粘度。封闭结构的至少一部分可以包括弹性材料。

Description

利用摩擦电的能量采集器和包括其的装置

技术领域

示例实施方式涉及利用摩擦电的能量采集器以及包括该能量采集器的装置。

背景技术

近来，各种各样电子装置的使用迅速增加。具体地，诸如移动设备、可穿戴设备或小型家用电器的装置的使用已经显著增加。然而，通常需要高容量电池或电池的频繁再充电以给这样的电子装置供电。因此，已经需要具有高度的能量效率和对各种各样电子装置的适用性的电源的发展。

发明内容

示例实施方式涉及具有高效率的能量采集器。

示例实施方式涉及能量采集器，其构造为减少或抑制由诸如例如环境因素的外部环境导致的其性能的退化。

示例实施方式涉及当通过摩擦而带电时具有提高的效率的能量采集器。

示例实施方式涉及诸如例如包括能量采集器的电子装置的装置。

另外的示例实施方式将在以下描述中被部分陈述，并且部分地将从描述中显而易见，或者可以通过示例实施方式的实践习得。

根据一示例实施方式，能量采集器包括：第一结构，包括第一摩擦电材料；第二结构，包括通过与第一摩擦电材料的摩擦产生电的第二摩擦电材料；封闭结构，将第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的摩擦表面与环境因素隔离；以及填充材料，填充在封闭结构中与第一摩擦电材料和第二摩擦电材料接触并且具有多个电荷，填充材料增大第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的带电效率。

在一些示例实施方式中，第一结构和第二结构可以彼此面对，并且第一摩擦电材料和第二摩擦电材料可以重复地彼此接触和彼此分离。

在一些示例实施方式中，第一结构可以包括第一材料层和接触第一材料层的第一电极，第一材料层可以包括第一摩擦电材料。第二结构可以包括含第二摩擦电材料的第二材料层，并且可以被构造成电极或作为电极操作。在这样的情况下，填充材料和第一电极可以彼此不接触，而是可以物理上彼此分离。封闭结构可以围绕第一材料层的侧面和第二材料层的侧面，并且第一电极的至少一部分可以不被封闭结构覆盖。

在一些示例实施方式中，第一结构可以包括第一材料层和接触第一材料层的第一电极，并且第一材料层可以包括第一摩擦电材料。第二结构可以包括第二材料层和接触第二材料层的第二电极，并且第二材料层可以包括第二摩擦电材料。在这样的情况下，填充材料可以不与第一电极和第二电极接触，而是可以物理上与第一电极和第二电极分离。封闭结构可以围绕第一材料层的侧面和第二材料层的侧面，并且第一电极的至少一部分和第二电极的至少一部分可以不被封闭结构覆盖。

封闭结构的至少一部分可以包括弹性材料。

填充材料可以包括离子液体或离子凝胶。

填充材料可以具有正电荷和负电荷。

填充材料可以包括在约25℃的温度下具有约4mPa·s或更大的粘度的流体。

第一结构和第二结构中的一个可以包括至少一个导销，第一结构和第二结构中的另一个可以包括用于接收导销的至少一个导孔，并且第二结构相对于第一结构移动的移动方向可以由导销和导孔控制。

能量采集器还可以包括在第一结构与第二结构之间的至少一个弹簧元件。

根据另一示例实施方式，一种电子装置包括能量采集器和连接到能量采集器的电路部分。

电子装置可以是或者包括例如移动设备或可穿戴设备。

根据另一示例实施方式，一种能量采集器包括：第一结构，包括第一摩擦电材料；第二结构，包括通过与第一摩擦电材料的摩擦产生电的第二摩擦电材料；以及中间材料，放置在第一结构与第二结构之间并且具有电荷，其中当第一结构与第二结构之间的间隙减小时，中间材料从第一结构与第二结构之间的间隙向外移动，以及当第一结构与第二结构之间的间隙增大时，中间材料填充第一结构与第二结构之间的间隙。

中间材料可以包括离子液体或离子凝胶。

中间材料可以具有正电荷和负电荷。

中间材料可以包括在约25℃的温度下具有约4mPa·s或更大的粘度的流体。

能量采集器还可以包括围绕能量采集器的至少一部分的封闭结构，其中中间材料可以在封闭结构中，以及封闭结构的至少一部分可以包括弹性材料。

第一结构可以包括第一材料层和接触第一材料层的第一电极，并且第一材料层可以包括第一摩擦电材料，第二结构可以包括含第二摩擦电材料的第二材料层并且可以被构造成电极或者作为电极操作。

第一结构可以包括第一材料层和接触第一材料层的第一电极，并且第一材料层可以包括第一摩擦电材料。第二结构可以包括第二材料层和接触第二材料层的第二电极，并且第二材料层可以包括第二摩擦电材料。

根据另一示例实施方式，一种电子装置包括能量采集器以及连接到能量采集器的电路部分。

附图说明

这些和/或另外的示例实施方式将从以下结合附图的对示例实施方式的描述中变得显而易见和更易理解，附图中：

图1是示出根据一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图2A至2D是示出图1中所示的能量采集器的操作机制/原理的剖面图；

图3是示出使用图1中所示的能量采集器中的填充材料(填充物)提高效率的原理的剖面图；

图4是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图5A至5D是示出图4中所示的能量采集器的操作机制/原理的剖面图；

图6是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图7是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图8A至8D是示出根据一比较例的能量采集器和该能量采集器的操作机制的剖面图；

图9是示出用于根据一示例实施方式的能量采集器的封闭结构的透视图；

图10是示出用于根据另一示例实施方式的能量采集器的封闭结构的透视图；

图11是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图12是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图13是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图14是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图15是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图16是示出从上方看见的图15的能量采集器的结构的俯视图；

图17是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图18是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图；

图19是示出根据一示例实施方式的能量采集器可适用于其的装置(电子装置)的透视图；以及

图20是示出根据另一示例实施方式的能量采集器可适用于其的装置(电子装置)的透视图。

具体实施方式

现在将详细参照示例实施方式，其示例示出在附图中，其中相同的附图标记始终表示相同的元件。在这点上，示例实施方式可以具有不同的形式，并且不应被解释为限于在此阐明的描述。因此，通过参照附图，以下仅描述示例实施方式。当在这里使用时，术语“和/或”包括相关列举项中的一个或更多个的任意和所有组合。诸如“中的至少一个”的表述当在一列元件之后时，修饰整列元件，而不修饰该列中的单个元件。

现在将参照其中示出示例实施方式的附图更充分地描述各种各样的示例实施方式。

将理解，当一元件被称为“连接”或“联接”到另外的元件时，它可以直接连接或联接到所述另外的元件，或者可以存在居间元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接联接”到另外的元件时，没有居间元件存在。当在这里使用时，术语“和/或”包括相关列举项目中的一个或更多个的任意和所有组合。

将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可以在此用来描述各种各样的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅用来将一元件、部件、区域、层或部分与另一元件、部件、区域、层或部分区分开。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不背离示例实施方式的教导。

为了描述的方便，在这里可以使用诸如“在……之下”、“在……下方”、“下部”、“在……上方”、“上部”等的空间关系术语来描述如图中所示的一个元件或特征的与另外的元件(们)或特征(们)的关系。将理解，除了图中所绘的取向之外，空间关系术语旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为“在”另外的元件或特征“下方”或“之下”的元件将取向为“在”所述另外的元件或特征“上方”。因此，术语“在……下方”能包含上方和下方两个方向。装置可以被另行取向(旋转90度或处于另外的取向)，且在此使用的空间关系描述语被相应地解释。

在此使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，不旨在限制示例实施方式。当在此使用时，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个另外的特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

示例实施方式在这里参照剖面图示被描述，所述剖面图示是示例实施方式的理想化实施方式(和中间结构)的示意图。照此，将预期到作为例如制造技术和/或公差的结果的图示的形状的变化。因此，示例实施方式不应被解释为限于在此示出的区域的特定形状，而将包括例如由制造引起的形状的偏离。例如，被示为矩形的注入区将通常在其边缘处具有圆化的或弯曲的特征和/或注入浓度的梯度，而非从注入区到非注入区的二元变化。同样地，由注入形成的埋入区可以引起埋入区与注入通过其发生的表面之间的区域中的某些注入。因此，图中所示的区域本质上是示意性的，并且它们的形状不旨在示出器件的区域的实际形状，且不旨在限制示例实施方式的范围。

除非另外规定，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与示例实施方式所属的领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还将理解，诸如通用词典中定义的术语的术语应解释为具有与在相关技术的背景下的它们的含义相一致的含义，且将不在理想化或过度形式化的意义上被解释，除非在这里明确地如此界定。

当术语“大约”或“基本上”在本说明书中结合数值使用时，意思是相关的数值包括围绕所述及的数值的±10％的公差。此外，当在本说明书中提及百分数时，意思是这些百分数是基于重量的，即重量百分数。表述“多达”包括零到所表述的上限的量以及其间的所有值。当范围被指定时，该范围包括其间的所有值，诸如0.1％的增量。此外，当词语“大体上”和“基本上”结合几何形状使用时，意思是不要求所述几何形状的准确性，而是对该形状的界限在本公开的范围内。虽然实施方式的管状元件可以是圆柱形的，但是另外的管状剖面形式也是预料中的，诸如正方形、矩形、椭圆形、三角形等等。

在下文中，将参照附图根据示例实施方式描述利用摩擦电的能量采集器以及包括能量采集器的装置诸如例如电子装置。在附图中，为了描述的清楚或容易，层或区域的宽度和厚度可以被夸大。在以下描述中，相同的附图标记始终表示相同的元件。

图1是示出根据一示例实施方式的能量采集器的剖面图。

参照图1，第一材料层M10可以包括第一摩擦电材料，并且第一电极E10可以与第一材料层M10接触/连接。第一材料层M10和第一电极E10可以形成第一结构。第二材料层ME20可以包括能够通过与第一摩擦电材料的摩擦产生电的第二摩擦电材料。在示例实施方式中，包括第二摩擦电材料的第二材料层ME20可以被构造成电极或作为电极操作。第二材料层ME20可以被称为与第一结构(包括第一材料层M10和第一电极E10)相对的第二结构。

第一材料层M10的第一摩擦电材料和第二材料层ME20的第二摩擦电材料可以选自相关技术中使用的各种各样的摩擦电材料。第一材料层M10和第二材料层ME20中的一个可以包括易于带负电(－)的材料，并且另一个可以包括易于带正电(+)的材料。例如，第一材料层M10可以包括易于带负电(－)的材料，诸如有机硅橡胶、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、卡普顿(Kapton)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)。或者，第一材料层M10可以包括诸如铁电体或驻极体的材料。驻极体的示例可以包括含氟聚合物、聚氟乙烯(PVF)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、全氟烷氧基烷烃(PFA)、氟化乙烯丙烯(FEP)、乙烯四氟乙烯(ETFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和石英。例如，第二材料层ME20可以包括易于带正电(+)的材料，诸如聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、羊毛、丝绸、棉、钢、木材、铝(Al)、镍(Ni)、铜(Cu)、银(Ag)和聚乙烯醇(PVA)等等。在示例实施方式中，第二材料层ME20可以被构造成电极，或者作为电极操作，从而第二材料层ME20可以包括导电材料(例如金属或金属材料)。例如，第二材料层ME20可以包括铝箔或银织物。上述材料仅仅是可以包括在第一材料层M10和第二材料层ME20中的示例。就是说，其它各种材料可以被包括在第一材料层M10和第二材料层ME20中。或者，第一材料层M10可以包括易于带正电(+)的材料，第二材料层ME20可以包括易于带负电(－)的材料。

第一电极E10和第二材料层ME20可以电连接到彼此。例如，第一电极E10和第二材料层ME20可以经由导线W10连接到彼此。由第一材料层M10与第二材料层ME20之间的摩擦/接触产生的电可以流过导线W10。负载或电路(未示出)可以连接到导线W10。

封闭结构CS10可以被提供以将第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的至少摩擦表面与外部环境诸如例如环境因素的隔离。封闭结构CS10可以将第一材料层M10的摩擦表面和第二材料层ME20的摩擦表面与外部环境诸如例如环境因素隔离。封闭结构CS10可以围绕第一材料层M10的侧面(即侧表面)和第二材料层ME20的侧面(即侧表面)。封闭结构CS10可以附贴于第一材料层M10的侧面和第二材料层ME20的侧面。封闭结构CS10的至少一部分可以包括弹性材料。例如，弹性材料可以包括诸如橡胶的弹性体。

填充材料(填充物)F10可以填充在封闭结构CS10中。填充材料F10可以与第一摩擦电材料和第二摩擦电材料接触。换言之，填充材料F10可以与第一材料层M10和第二材料层ME20接触。填充材料F10可以包括具有多个电荷的材料。填充材料F10可以具有正电荷和负电荷。填充材料F10可以包括阳离子和阴离子。例如，填充材料F10可以包括离子液体或离子凝胶。离子凝胶可以包括离子液体和聚合物粘合剂的混合物。此外，填充材料F10可以包括在室温(大约20℃-25℃)下具有约4mPa·s或更大的粘度的流体。例如，填充材料F10的粘度可以通过改变包括在填充材料F10中的离子液体的类型或聚合物的量来调节。由于填充材料F10，可以增加第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的带电效率。这将稍后进行描述。

如果填充材料F10包括离子液体，则填充材料F10可以包括从EMIM、DMIM、PMIM、BMPyr、BMPy、AMIM、APy、N-甲基-N-烷基吡咯烷胆碱、铵盐和铵离子中选择的至少一种阳离子。此外，填充材料F10可以包括从SCN、DCA、BF₄、OTF、NTF₂、PF₆、[(CF₃SO₂)₂N]、CF₃SO₃、甲苯磺酸根、甲酸根、烷基硫酸根、烷基磷酸根和乙醇酸根中选择的至少一种阴离子。EMIM、DMIM、PMIM、BMPyr、BMPy、AMIM、APy、SCN、DCA、BF₄、OTF、NTF₂、PF₆、[(CF₃SO₂)₂N]和CF₃SO₃的化学名称可以是如下：

EMIM：1-乙基-3-甲基咪唑

DMIM：1-甲基-3-甲基咪唑

PMIM：1-丙基-3-甲基咪唑

BMPyr：1-丁基-1-甲基吡咯烷

BMPy：1-丁基-3-甲基吡啶

AMIM：1-烷基-3-甲基咪唑

APy：1-烷基吡啶

SCN：硫氰酸根

DCA：二氰胺

BF₄：四氟硼酸根

OTF：三氟甲磺酸根

NTF₂：二(三氟甲磺酰)亚胺

PF₆：六氟磷酸根

[(CF₃SO₂)₂N]：双-三氟磺酰亚胺(＝双三氟甲磺酰亚胺)

CF₃SO₃：三氟甲磺酸根

然而，可以包括在填充材料F10中的阳离子和阴离子的种类不限于上述阳离子和阴离子。就是说，可以包括在填充材料F10中的阳离子和阴离子的种类可以变化。

填充材料F10可以不与第一电极E10接触。就是说，填充材料F10可以与第一电极E10物理地分离。填充材料F10和第一电极E10可以通过封闭结构CS10彼此分离。为此，可以确定封闭结构CS10的尺寸和形成范围以减少或防止填充材料F10与第一电极E10之间的接触。然而，如果填充材料F10具有低程度的导电性，则封闭结构CS10可以被设计为允许填充材料F10与第一电极E10之间的接触。由图1中所示的封闭结构CS10确定的封闭结构CS10的尺寸和形状以及填充材料F10的形成范围是示例并且可以被不同地改变。第一材料层M10的侧面的一部分和/或第二材料层ME20的侧面的一部分可以不被封闭结构CS10围绕，而是可以被暴露。例如，因为第一材料层M10的侧面的上端部分可以不显著地有助于带电，所以第一材料层M10的侧面的上端部分可以不被封闭结构CS10围绕并且可以被暴露。此外，第一电极E10的侧面的至少一部分可以用封闭结构CS10覆盖。

图2A至2D是示出图1中所示的能量采集器的操作机制/原理的剖面图。

参照图2，在第一材料层M10和第二材料层ME20重复地彼此接触和彼此分离的同时，摩擦电可以产生在第一材料层M10与第二材料层ME20之间。

如图2A中所示，第一材料层M10和第二材料层ME20彼此分离。图2A可以对应于图1中所示的结构。

当第一材料层M10和第二材料层ME20彼此接触时，如图2B中所示，电荷可以产生在第一材料层M10和第二材料层ME20的摩擦表面上。例如，可以在第一材料层M10中感应出负(－)电荷，可以在第二材料层ME20中感应出正(+)电荷。其相反也是可能的。当第一材料层M10和第二材料层ME20彼此接触时，带电可以通过第一材料层M10与第二材料层ME20之间的摩擦而发生。随着第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙减小，填充材料F10可以从第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙向外移动。此时，因为封闭结构CS10的至少一部分包括弹性材料，所以封闭结构CS10可以伸展以接收填充材料F10。

在图2C处，当第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙增大到一定程度时，电流可以在第一电极E10与第二材料层ME20之间流动。例如，电子(e-)可以从第一电极E10移动到第二材料层ME20。当电子(e-)从第一电极E10移动到第二材料层ME20时，空穴可以形成在第一电极E10中或者相应的效应可以发生，并且可以减小第一电极E10与第一材料层M10之间的电不平衡。此外，当第一材料层M10和第二材料层ME20彼此分离时，封闭结构CS10的弹性材料(弹性体)的回复力(弹力)可以在一定程度上有助于分离。换言之，封闭结构CS10的弹性材料部分在封闭结构CS10伸展时呈现的回复力(弹力)可以在第一材料层M10和第二材料层ME20的分离中具有一些作用。此外，因为封闭结构CS10将第一材料层M10和第二材料层ME20与外部环境(环境因素)隔离，所以可以防止或最小化由外部环境(环境因素)导致的退化。例如，由于空气的水分(湿度)，第一材料层M10与第二材料层ME20之间的电荷可以消失在空气中。然而，封闭结构CS10可以减少或防止这样的放电。

在图2D中，第一材料层M10和第一电极E10处于电平衡。虽然未示出，但是当第一材料层M10和第二材料层ME20在图2D中所示的构造之后再次彼此接触时，电流可以如图2B中所示地在第一电极E10与第二材料层ME20之间流动。以这样的方式，在第一材料层M10和第二材料层ME20重复地彼此接触和彼此分离的同时，摩擦电可以产生在第一材料层M10与第二材料层ME20之间。参照图2A-2D描述的机制是示例。就是说，可以利用另外的机制或原理。

图3是示出使用图1中所示的能量采集器中的填充材料F10提高效率的原理的剖面图。

参照图3，当第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙减小时，由于填充材料F10与第一材料层M10和第二材料层ME20之间的摩擦，可以提高摩擦电产生的效率。如果填充材料F10是在室温下具有例如约4mPa·s或更大粘度的流体，则可以增大由填充材料F10导致的额外摩擦。此外，如果填充材料F10具有正(+)电荷和负(－)电荷，则在第一材料层M10和第二材料层ME20中的一个例如第一材料层M10中的负(－)电荷的感应可以通过填充材料F10的正(+)电荷被促进，在第一材料层M10和第二材料层ME20中的另一个例如第二材料层ME20中的正(+)电荷的感应可以通过填充材料F10的负(－)电荷被促进。结果，第一材料层M10和第二材料层ME20可以更有效地带电。因此，根据示例实施方式，可以提供具有高程度的效率的能量采集器。

填充材料F10可以被称为第一材料层M10与第二材料层ME20之间的中间材料F10，并且如果中间材料F10具有电荷，则能量采集器的带电效率可以由于中间材料F10而增加。当第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙减小时，中间材料F10可以从第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙向外移动，并且当第一材料层M10与第二材料层ME20之间的间隙ME20增大时，中间材料F10可以填充间隙。例如，中间材料F10可以包括离子液体或离子凝胶。中间材料F10可以具有正(+)电荷和负(－)电荷。中间材料F10可以包括在室温(约20℃-25℃)下具有约4mPa·s或更大的粘度的流体。中间材料F10可以被包含在封闭结构(例如图3中所示的封闭结构CS10)中。

图4是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图。

参照图4，第一材料层M10可以包括第一摩擦电材料，并且第一电极E10可以与第一材料层M10接触/连接。第一材料层M10和第一电极E10可以与参照图1描述的那些相同或相似。第一材料层M10和第一电极E10可以形成第一结构。第二材料层M20可以包括第二摩擦电材料，并且第二电极E20可以与第二材料层M20接触/连接。第二摩擦电材料可以通过与第一摩擦电材料的摩擦而产生电。第二材料层M20和第二电极E20可以形成第二结构。第一材料层M10和第二材料层M20中的一个可以是导电的，另一个可以是非导电的。或者，第一材料层M10和第二材料层M20两者可以是非导电的。第一材料层M10的第一摩擦电材料和第二材料层M20的第二摩擦电材料可以选自相关技术中使用的各种各样的摩擦电材料。

第一材料层M10和第二材料层M20可以彼此面对。第一电极E10可以放置在第一材料层M10的外表面(这里，上表面)上，第二电极E20可以放置在第二材料层M20的外表面(这里，下表面)上。例如，第一电极E10和第二电极E20可以经由导线W11电连接到彼此。负载或电路(未示出)可以连接到导线W11。

封闭结构CS11可以围绕第一材料层M10的侧面和第二材料层M20的侧面。封闭结构CS11的至少一部分可以包括弹性材料。封闭结构CS11的成分和性质可以与参照图1描述的封闭结构CS10的成分和性质相同或相似。填充材料F11可以提供在封闭结构CS11中，并且可以与第一材料层M10和第二材料层M20接触。填充材料F11的成分和性质可以与参照图1描述的填充材料F10的成分和性质相同或相似。

填充材料F11可以不与第一电极E10和第二电极E20接触。就是说，填充材料F11可以与第一电极E10和第二电极E20物理地分离。因此，虽然填充材料F11的导电率是相对高的，但是填充材料F11可以不导致诸如第一电极E10与第二电极E20之间的短路的麻烦。如果填充材料F11的导电率是相对低的，则填充材料F11可以与第一电极E10和第二电极E20中的至少一个接触。封闭结构CS11的尺寸和形状以及填充材料F11的由封闭结构CS11确定的形成范围作为示例被示出，并且可以对其作出各种各样的修改或改变。这与当参照图1描述封闭结构CS10和填充材料F10时所解释的相似。

图5A至5D是示出图4中所示的能量采集器的操作机制/原理的剖面图。

参照图5A-B，如参照图2A-B所述，在第一材料层M10和第二材料层M20重复地彼此接触和彼此分离的同时，电能可以产生在第一材料层M10与第二材料层M20之间。图5A-5D与图2A-D相似或相同，从而这里将不重复其描述。由于封闭结构CS11，可以防止或最小化由环境因素(例如水分)导致的能量采集器的性能的退化，并且由于填充材料F11，可以提高带电效率。

在另外的示例实施方式中，填充材料F10和F11可以从图1和4中所示的能量采集器中被去除。就是说，封闭结构CS10和CS11的内部可以是空的而没有填充材料F10和F11。其示例在图6和7中示出。

图6和7示出其中填充材料F10和F11不包括在图1和4的能量采集器中的示例。在图6和7中所示的示例中，上述效果可以通过封闭结构CS10和CS11获得。例如，可以减少或防止由空气的水分/湿度导致的电的放电。此外，如果封闭结构CS10和CS11包括弹性材料(弹性体)，则弹性材料(弹性体)的回复力(弹力)可以使在第一材料层M10和第二材料层M20彼此接触之后易于分离第一材料层M10和第二材料层M20。

图8A至8D是示出根据一比较例的能量采集器和该能量采集器的操作机制的剖面图。

参照图8A，根据比较例的能量采集器可以具有敞开的系统。换言之，能量采集器可以不包括诸如图1和4中所示的封闭结构CS10或CS11的封闭结构，而是可以具有其中第一材料层M10和第二材料层ME20暴露于环境因素的暴露结构(敞开的结构)。在这样的情况下，如图8C中所示，第一材料层M10和第二材料层ME20的电荷可以接触水分诸如例如空气湿度，从而第一材料层M10和第二材料层ME20可以被放电。随着空气湿度增加，静电减小，带电的材料释放更大量的电荷。因此，诸如图8A-8D中所示的系统的敞开的系统可以降低能量采集器的性能。

然而，在上述示例实施方式中，第一材料层M10和第二材料层M20/ME20使用封闭结构CS10和CS11与环境因素隔离，从而可以根本地或基本上根本地减少或防止由环境因素造成的挑战。因此，可以减少或防止由环境因素导致的电荷的损失。此外，因为填充材料F10和F11被包含在封闭结构CS10和CS11中，所以额外摩擦可以发生在填充材料F11与第一材料层M10和第二材料层M20/ME20之间。而且，填充材料F10和F11的电荷可以增加第一材料层M10和第二材料层M20/ME20的带电效率。因此，可以显著增加电产生的效率。例如，如果填充材料F10和F11是具有粘度诸如例如在约20℃-25℃的室温下约4mPa·s或更大的粘度的流体，则可以增大填充材料F10和F11与第一材料层M10和第二材料层M20/ME20之间的摩擦效果。

图9是示出用于根据一示例实施方式的能量采集器的封闭结构的透视图。

参照图9，包括第一摩擦电材料的第一结构SS1可以面对包括第二摩擦电材料的第二结构SS2。在这样的状态中，封闭结构CS1可以围绕第一结构SS1与第二结构SS2之间的空间。封闭结构CS1可以围绕第一结构SS1的侧面的至少一部分和第二结构SS2的侧面的至少一部分。如果第一结构SS1和第二结构SS2的每一个具有四个侧面，则四个侧面中的三个可以用第一材料膜1a覆盖，且另一侧可以用第二材料膜2a覆盖。第一材料膜1a和第二材料膜2a中的至少一个例如第二材料膜2a可以包括弹性材料。在这样的情况下，第一材料膜1a可以包括非弹性材料或弹性材料。第一材料膜1a可以是柔性的。例如，第一材料膜1a可以包括聚合物。

在用第一材料膜1a围绕第一结构SS1和第二结构SS2中的每一个或至少一个的三个侧面之后，第一结构SS1和第二结构SS2中的每一个或至少一个的敞开侧即另一个侧面可以向上翻转，并且填充材料(未示出)可以填充在第一结构SS1和第二结构SS2内部。此后，敞开侧可以用第二材料膜2a覆盖。此时，第二材料膜2a的两个端部可以附贴于第一材料膜1a的端部。此外，第一材料膜1a和第二材料膜2a中的每一个或至少一个可以附贴于第一结构SS1和第二结构SS2的侧面。

如果第一结构SS1与第二结构SS2之间的间隙减小，则第二材料膜2a可以在横向方向上变成凸的。结果，封闭结构CS1的一部分可以像图1中所示的封闭结构CS10一样在横向方向上凸出。

在图9中所示的示例实施方式中，诸如第一材料膜1a和第二材料膜2a的两种材料用于形成封闭结构CS1。然而，在另一示例实施方式中，诸如弹性材料的单种材料可以用于形成封闭结构。其示例示出在图10中。

图10是示出用于根据另一示例实施方式的能量采集器的封闭结构的透视图。

参照图10，封闭结构CS2可以通过用单种材料膜2b围绕第一结构SS1和第二结构SS2的侧面形成。在用材料膜2b围绕第一结构SS1和第二结构SS2中的每一个或至少一个的三个侧面之后，第一结构SS1和第二结构SS2中的每一个或至少一个的敞开侧即另一个侧面可以向上翻转，并且填充材料(未示出)可以填充在第一结构SS1和第二结构SS2内部。此后，敞开侧可以用材料膜2b覆盖。材料膜2b的两端可以结合在一起。如参照图9所述，如果第一结构SS1与第二结构SS2之间的间隙减小，则材料膜2b的至少一部分可以在横向方向上变成凸的。

图9和10示出构造封闭结构CS1和CS2的具体方法。然而，讨论的方法是示例，并且可以对其作出各种各样的修改。例如，封闭结构CS1和CS2的尺寸和材料以及用于封闭结构CS1和CS2的附贴方法可以不同地变化或改变。此外，填充材料可以通过选自各种各样的方法的方法填充在封闭结构CS1和CS2中。此外，第一结构SS1和第二结构SS2可以具有诸如圆形或椭圆形的形状，而不是具有矩形形状。

在诸如参照图9和10描述的示例实施方式的之前的实施方式中，第一结构SS1和第二结构SS2中的一个可以包括至少一个导销，并且第一结构SS1和第二结构SS2中的另一个可以包括用于接收导销的至少一个导孔。在这样的情况下，第二结构SS2相对于第一结构SS1的移动可以由导销和导孔控制。其示例示出在图11中。图11示出其中图1中所示的能量采集器包括导销P1和导向孔H1的示例实施方式。

参照图11，导销P1可以被提供在第二材料层ME20上，导孔H1可以形成在第一材料层M10中。如有必要，导孔H1可以延伸进第一电极E10中。导销P1可以被设计为分别插入到导孔H1中。第二材料层ME20相对于第一材料层M10移动的移动方向或第一材料层M10相对于第二材料层ME20移动的移动方向可以由导销P1和导孔H1控制。因此，第一材料层M10和第二材料层ME20可以容易地移动到彼此上以及彼此远离。在示例实施方式中，导孔H1形成在第一材料层M10中，导销P1被提供在第二材料层ME20上。然而，导孔H1和导销P1的位置可以彼此交换。此外，除使用导孔H1和导销P1的示例方法之外的方法可以用于控制移动方向。

此外，虽然导孔H1如图11中所示地从第一材料层M10延伸进第一电极E10中，但是如有必要，可以减少或防止填充材料F10与第一电极E10之间通过导孔H1的接触。例如，导孔H1的内表面可以用绝缘膜涂覆以减少或防止第一电极E10与填充材料F10之间的接触。如果导孔H1的深度小于第一材料层M10的厚度，则第一电极E10可以不通过导孔H1暴露，并且第一电极E10和填充材料F10可以彼此不接触。

在图11中，导销P1和导孔H1被提供在封闭结构CS10内部。然而，导销P1和导孔H1可以被提供在封闭结构CS10外部。例如，第一基板可以放置在第一电极E10上，第二基板可以被提供在第二材料层ME20上。在这样的情况下，第一基板和第二基板可以比封闭结构CS10更宽，并且导销和导孔可以被提供在第一基板和第二基板之上或之中。图11中所示的结构可以被不同地修改。

如上所述，在示例实施方式中，包括第一摩擦电材料的第一结构还可以包括第一基板，包括第二摩擦电材料的第二结构还可以包括第二基板。就是说，在图1中所示的能量采集器中，第一电极E10和第一材料层M10可以被提供在第一基板上，第二材料层ME20可以被提供在第二基板上，并且第一基板和第二基板可以取向为使得第一材料层M10和第二材料层ME20可以彼此面对。此外，在图4中所示的能量采集器中，第一电极E10和第一材料层M10可以被提供在第一基板上，第二电极E20和第二材料层M20可以被提供在第二基板上，并且第一基板和第二基板可以取向为使得第一材料层M10和第二材料层M20可以彼此面对。其中使用第一基板和第二基板的示例示出在图12中。

图12是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图。

参照图12，第一结构SS100可以包括第一基板SUB10，以及放置例如顺序放置在第一基板SUB10的表面上的第一电极E10和第一材料层M10。第二结构SS200可以包括第二基板SUB20，以及放置例如顺序放置在第二基板SUB20的表面上的第二电极E20和第二材料层M20。例如，第一基板SUB10和第二基板SUB20中的至少一个可以包括PET或丙烯酸化合物。然而，第一基板SUB10和第二基板SUB20的材料不限于此，而是可以选自各种各样的材料。第一结构SS100和第二结构SS200可以被布置使得第一材料层M10和第二材料层M20可以彼此面对。封闭结构CS11可以围绕第一材料层M10和第二材料层M20的侧面，并且填充材料F11可以填充在封闭结构CS11中。第一电极E10和第二电极E20可以经由导线结构(未示出)电连接到彼此。由于第一基板SUB10和第二基板SUB20，第一结构SS100和第二结构SS200中的每一个或至少一个可以在强度上增强。换言之，能量采集器的强度可以增强。在一些情况下，可以不使用第一基板SUB10和第二基板SUB20中的一个。

在图12中所示的能量采集器中，第一基板SUB10可以具有比第一电极E10和第一材料层M10的尺寸或宽度更大的尺寸或宽度。此外，第二基板SUB20可以具有比第二电极E20的和第二材料层M20的尺寸和宽度更大的尺寸或宽度。以上的实例在图13中示出。

参照图13，第一基板SUB11可以具有比第一电极E10的和第一材料层M10的尺寸或宽度更大的尺寸或宽度。第二基板SUB22可以具有比第二电极E20的和第二材料层M20的尺寸或宽度更大的尺寸或宽度。第一电极E10和第一材料层M10可以容易地被放置在第一基板SUB11的表面上，因为第一电极E10和第一材料层M10小于第一基板SUB11。此外，小于第二基板SUB22的第二电极E20和第二材料层M20可以容易地被放置在第二基板SUB22上。此外，因为第一基板SUB11具有相对大的尺寸，所以包括第一基板SUB11的第一结构SS110可以容易地被类似地处理，因为第二基板SUB22具有相对大的尺寸，所以包括第二基板SUB22的第二结构SS220可以容易地被处理。

在另外的示例实施方式中，诸如图1或4中所示的结构的多个结构可以布置在两个基板之间。其示例示出在图14中。

图14是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图。

参照图14，第一基板SUB100和第二基板SUB200可以取向为彼此面对，并且多个能量采集器单元UT10可以布置在第一基板SUB100与第二基板SUB200之间。在图14中，为了说明的容易，能量采集器单元UT10的结构被简单地示出。然而，能量采集器单元UT10的结构可以与图1或4中所示的结构相同或相似。此外，如有必要，第一公共电极可以被提供在第一基板SUB100的一侧上，并且能量采集器单元UT10可以共同连接到第一公共电极。此外，第二公共电极可以被提供在第二基板SUB200的一侧上，并且能量采集器单元UT10可以共同连接到第二公共电极。如果多个能量采集器单元UT10如示例实施方式中那样被使用，则可以产生更多量的能量。此外，即使能量采集器单元UT10中的一个或一些被损坏，其它能量采集器单元UT10也可用于产生电，从而可以更稳定地和可靠地使用能量采集器。

在另外的示例实施方式中，至少一个弹簧元件可以放置在具有第一摩擦电材料的第一结构与具有第二摩擦电材料的第二结构之间。当第一结构和第二结构在彼此接触之后彼此分离时，弹簧元件可以提供回复力或弹性力。其中使用这样的弹簧元件的示例示出在图15中。

图15是示出根据另一示例实施方式的能量采集器的剖面图。

参照图15，第一结构SS11可以包括具有第一摩擦电材料的第一材料层M11。第二结构SS22可以包括具有第二摩擦电材料的第二材料层M22。第一材料层M11和第二材料层M22可以彼此面对。第一结构SS11可以包括在诸如其中央区域的某区域中的有源区域。在这样的情况下，第二结构SS22也可以包括在其中央区域中的有源区域。第一材料层M11和第二材料层M22可以安置在有源区域中。换言之，第一材料层M11和第二材料层M22可以分别在第一结构SS11和第二结构SS22的有源区域中。封闭结构CS5可以围绕第一材料层M11和第二材料层M22。

在示例实施方式中，至少一个弹簧元件SP1可以提供在有源区域周围。例如，多个弹簧元件SP1可以被提供在有源区域周围。例如，第一容纳部分R1可以被提供在第一结构SS11的有源区域外部。类似地，第二容纳部分R2可以被提供在第二结构SS22的有源区域外部。第一容纳部分R1和第二容纳部分R2可以是凹的区域即凹陷区域。所述多个弹簧元件SP1可以插入到第一容纳部分R1和第二容纳部分R2中。当第一结构SS11和第二结构SS22在彼此接触之后彼此分离时，弹簧元件SP1可以提供回复力即弹性力。

图16是示出从上方看见的图15的示例能量采集器的结构的俯视图。参照图16，弹簧元件SP1可以被提供在有源区域周围。弹簧元件SP1的数目和位置仅为了说明的目的。就是说，弹簧元件SP1的数目和位置可以变化。围绕有源区域的封闭结构CS5的形状也可以变化。

虽然弹簧元件SP1在图15和16中所示的示例实施方式中被使用，但是弹簧元件SP1的使用是可选的。例如，可以使用具有与弹簧元件SP1的构造相似或相同的构造的另外的元件代替弹簧元件SP1。

在上述示例实施方式中，第一材料层的或包括第一摩擦电材料的第一结构的摩擦侧或表面可以是平坦的，并且第二材料层的或包括第二摩擦电材料的第二结构的摩擦侧或表面也可以是平坦的。然而，这是示例。就是说，摩擦表面可以具有另外的形状而非平坦的形状。其示例示出在图17和18中。

参照图17，包括第一摩擦电材料和第二摩擦电材料的第一结构SS15和第二结构SS25的相互面对的摩擦表面或第一摩擦表面15和第二摩擦表面25可以具有凹凸结构或相应不平坦的结构。例如，可以理解，第一摩擦表面15具有多个三角形凸起，第二摩擦表面25具有多个三角形凹部。理解的是，第一摩擦表面15可以具有多个三角形凹部，第二摩擦表面25具有多个三角形凸起。

参照图18，第一结构SS16和第二结构SS26的第一摩擦表面16和第二摩擦表面26可以具有另外的凹凸结构或相应不平坦的结构。例如，第一摩擦表面16可以包括具有梯形形状的多个第一凸起，第二摩擦表面26可以包括具有梯形形状的并且可插入在第一凸起之间的多个第二凸起。

如图17和18中所示，不平坦的凹凸摩擦表面结构增大摩擦面积，从而可以增加带电的效率。虽然图17和18中未所示，但是封闭结构可以被提供，并且填充材料可以填充在封闭结构中。封闭结构和填充材料可以与图1中所示的封闭结构CS10和填充材料F10相同或相似。不平坦的摩擦表面结构不限于图17和18中所示的那些，而是可以被不同地修改。

示例实施方式的上述能量采集器可以应用于诸如电子设备的各种各样的装置。在这样的情况下，这样的装置(电子装置)可以包括连接到能量采集器的电路部分。电路部分可以存储或使用由能量采集器产生的电能。电路部分可以具有电子装置的领域中已知的结构。因此，这里将不讨论电路部分的详细描述。例如，能量采集器可以应用于诸如移动设备或可穿戴设备的装置。例如，移动设备可以是移动电话(智能电话)，诸如图19中所示的智能电话。例如，可穿戴设备可以是智能手表或智能带，诸如图20中所示的智能手表。然而，能量采集器的应用不限于移动设备或可穿戴设备。就是说，能量采集器可以应用于各种各样的装置。例如，示例实施方式的能量采集器可以应用于诸如无人机或传感器的装置。因为实施方式的能量采集器具有高效率以及用于减少或防止由外部环境(环境因素)导致的性能退化的结构，所以可以提高包括所述能量采集器的电子装置的电性能。

应理解，在此描述的示例实施方式应仅在描述性的意义上被考虑，而不是为了限制的目的。例如，本领域普通技术人员将理解，参照图1至7和图9至18描述的能量采集器可以被不同地修改。此外，本领域普通技术人员可以理解，能量采集器可以应用于各种各样的领域。因此，本发明构思的范围和精神不是由示例实施方式的描述限定，而是由所附权利要求限定。

本申请要求2016年6月29日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2016-0081536号的优先权，其公开通过引用全文合并于此。

Claims

1.一种能量采集器，包括：

第一结构，包括第一摩擦电材料；

第二结构，包括构造为通过与所述第一摩擦电材料的摩擦产生电的第二摩擦电材料；

封闭结构，构造为将所述第一摩擦电材料和所述第二摩擦电材料的摩擦表面与环境因素隔离；以及

填充材料，在所述封闭结构中与所述第一摩擦电材料和所述第二摩擦电材料接触并且具有多个电荷，所述填充材料被构造为增加所述第一摩擦电材料和所述第二摩擦电材料的带电效率。

2.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述第一结构和所述第二结构彼此面对，以及

所述第一摩擦电材料和所述第二摩擦电材料被构造为重复地彼此接触和彼此分离。

3.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述第一结构包括第一材料层和接触所述第一材料层的第一电极，所述第一材料层包括所述第一摩擦电材料；以及

所述第二结构包括含所述第二摩擦电材料的第二材料层，所述第二材料层被构造成电极。

4.如权利要求3所述的能量采集器，其中所述填充材料和所述第一电极彼此物理地分离。

5.如权利要求3所述的能量采集器，其中所述封闭结构围绕所述第一材料层的侧面和所述第二材料层的侧面，以及

所述第一电极的至少一部分不被所述封闭结构覆盖。

6.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述第一结构包括第一材料层和接触所述第一材料层的第一电极，所述第一材料层包括所述第一摩擦电材料，以及

所述第二结构包括第二材料层和接触所述第二材料层的第二电极，所述第二材料层包括所述第二摩擦电材料。

7.如权利要求6所述的能量采集器，其中所述填充材料与所述第一电极和所述第二电极物理地分离。

8.如权利要求6所述的能量采集器，其中所述封闭结构围绕所述第一材料层的侧面和所述第二材料层的侧面，以及

所述第一电极的至少一部分和所述第二电极的至少一部分不被所述封闭结构覆盖。

9.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述封闭结构的至少一部分包括弹性材料。

10.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述填充材料包括离子液体或离子凝胶。

11.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述填充材料具有正电荷和负电荷。

12.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述填充材料包括在25℃的温度下具有4mPa·s或更大的粘度的流体。

13.如权利要求1所述的能量采集器，其中所述第一结构和所述第二结构中的一个包括至少一个导销，

所述第一结构和所述第二结构中的另一个包括用于接收所述导销的至少一个导孔，以及

所述导销和所述导孔被构造为控制所述第二结构相对于所述第一结构移动的移动方向。

14.如权利要求1所述的能量采集器，还包括所述第一结构与所述第二结构之间的至少一个弹簧元件。

15.一种电子装置，包括：

如权利要求1所述的能量采集器；以及

连接到所述能量采集器的电路部分。

16.如权利要求15所述的电子装置，其中所述电子装置是移动设备或可穿戴设备。

17.一种能量采集器，包括：

第一结构，包括第一摩擦电材料；

第二结构，包括通过与所述第一摩擦电材料的摩擦产生电的第二摩擦电材料；以及

中间材料，在所述第一结构与所述第二结构之间并且具有电荷，

其中所述中间材料被构造为当所述第一结构与所述第二结构之间的间隙减小时从所述第一结构与所述第二结构之间的所述间隙向外移动，以及所述中间材料被构造为当所述第一结构与所述第二结构之间的所述间隙增大时填充所述第一结构与所述第二结构之间的所述间隙。

18.如权利要求17所述的能量采集器，其中所述中间材料包括离子液体或离子凝胶。

19.如权利要求17所述的能量采集器，其中所述中间材料具有正电荷和负电荷。

20.如权利要求17所述的能量采集器，其中所述中间材料包括在25℃的温度下具有4mPa·s或更大的粘度的流体。

21.如权利要求17所述的能量采集器，还包括围绕所述能量采集器的至少一部分的封闭结构，

其中所述中间材料在所述封闭结构中，以及

所述封闭结构的至少一部分包括弹性材料。

22.如权利要求17所述的能量采集器，其中所述第一结构包括第一材料层和接触所述第一材料层的第一电极，所述第一材料层包括所述第一摩擦电材料，以及

所述第二结构包括含所述第二摩擦电材料并构造成电极的第二材料层。

23.如权利要求17所述的能量采集器，其中所述第一结构包括第一材料层和接触所述第一材料层的第一电极，所述第一材料层包括所述第一摩擦电材料，以及

24.一种电子装置，包括：

如权利要求17所述的能量采集器；以及

连接到所述能量采集器的电路部分。

25.如权利要求24所述的电子装置，其中所述电子装置是移动设备或可穿戴设备。