JP2010505385A - 発電機 - Google Patents
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Abstract
Description
前述した核磁気スピン特性を利用する第一の方法は、分光学及びイメージングの分野で数十年間成功裏に使用されてきた。核磁気共鳴(NMR)は、初期には水素核のスピンを用いて有機分子の構造を決定するために利用された分光学的な技法である。後で、この技法は、酸素とシリコンの同位元素、O17、19F、23N、31P及びSi29のスピンを用いて、非晶質及び結晶固体のような無機材料の構造または特別な配向を決定するために使用されていた。後で、NMR分光学技法は、今は磁気共鳴イメージング(MRI)としてよく知られたイメージングの分野に拡張された。
両方共磁場内にある核磁気材料と強誘電体との組み合わせは、このようなタイプのデバイスが、2つの材料の接触の面積まで拡大されることを必要とする。2つの材料の接触の面積が大きいほど、デバイスの界面でより多量の電力が発電される。
図5は、本発明の範囲に属する発電機の基本的な構成要素の概略図である。発電機は、高核磁気スピンまたは高残留分極を有する第1の材料と、第1の材料と密接に関連された、極性化された強誘電性材料とを含む。ここで、高核磁気スピンを有する材料は、1/2以上のスピンを有することになる。これは、原子の核が扁平化するかまたは延長することを意味する。高スピン値を有する材料は、より大量の電力の生成を可能とする。厳格に制御されるアプリケーションを除けば、スピンは、放射能を発生するほどに高くてはいけない。高核磁気スピンの材料の例は、図1に示されている。天然的に豊富であり、「奇数」のスピン特性もまた有する、高スピンの同位元素が好ましい。Pr、Mn及びMgの元素が、現在好ましい。ここで、「密接に関連された」とは、隣接した層からなる材料及び混合された材料を含む。
図9a及び9bは、酸化ルテニウムのような高表面積電極を用いる強誘電体発電機の概略図を示している。この場合、シリコン基板上に動作デバイスが設けられる。図10は、図9に示された単一ユニットの繰り返しスタックを表わす。フレキシブル電極及び薄膜を使用すると、このようなスタックは、空間をより効率的にパッキングするか或いは使うために、圧延することができる。
チタン酸バリウムは、変位タイプの強誘電体の典型である。分極は、イオンをその平衡位置からわずかに変位するようにさせる。これは、平衡イオン位置に非対称的である移動をもたらし、永久的な双極子モーメントの形成を引き起こす。規則−不規則の強誘電体には、それぞれのユニットセルに双極子モーメントが存在する。高温で、双極子ベクトルは、ランダムなした方向を指す。強誘電性材料のそれぞれの構成に対して、TCで表記され、臨界温度と呼ばれる相転移温度が存在する。TCよりも高温の強誘電体が、外部から印加される磁場で冷却されると、双極子は、ほとんどの双極子ベクトルが同一方向を指し示しながら整列される。
定義:
1 C=クーロン=1アンペア×秒
2 C=1ファラッド(F)×ボルト(V)
4 ジュール/秒=ワット
5 ジュール=1/2(ボルト)2×クーロン
6 ジュール=(C×V)/2
上式から、BiFeO3が、約0.90C/m2のPrを有することが分かる。
定義2から、層当たり0.90C/m2/20ボルト=0.045Fが存在することが分かる。
キャパシタに対する充電時間(t)が発電機に対する充電時間と同等であると仮定すると、次の数式が適用されると推定される。
t(秒)=オーム×キャパシタンス
内部抵抗が約10オーム/m2であれば、これから、内部損失を幾分か考慮する必要がある。それでは:10オーム×0.045ファラッド=0.45秒である。そうすると、定義4から、電力は、約9.0ジュール/0.45秒の20ワットの連続的な電力であることが分かる。
幅が約1.5インチ(3.8cm)であり、長さが約8フィート(2.4m)であり、厚さが約0.002インチ(0.05mm)であるタンタルシートが、厚さが約0.001インチ(0.025mm)という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化プラセオジミウムの活性混合物は、90:10から50:50までのモル比で、5%の増分で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド907(Resbond907)と呼ばれるマイカベースのセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、50:50重量%比であった。ある混合物では、酸化プラセオジミウムの代わりに鉄粉が0.2モルパーセントまで加えられた。最後に2つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、2つのホイルは、互いの上に載せられて、1/2インチのマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で460℃まで加熱され、約1ミリアンペアの小さな電流で、6,000ボルトを使用して極性化された。
幅が約1.5インチ(3.8cm)であり、長さが約8フィート(2.4m)であり、厚さが約0.002インチ(0.05mm)であるタンタルシートが、厚さが約0.001(0.025mm)インチという点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化マンガンの活性混合物は、90:10のモル比で混合した。
幅が約1.5インチ(3.8cm)であり、長さが約8フィート(2.4m)であり、厚さが約0.002インチ(0.05mm)であるタンタルシートが、厚さが約0.001インチ(0.025mm)という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムの活性混合物は、50:50のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド907と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、50:50の重量%比であった。後に、2つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、2つのホイルは、互いの上に載せられて、1/2インチ(1.3cm)のマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空で460℃まで加熱され、約1ミリアンペアの小さな電流で、6,000ボルトを使用して極性化された。
幅が約1.5インチ(3.8cm)であり、長さが約8フィート(2.4m)であり、厚さが約0.002インチ(0.05mm)であるタンタルシートが、厚さが約0.001インチ(0.025mm)という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムと酸化プラセオジミウムの活性混合物は、90:10のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド907と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、50:50の重量%比であった。ある混合物では、酸化プラセオジミウムの代わりに鉄粉が0.2モールパーセントまで加えられたりした。後に2つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられる。その後、2つのホイルは、互いの上に載せられて、1/2インチ(1.3cm)のマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で460℃まで加熱され、約1ミリアンペアの小さな電流で、6,000ボルトを使用して極性化された。
幅が約1.5インチ(3.8cm)であり、長さが約8フィート(2.4m)であり、厚さが約0.002インチ(0.05mm)であるタンタルシートが、厚さが約0.001インチ(0.025mm)という点以外は同様のアルミニウム製シートとともにテーブルに配置された。チタン酸バリウムとチタン酸ジルコン酸鉛酸化物の活性混合物は、50:50のモル比で混合した。この混合物は、ニューヨーク所在のコルトロニクス社のレスボンド907と呼ばれるセメントと混合された。セメントと活性パウダーの比率は、50:50の重量%比であった。後に2つの金属ホイルに塗装するか、刷毛で塗る厚いスラリーペーストを製造するために、蒸留水が加えられた。その後、2つのホイルは、互いの上に載せられて、1/2インチのマンドレルの上で圧延される。アルミニウムホイルは負電極に連結されて、タンタルホイルは正電極に連結された。組み合わされたコイルは、真空下で460℃まで加熱され、約1ミリアンペアの小さな電流で、6,000ボルトを使用して極性化された。
無線周波数(RF)マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティに所在のEDOセラミックス社から入手可能なPZTディスク上に、バナジウム金属がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約0.020インチ(0.5mm)であり、直径は、約1.5インチ(3.8cm)である。このディスクは、片方の面は銀でコーティングされており、バナジウムは、他の電極として働く。ディスクは、0.5テスラの外部磁石の内に位置された。やはり、バナジウム層を有するデバイスは、予測されたキャパシタンス効果を除けば、有意な電圧または電流を示さなかった。
無線周波数(RF)マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティーに所在のEDOセラミックス社から入手可能なPZTディスク上に、モリブデン金属がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約0.020インチ(0.5mm)であり、直径は、約1.5インチ(3.8cm)である。このディスクは、片方の面は銀でスパッタリングされており、モリブデンは、他の電極として働く。スパッタリングされた銀の厚さは、約200nmであり、モリブデンの厚さは、約800nmであった。ディスクは、0.5テスラの外部磁石の内に位置されている。モリブデン層を有するデバイスで得られた電位は約0.5Vであり、電流は3から6マイクロアンペアと測定された。電流及び電圧は、約6ヶ月間一定であった。デバイスは、構成要素の沈殿または拡散に対する電極PZT界面を分析するために、区分化した。界面でどのような異常も発見されなかった。
(RF)マグネトロン真空チャンバ内で、ユタ州ソルトレークシティに所在のEDOセラミックス社から入手可能なPZTディスク上に、厚さが800nmのマグネシウム金属層がスパッタリングされる。このディスクは、厚さが約0.020インチ(0.5mm)であり、直径は、約1.5インチ(3.8cm)である。このディスクの反対側は、厚さが200nmの銀層でコーティングされている。銀とマグネシウムは、電極として働く。コーティングされたディスクは、ジュウテリウムがマグネシウム層内に反応的にスパッタリングされる、RFマグネトロンスパッタチャンバに配置された。約7%のマグネシウムが反応して、マグネシウムとともに重水素化された混合物を形成した。ディスクは、0.5テスラの外部磁石の内に位置された。ジュウテリウムがドーピングされたモリブデン上で得られた電位は約1ボルトであり、電流は約6マイクロアンペアと測定された。
この場合、時々擬似キャパシタとも呼ばれるウルトラキャパシタが分解されて、残留分極発電機の作製に使用される構成部品を取り除いた。これらのうちの幾つかは、分解された20から50ファラッドのキャパシタを用いて製造された。活性電解質材料が除去されて、ポリビニリデンフルオライドで置き換えられた。このポリマは、それぞれ20/80の体積比でテトラヒドロフランに溶解された。酸化ルテニウムからなる2つの電極層が、この溶液に浸漬された。この溶液は、これらの2つの電極層上で60℃で空気乾燥された。コーティングされた層は、巻かれて、ポリビニリデンフルオライドが溶解される170℃で2時間加熱されて、デバイスに製作された。冷却に際して、2つの電極層は、約2メガオームの内部抵抗で互いに電気的に分離された。このような特定の場合において、結晶化及び自己分極プロセスが起こり、電気的極性化で見られる効果のように、正と負の領域に分けられて組職化された機能的グループに電荷を供給した。デバイスは、自発的に自己充電され、電極に対して適切に接続することにより、電流及び電圧を測定することが可能となった。デバイスの測定された性能は、0.354ボルトを示しており、2ミリアンペアの電流を生成した。このデバイスのこれらの電極は、2週に至る長い時間の間に数回短絡され、すべての場合において、このデバイスは、上述の値まで自発的で且つ連続的に再充電された。充電または放電回数の劣化は、観察されなかった。
Claims (35)
- 高核磁気スピンを有する材料と、
前記高核磁気スピン材料と密接に関連した極性化強誘電性材料と、
前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料の反対の面上に配置される一対の電気接触物と、
を含む発電機。 - 前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料は、隣接した層状の材料である、請求項1に記載の発電機。
- 前記極性化強誘電性材料及び前記高核磁気スピン材料は、混合材料である、請求項1に記載の発電機。
- 前記電気接触物は、金属材料である請求項1に記載の発電機。
- 一方の電気接触物は、アクセプタ材料であり、他方の電気接触物は、ドナー材料である請求項1に記載の発電機。
- 前記磁場は、約0.01テスラから10テスラの範囲にある請求項1に記載の発電機。
- 前記アクセプタ材料は、タンタル、金、白金及びp型半導体の中から選択される、請求項6に記載の発電機。
- 前記ドナー材料は、仕事関数の高い材料及びn型半導体の中から選択される請求項6に記載の発電機。
- 磁気材料を前記高核磁気スピン材料と混合することにより、前記磁場が印加される、請求項1に記載の発電機。
- 前記磁場は、外部磁石として印加される、請求項1に記載の発電機。
- 前記外部磁場は、磁気材料層を、前記極性化強誘電性材料または高核磁気スピン材料の中の少なくとも1つに隣接して配置することにより印加される、請求項2に記載の発電機。
- 前記磁場は、電気エネルギの生成を最適化するように調節された強度を有する、請求項1に記載の発電機。
- 前記発電機は、電子デバイスを細流充電するために十分な電力を供給する、請求項1に記載の発電機。
- 前記発電機に電気的に連結されたインダクタ回路をさらに含む請求項1に記載の発電機。
- 高核磁気スピン材料を有する複数の材料層をさらに含み、高核磁気スピン材料のそれぞれの層は、極性化強誘電性材料の一対の層の間に位置する、請求項1に記載の発電機。
- 前記高核磁気スピン材料は、+1/2以上のスピンを有する、請求項1に記載の発電機。
- 前記高核磁気スピン材料は、−1/2以下のスピンを有する、請求項1に記載の発電機。
- 前記高核磁気スピン材料は、放射性である、請求項1に記載の発電機。
- 高残留分極を有する材料と、
前記高残留分極材料と密接に関連した極性化強誘電性材料と、
前記極性化強誘電性材料及び前記高残留分極材料の両側に配置される一対の電気接触物と、
前記高残留分極材料に印加される磁場と、
を含む、発電機。 - 前記極性化強誘電性材料及び前記高残留分極材料は、隣接した層状の材料である、請求項19に記載の発電機。
- 前記強誘電性材料及び前記高残留分極材料は、混合材料である、請求項19に記載の発電機。
- 前記電気接触物は、金属材料である、請求項19に記載の発電機。
- 一方の電気接触物は、アクセプタ材料であり、他方の電気接触物は、ドナー材料である、請求項19に記載の発電機。
- 前記アクセプタ材料は、タンタル、金、白金及びp型半導体の中から選択される、請求項23に記載の発電機。
- 前記ドナー材料は、仕事関数の高い材料及びn型半導体の中から選択される、請求項23に記載の発電機。
- 磁気材料を前記高核磁気スピン材料と混合することにより、前記磁場が印加される、請求項19に記載の発電機。
- 前記磁場は、外部磁石として印加される、請求項19に記載の発電機。
- 前記外部磁場は、磁気材料層を、前記極性化強誘電性材料または高核磁気スピン材料の中の少なくとも1つに隣接して配置することにより印加される、請求項19に記載の発電機。
- 前記磁場は、電気エネルギの生成を最適化するように調節された強度を有する、請求項19に記載の発電機。
- 前記発電機は、電子デバイスを細流充電するために十分な電力を供給する、請求項19に記載の発電機。
- 前記発電機に電気的に連結されたインダクタ回路をさらに含む、請求項19に記載の発電機。
- 高残留分極を有する複数の材料層をさらに含み、高残留分極材料のそれぞれの層は、極性化強誘電性材料の一対の層の間に位置する、請求項19に記載の発電機。
- 核磁気スピンまたは残留分極のメカニズムを通じて独立的に電気を生成する材料と接触する一対の電気接触物を含む、発電機。
- 前記材料は、プラセオジミウム、マンガン、チタン酸バリウム、及びチタン酸ジルコン酸鉛で構成されたグループから選択される、請求項33に記載の発電機。
- 高核磁気スピン材料または高残留分極材料である第1の材料を得るステップと、
極性化強誘電性材料を得て、これを前記第1の材料と密接に関連するように位置させるステップと、
前記極性化強誘電性材料及び前記第1の材料の両側に一対の電気接触物を配置するステップと、
前記第1の材料に磁場を印加するステップと、
を含む、発電デバイスの作製方法。
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