JP2010505385A5

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Publication number: JP2010505385A5
Application number: JP2009530559A
Authority: JP
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2013-06-20

Description

本発明は、発電の方法、装置及び構成に関する。より具体的には、電気を生成するための核磁気スピン発電（ＮＭＳＧ：ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｓｐｉｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）及び／または残留分極発電（ＲＰＥＧ：ｒｅｍｎａｎｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）のメカニズムを採択する方法、装置及び構成に関する。

２つのタイプの発電機の間には異なる点がある一方、両タイプのデバイスの効率性を向上することができる、一部の類似点も存在する。発電サイクルにおいて、電荷の供給は、電子を連続的に提供することにより向上することができる。接地は、電子の供給となることが知られている。両デバイスは、また電流を運搬する電極にも依存する。時々、実施例に示されているように、活性元素も電極として働くこともできる。表面面積の広い電極を使用することにより、デバイスの作動の向上が可能となる。炭素及び酸化ルテニウムは、貯蔵された電荷を増加するか或いはデバイスの大きさを小さくするために、キャパシタの作製に使用されてきた。極性によってｎ型またはｐ型の挙動を付与する材料から、より効率的な電極を選択することが可能となる。

本発明の範囲に属する発電機は、多数の公知の技法を用いて作製することができる。これらは、３つの個別グループ、すなわち、薄膜製造法、厚膜製造法、及び、バルク処理を含むことができる。薄膜製造法は、これに限定されるものではないが、ＣＶＤ（化学気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）、イオン・アシスト・スパッタリング、レーザーアブレーション、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、及びスピンオン液体を含むことができる。厚膜製造法は、これに限定されるものではないが、スクリーン印刷、テープキャスティング、ポリマ化コーティング、バルク処理、押圧（プレス）、及び加熱押圧（ホットプレス）を含むことができる。

本発明の範囲に属する発電機は、バッテリ及びキャパシタを「細流充電」するのに十分であり、携帯電話機、ＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）、ノート型パソコン、ＧＰＳ（衛星利用測位システム）デバイス、携帯型音楽プレーヤ、フラッシュライト、リモートコントロールデバイス、無線及び通信デバイスなどのような多様な電子デバイスに電力を供給する定電流を供給するために使用することもできる。その他の発電機は、ディスクリート回路基板チップ、並びに、ペースメーカのための医療用インプラント及び痛症管理のための電気シミュレーションのような医療用アプリケーションに対して電力を供給することもできる。

以下、強誘電性材料を用いる固体発電機の可能な構造について概観する。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、ランダムな方向を指す。強誘電性材料のそれぞれの構成に対して、Ｔ_Ｃで表記され、臨界温度と呼ばれる相転移温度が存在する。Ｔ_Ｃ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。

ほとんどの強誘電体結晶の自発分極は、Ｔ_Ｃ以下の温度で最も大きく、Ｔ_Ｃで０に減少する。高温相もまた極性を示すと、Ｐ _Ｓは、Ｔ_Ｃでただ単に最小値を通過することができ、同様に、低温で他の相が形成されれば、そのような転移の下で、Ｐ_Ｓは、増加したり減少したりするか、或いは０になることもある。

単一領域材料の自発分極は、通常、０．００１Ｃ／ｍ^２から１０Ｃ／ｍ^２の範囲に属する。数値は、慣例上、１０^−２ｕＣ／ｃｍ^２の単位で与えられる。単一結晶におけるＰ_Ｓの大きさは、強誘電体の逆転で発生する原子変位に直接関連しており、ユニットセル内の原子位置が既知であれば、それから計算することができる。Ｄ_ｉを、Ｐ _Ｓの方向に沿った元の配向状態及び逆転された配向状態におけるｉ番目の原子の複数の位置を結合する原子変位ベクトルの構成要素であるとし、Ｚ_ｉを有効電荷とし、Ｖをユニットセル体積であるとすれば、Ｐ_Ｓ＝（１／２Ｖ）Ｓ_ｉＺ_ｉＤ_ｉである。自発分極は、細かいＸ線回折構造測定によって得られる電荷密度から直接、実験的に誘導することもできる。

プラセオジミウムドーピング-ＮＭＳＧ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に巻き取られる。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。

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、酸化マンガンの代わりに鉄粉が０．２モルパーセントまで加えられた。その後、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（１．３ｃｍ）のマンドレルの上に巻き取られる。アルミニウムホイルは負電極に接続され、タンタルホイルは正電極に接続された。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。

チタン酸バリウム−ＲＰＥＧ
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）のマンドレルの上に巻き取られる。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。

プラセオジミウムドーピング-ＮＭＳＧ
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）のマンドレルの上に巻き取られる。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。

チタン酸ジルコン酸鉛プラスチタン酸バリウム-ＲＰＥＧ
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に巻き取られる。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。

ジュウテリウムでドーピングされたマグネシウム−ＮＭＳＧ
（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マグネシウム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。

上述した小規模の実験の結果に基づいて、多重層を有するか或いは圧延された構成を利用する別のデバイスが製作され、実質的により高い電流及び電圧を生成することもできる。発明の範囲内の発電機は、バッテリ及びキャパシタを「細流充電」するのに十分であり、携帯電話機、ＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）、ノート型パソコン、ＧＰＳ（衛星利用測位システム）デバイス、携帯型音楽プレーヤ、フラッシュライト、リモートコントロールデバイス、ラジオ及び通信デバイスなどのような多様な電子デバイスに電力を供給する定電流を供給するために使用することもできる。その他の発電機は、ペースメーカーのための医療用インプラント及び痛症管理のための電気刺激のような医療用用途、並びに、ディスクリート回路基板チップに対して電力を供給することもできる。

Claims

高核磁気スピンを有する層状の材料と、
前記高核磁気スピン材料に隣接または接触する層状の極性化強誘電性材料と、
第１及び第２の電気接触物とを備え、
前記第１の電気接触物は、その第１の電気接触物と前記高核磁気スピン材料との間に前記極性化強誘電材料が位置するように配置され、第２の電気接触物は、その第２の電気接触物と極性化強誘電材料との間に高核磁気スピン材料が位置するように配置され、
前記高核磁気スピン材料に磁場を印加することにより、電力を発生する発電機。
前記第１及び第２電気接触物は、金属材料である請求項１に記載の発電機。
前記第１及び第２の電気接触物の内、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、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型の挙動を付与する材料の中から選択される、請求項４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型の挙動を付与する材料の中から選択される請求項４に記載の発電機。
前記高核磁気スピン材料に混合された磁気材料によって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、外部磁石によって印加される、請求項１に記載の発電機。
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つの層に隣接して配置された磁気材料の層をさらに備え、その磁気材料の層によって前記磁場が生成される、請求項１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。
前記極性化強誘電性材料はチタン酸ジルコン酸鉛のディスクからなり、
前記高核磁気スピン材料は、前記ディスクの表面にスパッタリングされたモリブデン層からなる請求項１に記載の発電機。
前記極性化強誘電性材料はチタン酸ジルコン酸鉛のディスクからなり、
前記高核磁気スピン材料は、前記ディスクの表面にスパッタリングされ、ジュウテリウムがドーピングされたマグネシウム層からなる請求項１に記載の発電機。