JP2012110193A - Apparatus and method for power generation - Google Patents
Apparatus and method for power generation Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012110193A JP2012110193A JP2010259048A JP2010259048A JP2012110193A JP 2012110193 A JP2012110193 A JP 2012110193A JP 2010259048 A JP2010259048 A JP 2010259048A JP 2010259048 A JP2010259048 A JP 2010259048A JP 2012110193 A JP2012110193 A JP 2012110193A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power generation
- contact
- cantilever
- semiconductor
- external circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
Description
本発明は、発電装置及び発電方法に関する。 The present invention relates to a power generation apparatus and a power generation method.
従来、発電装置としては、筒形部材の内部に風力や水力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動板と圧電素子とからなる振動起電力発生部材を配置し、これらからの起電力を起電力集電装置によって集電することにより、集電された起電力が充電装置によって蓄電池に充電されるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。この装置では、筒形部材の内部を風や水力が通過するとき、流速が高まるとともに、乱気流が発生するため、振動起電力発生部材が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができる。 Conventionally, as a power generation device, a vibration electromotive force generating member composed of a plurality of diaphragms and piezoelectric elements that generate electromotive force by receiving fluid energy from wind power or hydraulic power is disposed inside a cylindrical member, and the electromotive force generated from these members is arranged. It has been proposed that the collected electromotive force is charged to a storage battery by a charging device by collecting power with an electromotive force collector (see, for example, Patent Document 1). In this apparatus, when wind or hydraulic power passes through the inside of the cylindrical member, the flow velocity increases and turbulence is generated. Therefore, even if the vibration electromotive force generating member is relatively small, the electromotive force can be efficiently generated. .
しかしながら、上述の特許文献１の発電装置では、圧電素子により発電するものである。圧電素子の発電は、結晶に歪みを与え分極現象を起こし、電力を取り出すことから、歪みを与えたあと反作用により結晶は機械振動するため、外部回路に取り出された電気信号はゼロボルトを中心に振動する。このため、整流回路などが必要であった。このような発電装置に対して、より構成の簡素化や小型化などを図るものが求められていた。 However, the above-described power generation device of Patent Document 1 generates power using a piezoelectric element. The power generation of the piezoelectric element causes the crystal to be distorted, causing a polarization phenomenon, and the electric power is taken out. After the distortion is applied, the crystal vibrates due to the reaction, so the electric signal extracted to the external circuit oscillates around zero volts. To do. For this reason, a rectifier circuit or the like is necessary. There has been a demand for such a power generation device that further simplifies the configuration, reduces the size, and the like.
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、新規な発電装置及び発電方法を提供することを主目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing a novel electric power generating apparatus and an electric power generation method.
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、半導体と金属とを摩擦させたり接触・離間するものとすると、発電することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research to achieve the above-described object, the present inventors have found that power can be generated if the semiconductor and the metal are rubbed, contacted or separated, and the present invention has been completed. It was.
即ち、本発明の発電装置は、導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段と、を備えたものである。 That is, the power generation device of the present invention includes a first member formed of at least one of a conductor and a semiconductor, a second member formed of a semiconductor and different from the first member, and the first member. Dynamic power generation means for taking out the electric power generated by dynamically contacting the second member to an external circuit.
また、本発明の発電方法は、導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、を動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出すものである。 In the power generation method of the present invention, a first member formed of at least one of a conductor and a semiconductor is dynamically brought into contact with a second member that is a semiconductor and formed of a material different from the first member. The electric power generated by this is taken out to an external circuit.
本発明では、新規の発電装置及び発電方法を提供することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、２つの材料の仕事関数の差により、接触・離間時、又は摩擦時などの動的接触状態において、界面に電荷移動が起きる。他方の材料へ移動した電荷はそのまま外部回路へ輸送され、電力を取り出すことができるものと推察される。また、本発明では、仕事関数の差を駆動力にしていることから、電荷は一方向にしか流れず、整流回路など、より発電装置の簡素化を図ることが可能であるものと推察される。 In the present invention, a novel power generation apparatus and power generation method can be provided. The reason why such an effect is obtained is not clear, but is presumed as follows. For example, due to the difference in work function between two materials, charge transfer occurs at the interface in a dynamic contact state such as contact / separation or friction. It is presumed that the electric charge transferred to the other material is transported to the external circuit as it is, and electric power can be taken out. Further, in the present invention, since the difference in work function is used as the driving force, the electric charge flows only in one direction, and it is assumed that the power generation device such as a rectifier circuit can be further simplified. .
次に本発明を具現化した一実施形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態の発電装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、カバー３２を装着する説明図である。発電装置２０は、第１の材質で形成された第１部材としてのカンチレバー２２と、半導体でありカンチレバー２２と異なる材質で形成された第２部材としての被接触部材２４と、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段としての動的発電部３０とを備えている。この発電装置２０は、カンチレバー２２と被接触部材２４とが固定部２８を介して固定されている発電素子１０（図１吹出参照）が、導電性を有する集電部２３によって集積された構造を有している。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of the power generation device 20 of the present embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram for mounting the cover 32. The power generation device 20 includes a cantilever 22 as a first member formed of a first material, a contacted member 24 as a second member that is a semiconductor and is formed of a material different from the cantilever 22, and the cantilever 22 and a contacted portion. A dynamic power generation unit 30 is provided as a dynamic power generation unit that extracts power generated by dynamically contacting the member 24 to an external circuit. This power generation device 20 has a structure in which a power generation element 10 (see FIG. 1 blowing) in which a cantilever 22 and a contacted member 24 are fixed via a fixing portion 28 is integrated by a conductive current collecting portion 23. Have.
カンチレバー２２は、一端が被接触部材２４に対して位置を固定する固定端２２ａであり、他端が自由端２２ｂとなっている可撓性を有する細長い板状体である。このカンチレバー２２は、他の複数の板状体と固定端２２ａ側で集電部２３に接続されており、自由端２２ｂ側が振動で上下左右に移動可能となっている。この発電装置２０では、カンチレバー２２が櫛歯形状の櫛歯を形成しており、更にこの櫛歯形状が複数集積された構造に形成されている。カンチレバー２２は、例えば、導電性及び可撓性を有する金属で形成されていることが好ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属、Ａｌ，Ｚｎなどの典型金属、Ｐｔ，Ａｕなどの貴金属、Ｎａ，Ｋなどのアルカリ金属、Ｍｇ，Ｃａなどのアルカリ土類金属など、どのような金属で形成されていてもよい。このうち、資源量や化学安定性、導電性の観点から、遷移金属が好ましい。なお、ここではカンチレバー２２は板状体に形成されているものとしたが、被接触部材２４に動的接触するものとすれば、特にこれに限定されず、棒状体、円柱状体、球状体など、どのような形状としてもよい。ここで、「動的接触」とは、一方が他方に対して動いて接触することをいい、例えば摩擦接触や、接触・離間の繰り返しなどを含む。集電部２３は、導電性を有する部材で形成されていればよく、カンチレバー２２と同じ部材で形成されていてもよいし、カンチレバー２２と異なる部材で形成されていてもよい。 The cantilever 22 is a flexible and elongated plate-like body having one end serving as a fixed end 22a that fixes the position with respect to the contacted member 24 and the other end serving as a free end 22b. The cantilever 22 is connected to the current collector 23 on the other plate-like body and the fixed end 22a side, and the free end 22b side can be moved vertically and horizontally by vibration. In this power generation device 20, the cantilever 22 forms a comb-shaped comb tooth, and a plurality of comb-tooth shapes are further integrated. The cantilever 22 is preferably formed of, for example, a metal having conductivity and flexibility. For example, a transition metal such as Fe, Co, or Ni, a typical metal such as Al or Zn, or a noble metal such as Pt or Au. , Any metal such as alkali metals such as Na and K and alkaline earth metals such as Mg and Ca may be used. Among these, transition metals are preferable from the viewpoints of resource amount, chemical stability, and conductivity. Here, the cantilever 22 is formed in a plate-like body. However, the cantilever 22 is not particularly limited as long as it is in dynamic contact with the contacted member 24, and is not limited to this. Any shape may be used. Here, “dynamic contact” means that one moves and contacts the other, and includes, for example, frictional contact and repeated contact / separation. The current collector 23 only needs to be formed of a conductive member, and may be formed of the same member as the cantilever 22 or may be formed of a member different from the cantilever 22.
被接触部材２４は、主として半導体により形成されており、カンチレバー２２が接触可能である接触面２５を有する、板状体の形状に形成されている。被接触部材２４は、例えば、ｎ型半導体、ｐ型半導体、不純物をドープしたものであってもよいし、真性半導体などであってもよい。半導体としては、例えば、Ｓｉ，ＧｅなどのIV族半導体、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのII−VI族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどのIII−Ｖ族半導体、 ＳｉＣ、ＳｉＧｅなどのIV族化合物半導体、 ＣｕＩｎＳｅ2（カルコパイライト系半導体）などのI-III-VI族半導体や、有機半導体などが挙げられる。なお、被接触部材２４は、板状体であるとしたが、カンチレバー２２に接触可能な接触部分を有していれば、特にこれに限定されず、例えば、柱状体としてもよいし、基板に形成された膜状体としてもよい。 The contacted member 24 is mainly formed of a semiconductor and has a plate-like shape having a contact surface 25 with which the cantilever 22 can contact. For example, the contacted member 24 may be an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, an impurity-doped member, or an intrinsic semiconductor. Examples of semiconductors include group IV semiconductors such as Si and Ge, group II-VI semiconductors such as ZnSe, CdS, and ZnO, group III-V semiconductors such as GaAs, InP, and GaN, and group IV compound semiconductors such as SiC and SiGe. And I-III-VI group semiconductors such as CuInSe 2 (chalcopyrite semiconductor) and organic semiconductors. Although the contacted member 24 is a plate-like body, the contacted member 24 is not particularly limited as long as it has a contact portion that can contact the cantilever 22. For example, the contacted member 24 may be a columnar body or a substrate. It is good also as the formed film-form body.
動的発電部３０は、カンチレバー２２に接続された第１端子２６と、被接触部材２４に接続された第２端子２７と、カンチレバー２２と被接触部材２４とが接触可能な状態で各々を固定する固定部２８と、を備えている。第１端子２６は、カンチレバー２２の固定端２２ａ側に配設された集電部２３に接続されており、この第１端子２６を介して外部回路と電気的に接続する。なお、第１端子２６は、集電部２３に接合されていてもよいし、集電部２３と一体成形されていてもよい。第２端子２７は、被接触部材２４の表面に配設されており、この第２端子２７を介して外部回路と電気的に接続する。なお、第２端子２７は、被接触部材２４に接合されていてもよいし、被接触部材２４と一体成形されていてもよい。固定部２８は、絶縁体による板状体、あるいは膜状体に形成されており、その一方の面が被接触部材２４の表面に固定され、他方の面がカンチレバー２２の固定端２２ａ側に固定されている。この固定部２８は、カンチレバー２２と被接触部材２４の接触面２５とが摩擦接触可能、接触・離間可能なクリアランスを有する厚さ及び形状に形成されている。そして、この動的発電部３０により、カンチレバー２２の振動に伴う被接触部材２４との動的接触により生じた電力を外部回路へ取り出し可能となっている。 The dynamic power generation unit 30 fixes each of the first terminal 26 connected to the cantilever 22, the second terminal 27 connected to the contacted member 24, and the cantilever 22 and the contacted member 24 in contact with each other. And a fixing portion 28. The first terminal 26 is connected to a current collector 23 disposed on the fixed end 22 a side of the cantilever 22, and is electrically connected to an external circuit via the first terminal 26. The first terminal 26 may be bonded to the current collector 23 or may be integrally formed with the current collector 23. The second terminal 27 is disposed on the surface of the contacted member 24 and is electrically connected to an external circuit via the second terminal 27. The second terminal 27 may be bonded to the contacted member 24 or may be integrally formed with the contacted member 24. The fixing portion 28 is formed as a plate-like body or a film-like body made of an insulator, and one surface thereof is fixed to the surface of the contacted member 24, and the other surface is fixed to the fixing end 22 a side of the cantilever 22. Has been. The fixed portion 28 is formed in a thickness and shape having a clearance that allows the cantilever 22 and the contact surface 25 of the contacted member 24 to be in frictional contact with each other and to be contacted and separated. The dynamic power generation unit 30 can extract the electric power generated by the dynamic contact with the contacted member 24 accompanying the vibration of the cantilever 22 to an external circuit.
また、発電装置２０は、図２に示すように、カンチレバー２２などの保護と、カンチレバー２２への通風ガイドを兼ねた構造部としてのカバー３２を備えている。このカバー３２は、カンチレバー２２の上方を覆う部材であるが、その上面の中央に通風口３３が形成されると共に、その側面に通風口３４ａ，３４ｂ，３４ｃが形成されており、カンチレバー２２へ送風を供給可能となっている。この送風を受けたカンチレバー２２が被接触部材２４の表面を動的接触する。 Further, as shown in FIG. 2, the power generation device 20 includes a cover 32 as a structure portion that also serves as a protection for the cantilever 22 and a ventilation guide to the cantilever 22. The cover 32 is a member that covers the upper portion of the cantilever 22, and has a ventilation port 33 formed at the center of the upper surface thereof and ventilation ports 34 a, 34 b, 34 c formed on the side surfaces thereof. Can be supplied. The cantilever 22 that has received the air flow dynamically contacts the surface of the contacted member 24.
次に、こうして構成された本実施形態の発電装置２０の発電動作について説明する。図３は発電装置２０の発電機構の概要を表す説明図であり、図４は、ｎ型半導体と金属との接触・離間過程におけるバンドダイヤグラムである。図３に示すように、発電装置２０は、音、液体、風及び熱のうち１以上を与えることによりカンチレバー２２などへ振動を与え、金属で形成されたカンチレバー２２と、半導体で形成された被接触部材２４とが動的接触することにより、発電するものである。発電装置２０は、例えば、モーターやエンジンなど動作の際に振動する装置の近傍、スピーカーなど音を発生する装置の近傍、走行風や自然風などを受ける装置の近傍、及び燃焼装置やエンジンなど発熱する装置の近傍に発電装置２０を配設することによって振動を受けるものとしてもよい。こうすれば、発電用ではない余剰のエネルギーなどを有効利用し、発電を行うことができる。なお、発電用の振動エネルギーを発電装置２０へ積極的に与えて発電するものとしてもよい。この発電方法において、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させるに際して、カンチレバー２２と被接触部材２４とを接触及び離間させるものとしてもよいし、カンチレバー２２と被接触部材２４とを摩擦させるものとしてもよい。 Next, the power generation operation of the power generation apparatus 20 of the present embodiment configured as described above will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of the power generation mechanism of the power generation apparatus 20, and FIG. 4 is a band diagram in the contact / separation process between the n-type semiconductor and the metal. As shown in FIG. 3, the power generation device 20 vibrates the cantilever 22 and the like by applying one or more of sound, liquid, wind and heat, and the cantilever 22 made of metal and the substrate made of semiconductor. Electricity is generated when the contact member 24 is in dynamic contact. The power generation device 20 is, for example, in the vicinity of a device that vibrates during operation, such as a motor or an engine, in the vicinity of a device that generates sound, such as a speaker, in the vicinity of a device that receives traveling wind or natural wind, and in the combustion device or engine, It is good also as what receives a vibration by arrange | positioning the electric power generating apparatus 20 in the vicinity of the apparatus to perform. If it carries out like this, the surplus energy etc. which are not for power generation can be used effectively, and power generation can be performed. In addition, it is good also as what generate | occur | produces by giving the vibration energy for electric power generation to the electric power generating apparatus 20 actively. In this power generation method, when the cantilever 22 and the contacted member 24 are dynamically contacted, the cantilever 22 and the contacted member 24 may be brought into contact with or separated from each other, or the cantilever 22 and the contacted member 24 are caused to rub. It may be a thing.
この発電機構の詳細は、明らかではないが、以下の機構が予想される。例えば、２つの材料の仕事関数の差により、接触・離間時、又は摩擦時などの動的接触状態において、２つの材料の界面に電荷移動が起き、一方の材料から他方の材料へ移動した電荷はそのまま外部回路へ輸送され、電力を取り出すことができるものと推察される。この発電機構では、仕事関数の差を駆動力にしていることから、電荷は一方向にしか流れない。例えば、図４に示すように、仕事関数φMの金属と仕事関数φSの半導体とが動的接触する場合、接触させる瞬間、仕事関数の違いにより半導体から金属へ電子が移動し、それぞれのフェルミ準位が一致する（図４のＥFSとＥFM参照）。結果的に、半導体表面、即ち金属−半導体界面には、高さφM−φSのショットキー障壁が形成される。ダイオード応用などにはこのショットキー障壁を利用している。一方、接触を動的に繰り返した場合は、十分に検討されてはいないが、以下のように推察される。例えば、離間の瞬間、ショットキー障壁領域の空乏領域を埋めるように半導体の深い位置から表面へ電子が拡散し、電荷の空間分布が均一になる。外部負荷を無限大とすると、離間後は接触前と比べてフェルミ準位が下がった状態（イオン化状態）にある（図４のＥFS→ＥFS’参照）。このポテンシャルが外部回路からキャリアを引っ張る駆動力となり、外部からキャリアがドリフトすることになる。したがって、接触・離間を繰り返すことにより、連続的にキャリアが外部回路を流れることになり、発電が起きるものと推察される。接触・離間と摩擦との違いについて考察すると、摩擦するときの互いの材料は常に接触しているが、上述と同様に離間過程が含まれているものと推察される。例えば、半導体を固定して金属を摩擦する場合を考える。この場合、初期接触位置Ａには接触点を中心に空乏領域が形成され、次の瞬間その空乏領域から離れた場所へ移動すると次の接触位置Ｂに空乏領域が形成される。この瞬間が離間過程と同等であると考えられる。また、接触位置Ａの空乏領域へその周辺からキャリアが拡散する。このように、接触位置Ａから接触位置Ｂへ、又は接触位置Ｂから接触位置Ａへの過程を繰り返すことにより、接触・離間を繰り返し行うことと等価になるものと推察される。このように、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させることによって、電荷は一方向に流れ、発電が起きるものと推察される。そして、発電電圧の正負は、動的接触する第１部材の材質と第２部材の材質とにより定められるものと推察される。 The details of this power generation mechanism are not clear, but the following mechanism is expected. For example, due to a difference in work function between two materials, charge transfer occurs at the interface between the two materials in a dynamic contact state such as contact / separation or friction, and the charge transferred from one material to the other material Is transported to the external circuit as it is, and it is assumed that power can be taken out. In this power generation mechanism, the charge flows only in one direction because the difference in work function is used as the driving force. For example, as shown in FIG. 4, when a metal having a work function φ M and a semiconductor having a work function φ S are in dynamic contact, electrons move from the semiconductor to the metal due to the difference in work function at the moment of contact. Fermi level coincides (see E FS and E FM of FIG. 4). As a result, a Schottky barrier having a height φ M -φ S is formed on the semiconductor surface, that is, the metal-semiconductor interface. This Schottky barrier is used for diode applications. On the other hand, when the contact is repeated dynamically, it has not been sufficiently studied, but is presumed as follows. For example, at the instant of separation, electrons diffuse from the deep position of the semiconductor to the surface so as to fill the depletion region of the Schottky barrier region, and the spatial distribution of charges becomes uniform. When the external load is infinite, the Fermi level is lower (ionized state) after separation than before contact (see E FS → E FS ′ in FIG. 4). This potential becomes a driving force for pulling the carrier from the external circuit, and the carrier drifts from the outside. Therefore, it is inferred that by repeating contact and separation, the carrier continuously flows in the external circuit, and power generation occurs. Considering the difference between contact / separation and friction, it is presumed that the materials are always in contact with each other when friction occurs, but the separation process is included as described above. For example, consider the case where a semiconductor is fixed and the metal is rubbed. In this case, a depletion region is formed around the contact point at the initial contact position A, and a depletion region is formed at the next contact position B when moving to a place away from the depletion region at the next moment. This moment is considered equivalent to the separation process. In addition, carriers diffuse from the periphery to the depletion region at the contact position A. In this way, it is assumed that repeating the process from the contact position A to the contact position B or from the contact position B to the contact position A is equivalent to repeatedly performing contact and separation. In this way, it is assumed that when the cantilever 22 and the contacted member 24 are brought into dynamic contact, the charge flows in one direction and power generation occurs. The positive / negative of the generated voltage is assumed to be determined by the material of the first member and the material of the second member that are in dynamic contact.
この発電方法では、例えば、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させるに際して、カンチレバー２２及び被接触部材２４をガス雰囲気中、真空中、液体中のうちいずれか１つの環境内で動的接触させてもよい。仕事関数の差を駆動力にしていることから、発電環境に影響されないものと推察される。ガス雰囲気としては、たとえば、大気中や、Ｈｅ，Ａｒなどの不活性雰囲気中としてもよい。液体としては、例えば、水や、有機溶媒、油などとしてもよい。水としては、純水や水道水であってもよい。有機溶媒としては、例えば、ベンゼン、シクロヘキサンなどの炭化水素系の溶媒、メタノールやエタノールなどのアルコール、グリコールなどのジオール、アセトンなどのケトンなどとしてもよい。この発電方法によれば、例えば、従来なかったようなナノサイズなどの小型の発電装置を提供することができるものと推察される。また、電荷は一方向に流れて発電が起きるため、整流装置などをより簡素化することができる。 In this power generation method, for example, when the cantilever 22 and the contacted member 24 are dynamically contacted, the cantilever 22 and the contacted member 24 are dynamically moved in any one of an environment of a gas atmosphere, a vacuum, and a liquid. You may make it contact. Since the difference in work function is used as the driving force, it is assumed that the power generation environment is not affected. The gas atmosphere may be, for example, the air or an inert atmosphere such as He or Ar. As a liquid, it is good also as water, an organic solvent, oil, etc., for example. The water may be pure water or tap water. Examples of the organic solvent may include hydrocarbon solvents such as benzene and cyclohexane, alcohols such as methanol and ethanol, diols such as glycol, and ketones such as acetone. According to this power generation method, it is presumed that, for example, it is possible to provide a small-sized power generation device such as a nano-size that has not been conventionally available. In addition, since electric charge flows in one direction and power generation occurs, the rectifier and the like can be further simplified.
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
例えば上述した実施形態では、カンチレバー２２と被接触部材２４とが接触面２５において動的接触するものとしたが、互いに異なる材質の部材が動的接触するものとすれば、特にこれに限定されない。例えば、図５は、他の実施形態の一例を示す発電装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。この発電装置２０Ｂは、金属製の棒状体２２Ｂと、棒状体２２Ｂが挿入される挿入孔２５Ｂが複数形成された半導体製の被接触部材２４Ｂと、棒状体２２Ｂと被接触部材２４Ｂとを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電部３０Ｂとを備えている。この動的発電部３０Ｂは、棒状体２２Ｂに電気的に接続された第１端子２６Ｂと、被接触部材２４Ｂに電気的に接続された第２端子２７と、図示しない筐体などに配設され挿入孔２５Ｂに棒状体２２Ｂが挿入された状態で棒状体２２Ｂを固定する絶縁性の固定部２８Ｂとを備えている。この固定部２８Ｂは、棒状体２２Ｂと被接触部材２４Ｂとが動的接触する位置で棒状体２２Ｂを固定する。この発電装置２０Ｂにおいても、棒状体２２Ｂが挿入孔２５Ｂの内周面に動的接触することにより、発電することができる。なお、棒状体２２Ｂの長さを調節し、棒状体２２Ｂの振動周波数を調節するものとしてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the cantilever 22 and the contacted member 24 are in dynamic contact with each other on the contact surface 25. However, the members are not particularly limited as long as members of different materials are in dynamic contact with each other. For example, FIG. 5 is a configuration diagram illustrating an outline of a configuration of a power generation device 20B illustrating an example of another embodiment. This power generation device 20B dynamically connects a metal rod-shaped body 22B, a semiconductor contact member 24B in which a plurality of insertion holes 25B into which the rod-shaped body 22B is inserted, a rod-shaped body 22B and the contacted member 24B. And a dynamic power generation unit 30B that extracts power generated by the contact to an external circuit. The dynamic power generation unit 30B is disposed in a first terminal 26B electrically connected to the rod-like body 22B, a second terminal 27 electrically connected to the contacted member 24B, a housing (not shown), and the like. An insulating fixing portion 28B that fixes the rod-like body 22B in a state where the rod-like body 22B is inserted into the insertion hole 25B is provided. The fixing portion 28B fixes the rod-like body 22B at a position where the rod-like body 22B and the contacted member 24B are in dynamic contact. Also in this power generation device 20B, power can be generated by the rod-like body 22B being in dynamic contact with the inner peripheral surface of the insertion hole 25B. The length of the rod-like body 22B may be adjusted to adjust the vibration frequency of the rod-like body 22B.
上述した実施形態では、第１部材としてのカンチレバー２２が金属で形成され、第２部材としての被接触部材２４が半導体で形成されているものとしたが、各々の材質が異なるものとすれば特に限定されず、第１部材（カンチレバー）が導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成されていてもよい。また、カンチレバー２２は、金属で形成されているものとしたが、これに限らず、導電性を有する材質、例えば、カーボンなどによって形成されていてもよい。更に、第１部材及び第２部材は、材料の仕事関数に差があればよく、例えば、第１部材が半導体で形成され、第２部材が第１部材と異なる半導体で形成されているものとしてもよい。このとき、第１部材（カンチレバー）の半導体は、被接触部材２４の説明で挙げた種々の半導体のうちいずれかを用いることができる。あるいは、カンチレバーを半導体で形成し、被接触部材を導体で形成するものとしてもよい。即ち、カンチレバーを第２部材とし、被接触部材を第１部材としてもよい。 In the above-described embodiment, the cantilever 22 as the first member is made of metal and the contacted member 24 as the second member is made of semiconductor. However, if each material is different, it is particularly preferable. Without limitation, the first member (cantilever) may be formed of at least one of a conductor and a semiconductor. Further, the cantilever 22 is made of metal. However, the cantilever 22 is not limited to this, and may be made of a conductive material such as carbon. Furthermore, the first member and the second member need only have a difference in work function of materials. For example, the first member is formed of a semiconductor and the second member is formed of a semiconductor different from the first member. Also good. At this time, as the semiconductor of the first member (cantilever), any of the various semiconductors mentioned in the description of the contacted member 24 can be used. Alternatively, the cantilever may be formed of a semiconductor and the contacted member may be formed of a conductor. That is, the cantilever may be the second member and the contacted member may be the first member.
上述した実施形態では、「動的発電手段」を第１端子２６，第２端子２７及び固定部２８により構成するものとして説明したが、これに加えて、第１部材（カンチレバー２２）と第２部材（被接触部材２４）とに振動を与える振動付加装置を含むものとしてもよい。この振動付加装置としては、例えば、振動や送風を与えるモーターや、熱を与えるヒーター、送風を導くフードなどが挙げられる。 In the above-described embodiment, the “dynamic power generation means” is described as being configured by the first terminal 26, the second terminal 27, and the fixing portion 28. In addition to this, the first member (cantilever 22) and the second member A vibration adding device that applies vibration to the member (contacted member 24) may be included. Examples of the vibration applying device include a motor that applies vibration and ventilation, a heater that applies heat, and a hood that guides ventilation.
以下には、本発明の発電装置を具体的に検討した内容を実験例として説明する。ここでは、オシロスコープを用いたマクロ領域での測定と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いたナノ領域での測定を主として行った。 Below, the content which examined the electric power generating apparatus of this invention concretely is demonstrated as an experiment example. Here, measurement in a macro region using an oscilloscope and measurement in a nano region using an atomic force microscope (AFM) were mainly performed.
［マクロ領域での測定］
Ｓｉウエハと金属とを摩擦し、発生電圧の時間変化を観察した。使用した装置は、オシロスコープ（テクトロニクス社製ＴＤＳ−２１０）、プローブ（オシロスコープに付属のＮｉ材）、鰐口クリップ（Ａｌ又はＮｉ）、デジタルマルチメータ、アナログテスタである。これらを用いて、プローブに負荷抵抗ＲLを接続し、オシロスコープで電圧の時間変化を観察した。オシロスコープは、ＧＰＩＢインターフェイス経由でコンピュータへ出力した。ここでは、表１に示すウエハを試料として用いた。各ウエハは、ドープ量が多いものを「ｐ+，ｎ+」とし、ドープ量が普通であるものを「ｐ，ｎ」とし、ドープ量の少ないものを「ｐ-，ｎ-」と便宜的に称するものとした。
[Measurement in the macro area]
The Si wafer and the metal were rubbed and the time change of the generated voltage was observed. The equipment used was an oscilloscope (Tektronix TDS-210), a probe (Ni material attached to the oscilloscope), a lip clip (Al or Ni), a digital multimeter, and an analog tester. Using these, the load resistance R L was connected to the probe, and the time change of the voltage was observed with an oscilloscope. The oscilloscope output to the computer via the GPIB interface. Here, the wafer shown in Table 1 was used as a sample. For each wafer, “p + , n + ” indicates that the amount of doping is large, “p, n” indicates that the amount of doping is normal, and “p − , n − ” indicates that the amount of doping is small. It shall be called.
＜半導体のキャリアタイプ及びドープ量に対する発電特性＞
購入した状態の各種Ｓｉウエハを表面処理無しでＮｉプローブで摩擦し、起電力を測定した。図６は、ドープ量の異なるｎ型Ｓｉウエハ、ｐ型Ｓｉウエハの発電結果である。このときの負荷抵抗ＲLを５００ｋΩとし、摩擦速度はおおよそ１×１０1ｃｍ／ｓであった。図６に示すように、キャリアタイプとキャリア濃度にかかわらず１００〜２００ｍＶの正電圧が得られた。一方、ｎ型及びｐ型と、ｎ-及びｐ-とを比較すると、ｐ型の方が電圧が高い傾向を示した。また、ｎ型，ｐ型共にドープ量が高くなるほど（ｎ-→ｎ→ｎ+）、摩擦時の電圧変化が敏感に起きているようにみえた。ｎ+型では、スパイク状の特性であり、ｎ-型では矩形状に近い特性が観察された。これは、界面での電荷移動及び半導体中での電荷輸送速度がドープ量に依存することに起因する可能性を示唆している。
<Power generation characteristics with respect to semiconductor carrier type and doping amount>
Various Si wafers in the purchased state were rubbed with a Ni probe without surface treatment, and electromotive force was measured. FIG. 6 shows the power generation results of n-type Si wafers and p-type Si wafers having different doping amounts. The load resistance R L at this time was 500 kΩ, and the friction speed was approximately 1 × 10 1 cm / s. As shown in FIG. 6, a positive voltage of 100 to 200 mV was obtained regardless of the carrier type and the carrier concentration. On the other hand, when n-type and p-type were compared with n − and p − , p-type showed higher voltage. Moreover, it seems that the voltage change at the time of friction occurs more sensitively as the doping amount is higher for both n-type and p-type (n − → n → n + ). In the n + type, a spike-like characteristic was observed, and in the n − type, a characteristic close to a rectangular shape was observed. This suggests the possibility that the charge transfer at the interface and the charge transport rate in the semiconductor depend on the doping amount.
＜負荷抵抗依存性＞
図７は、本実施例の発電装置の抵抗、電圧及び電流に関する関係図である。図７（ａ）は、負荷抵抗ＲLと発生電圧との関係図であり、図７（ｂ）は、全抵抗Ｒtotalとピーク電圧Ｖpとの関係図であり、図７（ｃ）は、ピーク電圧Ｖpと発生電流Ｉとの関係図である。ここでは、試料はｎ型のＳｉウエハの表面処理無しのものを用い、負荷抵抗ＲL（ｋΩ）に対する発生電圧のピーク電圧Ｖp（ｍＶ）の関係を求めた。また、全抵抗Ｒtotal（ｋΩ）は、オシロスコープの入力インピーダンスＲin＝１ＭΩを考慮し、全抵抗Ｒtotal（ｋΩ）＝（Ｒin・ＲL）／（Ｒin＋ＲL）の式から求めた。図７（ａ）は、約２．８ｓから摩擦を始めた特性を示している。この結果、負荷抵抗ＲLの増加に伴い発生電圧が増加する傾向を示した。また、図７（ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖpと負荷抵抗ＲLとの関係はおおよそ直線的になっており、また、図７（ｃ）に示すように、発生電流Ｉ（μＡ）は電圧に対して略一定であるものと考えられた。この結果から、本実施例の発電装置では、負荷抵抗ＲLが１００ｋΩ以上５００ｋΩの範囲において、定電流が発生していることを示唆している。即ち、一次電池や二次電池は定電圧源であるが、この発電装置は定電流源として機能するものと推察された。
<Load resistance dependency>
FIG. 7 is a relationship diagram regarding resistance, voltage, and current of the power generation device of this example. 7A is a relationship diagram between the load resistance R L and the generated voltage, FIG. 7B is a relationship diagram between the total resistance R total and the peak voltage V p, and FIG. FIG. 6 is a relationship diagram between a peak voltage V p and a generated current I. Here, a sample without an n-type Si wafer surface treatment was used, and the relationship between the peak voltage V p (mV) of the generated voltage with respect to the load resistance R L (kΩ) was determined. The total resistance R total (kΩ) was calculated from the equation of total resistance R total (kΩ) = (R in · L L ) / (R in + R L ) in consideration of the input impedance R in = 1 MΩ of the oscilloscope. . FIG. 7 (a) shows the characteristic of starting friction from about 2.8s. As a result, the generated voltage tended to increase as the load resistance RL increased. Further, as shown in FIG. 7B, the relationship between the peak voltage V p and the load resistance R L is approximately linear, and as shown in FIG. 7C, the generated current I (μA). ) Was considered to be substantially constant with respect to voltage. From this result, in the power generator of this example, it is suggested that a constant current is generated when the load resistance R L is in the range of 100 kΩ to 500 kΩ. That is, it was assumed that the primary battery and the secondary battery are constant voltage sources, but this power generator functions as a constant current source.
＜電極種類に対する発電特性＞
図８は、電極の種類に対するＶ−ｔ特性の説明図である。図８（ａ）の中の＋と−は、それぞれオシロスコープの＋側とＧＮＤ側とに対応する。＋側のＮｉプローブを動かした場合、正電圧が観察された。一方、ＧＮＤ側のＮｉクリップを動かした場合、Ｎｉプローブとは逆の負電圧が観察された。また、ＧＮＤ側をＡｌプローブとして動かした場合、Ｎｉプローブとは逆の正電圧が観察された。つまり、金属の種類によって発生電圧の向きが異なることがわかった。＋側を動かした場合、正電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への電子移動であると推察された。同様に、ＧＮＤ側を動かした場合、負電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への電子移動を意味している。一方、ＧＮＤ側を動かした場合、正電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への正孔移動を意味していると推察された。図８（ｂ）に示すように、金属−半導体接触の際に形成されるショットキー障壁の高さや方向は、仕事関数によって決定される。図８（ｂ）において、上下矢印は摩擦を意味する。Ｎｉ，Ａｌの仕事関数は、それぞれ５．２ｅＶ，４．１ｅＶである。Ｓｉの電子親和力（真空準位から伝導帯下端）は、４．１ｅＶ、バンドギャップが１．１ｅＶであるので、イオン化ポテンシャル（真空準位から価電子帯上端）は５．３ｅＶである。なお、これらはバルク値なので、表面の接触を見ている本現象にそのまま当てはまるかについては疑義があるが、相対的な大小は合っていると考えても差し支えないと思われる。Ｎｉを摩擦したとき、仕事関数の関係から、例えばキャリア濃度が高すぎてフェルミ準位がバンド端を大幅に超えない範囲以下では、どのようなドープ量、キャリアタイプであっても、図８（ｂ）に示す方向にショットキー障壁が形成されると考えられる。したがって、Ｎｉを摩擦することでＳｉ表面からＮｉへ電子が移動すると考えられる。一方、Ａｌは、ホールに対するショットキー障壁を形成する。したがって、Ａｌの摩擦によってＳｉ表面からＡｌへホールが移動すると考えられる。
<Power generation characteristics with respect to electrode type>
FIG. 8 is an explanatory diagram of Vt characteristics with respect to the type of electrode. In FIG. 8A, + and − correspond to the + side and the GND side of the oscilloscope, respectively. A positive voltage was observed when the + side Ni probe was moved. On the other hand, when the GND side Ni clip was moved, a negative voltage opposite to that of the Ni probe was observed. When the GND side was moved as an Al probe, a positive voltage opposite to that of the Ni probe was observed. That is, it was found that the direction of the generated voltage differs depending on the type of metal. When the + side was moved, it was assumed that the generation of a positive voltage meant the movement of electrons from the Si wafer to the movable metal. Similarly, when the GND side is moved, generation of a negative voltage means movement of electrons from the Si wafer to the movable metal. On the other hand, when the GND side was moved, it was assumed that the generation of a positive voltage meant the movement of holes from the Si wafer to the movable metal. As shown in FIG. 8B, the height and direction of the Schottky barrier formed in the metal-semiconductor contact are determined by the work function. In FIG. 8B, the up and down arrows mean friction. The work functions of Ni and Al are 5.2 eV and 4.1 eV, respectively. Since the electron affinity of Si (from the vacuum level to the conduction band bottom) is 4.1 eV and the band gap is 1.1 eV, the ionization potential (from the vacuum level to the valence band top) is 5.3 eV. Since these are bulk values, there is doubt as to whether this phenomenon is directly applied to the phenomenon where the contact of the surface is seen, but it seems safe to consider that the relative size is appropriate. When Ni is rubbed, from the relationship of work function, for example, within a range where the carrier concentration is too high and the Fermi level does not significantly exceed the band edge, any doping amount and carrier type can be obtained as shown in FIG. It is considered that a Schottky barrier is formed in the direction shown in b). Therefore, it is considered that the electrons move from the Si surface to Ni by rubbing Ni. On the other hand, Al forms a Schottky barrier against holes. Therefore, it is considered that holes move from the Si surface to Al due to the friction of Al.
＜表面処理の効果と溶液中の発電＞
Ｓｉウエハの表面処理として、フッ酸処理による水素終端清浄表面、フッ酸処理無しでアセトン及びエタノールの脱脂処理による清浄表面、処理なし、素手で触ることによる汚染表面、の４種類の表面状態を形成し、発電特性を調べた。測定結果を表２に示す。表面処理後直ちに摩擦したときの特性を「摩擦初期」に、そのまま摩擦を続けて１分ほど経過したときの特性を「１分後」に、その後、十分時間が経過したあと摩擦を再開したときの特性を「再度摩擦」に示した。フッ酸処理や脱脂処理をした試料は、摩擦初期には発電しなかった。しかし、摩擦を継続するうちに電圧が発生し、ひとたび電圧が発生すると、あとは長時間経過したときの再摩擦でも発電した。無処理や汚染処理を行ったウエハは、摩擦初期から電圧が発生した。この結果より、発電特性は表面状態に応じて変わることがわかった。特に、清浄表面や脱脂表面では発電せず、むしろ汚れた表面や水分油分がついた表面の方が初期特性にはよいことがわかった。
<Effect of surface treatment and power generation in solution>
As surface treatment of Si wafer, four types of surface states are formed: hydrogen-terminated clean surface by hydrofluoric acid treatment, clean surface by degreasing of acetone and ethanol without hydrofluoric acid treatment, no treatment, contaminated surface by touching with bare hands Then, the power generation characteristics were examined. The measurement results are shown in Table 2. When the friction immediately after the surface treatment is “Friction initial”, when the friction is continued for about 1 minute, the property is “1 minute”, and after a sufficient time has elapsed, the friction is resumed The characteristics are shown in “Friction again”. Samples that had been treated with hydrofluoric acid or degreased did not generate electricity at the beginning of friction. However, a voltage was generated while the friction continued, and once the voltage was generated, power was generated even after re-friction after a long time. A voltage was generated from the initial stage of friction on wafers that had been untreated or contaminated. From this result, it was found that the power generation characteristics change according to the surface condition. In particular, it was found that a clean surface and a degreased surface do not generate electricity, but rather a dirty surface or a surface with a moisture oil is better for the initial characteristics.
次に、表３に各種溶液中での発電の有無の結果をまとめた。試料は、ｎ+−Ｓｉウエハであり、表面処理無しのものである。用いた溶液は、水道水、エタノール、アセトン及び機械油である。その結果、これらどの溶液中であっても発電することがわかった。図９は、各溶液中でのＶ−ｔ特性の説明図である。発生電圧の大小は溶液により差があり、その原因は不明であるが、エタノールでやや低い結果となった。どの溶液中でも発電可能であることから、応用範囲が広いものと考えられた。 Next, Table 3 summarizes the results of the presence or absence of power generation in various solutions. The sample is an n + -Si wafer and has no surface treatment. The solutions used are tap water, ethanol, acetone and machine oil. As a result, it was found that power was generated in any of these solutions. FIG. 9 is an explanatory diagram of Vt characteristics in each solution. The magnitude of the generated voltage varies depending on the solution, and the cause is unknown, but ethanol produced a slightly lower result. Since power generation is possible in any solution, the application range was considered wide.
＜測定装置由来のアーティファクトの排除＞
測定値が比較的小さいことから、ノイズの影響、動的接触以外の効果、装置由来のアーティファクトが含まれる可能性がある。ノイズに関しては、配線に同軸ケーブルを用いるとある程度除去可能であったので、特に問題はないものと考えられる。以下に、動的接触以外の影響と装置由来のアーティファクトについて考察した。
<Elimination of artifacts derived from measuring devices>
Since the measured value is relatively small, it may contain noise effects, effects other than dynamic contact, and device-derived artifacts. Concerning noise, it was considered that there was no particular problem because it could be removed to some extent when a coaxial cable was used for the wiring. In the following, effects other than dynamic contact and artifacts derived from the device were considered.
まず、光電効果の影響を検討した。金属−半導体接触によりショットキー障壁を形成すると、界面の内部電界によってキャリアが分離する。実際に、ショットキー障壁を利用した太陽電池が報告されている。本発明の発電には、光起電力の効果が含まれている可能性があることから、その影響がどの程度であるのかを検討した。図１０は、エタノール及びアセトンにより脱脂したｎ-基板の摩擦初期の特性図である。摩擦初期では発電電圧は高くないが観察された。接触時には、負電圧が生じたが、光起電力に起因すると推察され、摩擦しなくても一定の電圧が観察された。その後、摩擦を開始すると、光起電力の電圧から２〜５ｍＶ正方向に電圧が生じた。これが動的接触の発電によるものであると考えられた。暗室で接触発電を確かめたところ、発電が確認された。ドープ量が多いウエハを用いると、光起電力の影響は小さく、光照射下と暗状態との差はほとんど見られなかった。これらの結果より、本実験で得られた発電は光起電力によるものではないことがわかった。 First, the influence of the photoelectric effect was examined. When a Schottky barrier is formed by metal-semiconductor contact, carriers are separated by an internal electric field at the interface. In fact, a solar cell using a Schottky barrier has been reported. Since there is a possibility that the power generation of the present invention includes the effect of photovoltaic power, the extent of the influence was examined. FIG. 10 is a characteristic diagram at the initial stage of friction of an n − substrate degreased with ethanol and acetone. At the initial stage of friction, the generated voltage was not high, but was observed. At the time of contact, a negative voltage was generated, but it was assumed that it was caused by the photovoltaic force, and a constant voltage was observed without friction. Then, when friction was started, a voltage was generated in the positive direction of 2 to 5 mV from the voltage of the photovoltaic power. This was thought to be due to dynamic contact power generation. When we confirmed contact power generation in a dark room, power generation was confirmed. When a wafer with a large amount of doping was used, the influence of the photovoltaic force was small, and there was hardly any difference between the light irradiation and the dark state. From these results, it was found that the power generation obtained in this experiment was not due to photovoltaic power.
次に、摩擦熱による熱電効果の影響を検討した。物質は摩擦により熱が発生することから、熱電効果を考慮しなければならない。半導体内の温度分布に差があると、キャリアの輸送が起きる。実験では、半導体ウエハを金属で摩擦している。もし、熱電効果が観察されるなら、ウエハの多数キャリアが、摩擦しているところから半導体内部へ拡散することになる。即ち、キャリアタイプによって発電方向が異なるはずである。しかし、図６に示したように、電圧方向はキャリアタイプに依存していない。そして、電圧方向は、摩擦する金属材料に依存することが明らかである（図８参照）。したがって、温度分布差によるキャリア拡散は、支配的ではなく、材料固有の物性が大きく影響しているといえる。よって、摩擦熱による熱電効果の影響は無視できるくらい小さいと推察された。 Next, the influence of the thermoelectric effect due to frictional heat was examined. Since the substance generates heat due to friction, the thermoelectric effect must be taken into account. Carrier transport occurs when there is a difference in temperature distribution within the semiconductor. In the experiment, the semiconductor wafer is rubbed with metal. If a thermoelectric effect is observed, the majority carriers of the wafer will diffuse from the rubbing area into the semiconductor. That is, the power generation direction should be different depending on the carrier type. However, as shown in FIG. 6, the voltage direction does not depend on the carrier type. It is clear that the voltage direction depends on the metal material that is rubbed (see FIG. 8). Therefore, carrier diffusion due to temperature distribution difference is not dominant, and it can be said that the physical properties specific to the material have a great influence. Therefore, it was speculated that the influence of the thermoelectric effect due to frictional heat is negligibly small.
続いて、装置由来の特性の影響を検討した。上述した測定結果は、デジタルオシロスコープを用いたものである。上述したものと同様の結果が、デジタルマルチメータによっても確認された。これらの装置において、入力端子に最も近い回路はプリアンプであるが、通常はバッファとしてボルテージフォロワ（ＶＦ）回路が組まれている。図１１は、ＶＦ回路の説明図である。図１１に示すように、ＶＦ回路ではオペアンプが使用される。ここで注意しなければならないのは、実際のオペアンプは、ごくわずかな（数ｐＡ〜ｎＡ）入力バイアス電流Ｉbが存在するため、入力負荷ＲにはＶi＝Ｉb×Ｒの電位差が発生する。ＶＦ回路の出力電圧Ｖ0は入力電圧Ｖiに等しいので、入力負荷Ｒが大きい場合はあたかも負荷が電池のようにみえてしまう場合がある。本実験の場合、Ｒは金属・半導体間の抵抗を意味し、入力負荷Ｒに応じた電圧が入力バイアス電流Ｉbによって発生する可能性を考慮する必要がある。もし、入力バイアス電流Ｉbによる電圧を観察しているならば、＋側でもＧＮＤ側でも摩擦する電極にかかわらず同じ方向に電圧が生じるはずである、しかし、図８（ａ）に示すように、摩擦する側の材料をＮｉに固定した場合、摩擦の極によって発生電圧の方向が異なることがわかった。また、アナログテスタは、入力回路にオペアンプを使用していないので、入力バイアス電流は存在しない。摩擦をアナログテスタでも行ったところ、デジタルテスタほど大きくはないが電圧の発生が観察された図８（ａ）のように、摩擦側の極性を変えた場合と同様の傾向が得られた。したがって、本実験で得られた摩擦による電圧は、入力バイアス電流Ｉbによるものではないことが明らかとなった。 Then, the influence of the characteristic derived from an apparatus was examined. The above measurement results are obtained using a digital oscilloscope. Results similar to those described above were also confirmed with a digital multimeter. In these devices, the circuit closest to the input terminal is a preamplifier, but usually a voltage follower (VF) circuit is assembled as a buffer. FIG. 11 is an explanatory diagram of a VF circuit. As shown in FIG. 11, an operational amplifier is used in the VF circuit. It should be noted here that an actual operational amplifier has a very small (several pA to nA) input bias current Ib, and therefore, a potential difference of Vi = Ib × R is generated in the input load R. Since the output voltage V0 of the VF circuit is equal to the input voltage Vi, when the input load R is large, the load may look like a battery. In this experiment, R means a resistance between metal and semiconductor, and it is necessary to consider the possibility that a voltage corresponding to the input load R is generated by the input bias current Ib. If the voltage due to the input bias current Ib is observed, the voltage should be generated in the same direction regardless of the friction electrode on the + side or the GND side. However, as shown in FIG. It was found that when the material on the friction side is fixed to Ni, the direction of the generated voltage differs depending on the friction pole. Moreover, since the analog tester does not use an operational amplifier in the input circuit, there is no input bias current. When the friction was also performed with an analog tester, the same tendency as in the case where the polarity on the friction side was changed was obtained as shown in FIG. Therefore, it has been clarified that the frictional voltage obtained in this experiment is not due to the input bias current Ib.
＜マクロ領域の結果考察＞
以上の実験より明らかになったことを以下にまとめる。まず、Ｓｉウエハのキャリアタイプによらず同一方向に電圧が発生する。また、Ｓｉウエハのドープ量に応じて発生電圧の応答時間が異なる。負荷抵抗と発生電圧は直線的で、測定領域内では、定電流が発生する。摩擦する金属の種類によって発生電圧方向が異なる。Ｓｉウエハの表面を洗浄（フッ酸処理、有機溶剤処理）すると、摩擦初期は発電しない。水、エタノール、アセトン及び機械油の中で摩擦しても発電することができる。光起電力、熱起電力、装置から来るバイアス電流による影響は無視できる。以上のことが明らかとなった。
<Consideration of macro area results>
The following is a summary of the findings from the above experiment. First, a voltage is generated in the same direction regardless of the carrier type of the Si wafer. Further, the response time of the generated voltage varies depending on the doping amount of the Si wafer. The load resistance and the generated voltage are linear, and a constant current is generated in the measurement region. The direction of generated voltage varies depending on the type of metal that rubs. When the surface of the Si wafer is cleaned (hydrofluoric acid treatment, organic solvent treatment), no power is generated at the initial stage of friction. Electricity can also be generated by friction in water, ethanol, acetone and machine oil. The effects of photovoltaic, thermoelectric and bias currents coming from the device are negligible. The above became clear.
［ナノ領域の測定］
導電性カンチレバーを用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ｖｅｅｃｏ社製Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ）を利用して、トポグラフと電気伝導特性とを同時に測定した。導電性カンチレバーとしては、ダイヤモンドライクカーボンを被覆したＳｉ製カンチレバーを用いた。試料には、表面をフッ酸処理したＳｉウエハを用いた。
[Measurement of nano region]
Using an atomic force microscope (AFM: Nanoscope manufactured by Veeco) using a conductive cantilever, the topograph and electrical conductivity characteristics were measured simultaneously. As the conductive cantilever, a Si cantilever coated with diamond-like carbon was used. As a sample, a Si wafer whose surface was treated with hydrofluoric acid was used.
＜ＡＦＭ測定結果＞
図１２は、導電性カンチレバーを用いたＡＦＭの測定結果である。凹凸像と電流像とは、同じ領域の測定結果である。凹凸像の溝の位置を反映して負電流が流れた。特に、溝のふち部分で電流が流れた。したがって、ナノ領域の解析から、ナノ凹凸のエッジ部分が発電サイトになっていることがわかった。
<AFM measurement result>
FIG. 12 shows measurement results of AFM using a conductive cantilever. An uneven | corrugated image and an electric current image are the measurement results of the same area | region. A negative current flowed reflecting the position of the groove in the concavo-convex image. In particular, current flowed at the edge of the groove. Therefore, it was found from the analysis of the nano region that the edge portion of the nano unevenness is the power generation site.
［発電メカニズムの提案］
図４に示すように、金属の仕事関数φM及び半導体の仕事関数φSが動的接触する場合、接触させる瞬間、仕事関数の違いにより半導体から金属へ電子が移動し、それぞれのフェルミ準位が一致する。結果的に、半導体表面、即ち金属−半導体界面には、高さφM−φSのショットキー障壁が形成される。一方、接触を動的に繰り返した場合は、例えば、接触状態、離間の瞬間、ショットキー障壁領域の空乏領域を埋めるように半導体の深い位置から表面へ電子が拡散し、フェルミ準位が下がった状態となる。このポテンシャルが外部回路からキャリアを引っ張る駆動力となり、外部からキャリアがドリフトすることにより、連続的にキャリアが外部回路を流れ、発電が起きるものと推察される。２つの材料を摩擦する際にも、接触位置が変更されることにより、接触・離間を繰り返し行うことと等価になるものと推察される。このような発電機構であるものと推察された。
[Proposal of power generation mechanism]
As shown in FIG. 4, when the work function φ M of the metal and the work function φ S of the semiconductor are in dynamic contact, at the moment of contact, electrons move from the semiconductor to the metal due to the difference in work function. Match. As a result, a Schottky barrier having a height φ M -φ S is formed on the semiconductor surface, that is, the metal-semiconductor interface. On the other hand, when contact is repeated dynamically, for example, electrons are diffused from the deep position of the semiconductor to the surface so as to fill the depletion region of the Schottky barrier region at the contact state, separation, and the Fermi level is lowered. It becomes a state. This potential becomes a driving force for pulling the carrier from the external circuit, and it is assumed that the carrier drifts from the outside, so that the carrier continuously flows through the external circuit and power generation occurs. It is presumed that when the two materials are rubbed, changing the contact position is equivalent to repeated contact and separation. It was guessed that it was such a power generation mechanism.
図１３は、カーボンナノチューブの熱振動のＴＥＭ写真である。このように、ナノサイズの微小な部材では、熱振動することから、この熱振動の特性を用いて、発電装置を構成し、発電を行うことができると予想される。 FIG. 13 is a TEM photograph of thermal vibration of carbon nanotubes. As described above, since a nano-sized minute member is thermally vibrated, it is expected that a power generation device can be configured using this thermal vibration characteristic to generate electric power.
本発明は、電力の供給を行う発電分野に利用可能である。 The present invention can be used in the field of power generation for supplying power.
１０ 発電素子、２０，２０Ｂ 発電装置、２２ カンチレバー、２２ｂ 自由端、２２Ｂ 棒状体、２２ａ 固定端、２３ 集電部、２４、２４Ｂ 被接触部材、２５ 接触面、２５Ｂ 挿入孔、２６，２６Ｂ 第１端子、２７，２７Ｂ 第２端子、２８，２８Ｂ 固定部、３０，３０Ｂ 動的発電部、３２ カバー、３３，３４ａ〜３４ｃ 通風口。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power generation element 20,20B Power generation device, 22 Cantilever, 22b Free end, 22B Bar-shaped body, 22a Fixed end, 23 Current collecting part, 24, 24B Contacted member, 25 Contact surface, 25B Insertion hole, 26, 26B 1st Terminal, 27, 27B 2nd terminal, 28, 28B Fixed part, 30, 30B Dynamic power generation part, 32 Cover, 33, 34a-34c Ventilation opening.
Claims (14)
半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段と、を備えた発電装置。 A first member formed of at least one of a conductor and a semiconductor;
A second member made of a different material from the first member, which is a semiconductor;
A power generation device comprising: dynamic power generation means for extracting electric power generated by dynamically contacting the first member and the second member to an external circuit.
前記第２部材は、半導体で形成されている、請求項１に記載の発電装置。 The first member is made of metal;
The power generation device according to claim 1, wherein the second member is formed of a semiconductor.
前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方へ、音、液体、風及び熱のうち１以上を与える構造部、を備えた、発電装置。 The power generation device according to any one of claims 1 to 3,
A power generation device, comprising: a structure that applies at least one of sound, liquid, wind, and heat to at least one of the first member and the second member.
前記第２部材は、前記第１部材が接触可能である接触面を有する板状体の形状に形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。 The first member is formed in the shape of a plate or rod that can vibrate,
5. The power generation device according to claim 1, wherein the second member is formed in a plate-like shape having a contact surface with which the first member can come into contact.
前記動的発電手段は、前記挿入孔に前記第１部材が挿入された状態で該第１部材を固定する固定部、を備えており、前記第１部材と前記挿入孔の内壁とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電装置。 One or more insertion holes into which each of the one or more first members are inserted are formed in the second member,
The dynamic power generation means includes a fixing portion that fixes the first member in a state in which the first member is inserted into the insertion hole, and dynamically connects the first member and the inner wall of the insertion hole. The power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein electric power generated by the contact is taken out to an external circuit.
前記第２部材は、半導体で形成されている、請求項７に記載の発電方法。 The first member is made of metal;
The power generation method according to claim 7, wherein the second member is formed of a semiconductor.
前記第２部材は、前記第１部材が接触可能である接触面を有する板状体の形状に形成されている、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の発電方法。 The first member is formed in the shape of a plate or rod that can vibrate,
The power generation method according to any one of claims 7 to 11, wherein the second member is formed in the shape of a plate-like body having a contact surface with which the first member can come into contact.
前記第１部材と前記挿入孔の内壁とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の発電方法。 One or more insertion holes into which each of the one or more first members are inserted are formed in the second member,
The power generation method according to any one of claims 7 to 12, wherein electric power generated by dynamically contacting the first member and an inner wall of the insertion hole is taken out to an external circuit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010259048A JP5353865B2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Power generation device and power generation method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010259048A JP5353865B2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Power generation device and power generation method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012110193A true JP2012110193A (en) | 2012-06-07 |
| JP5353865B2 JP5353865B2 (en) | 2013-11-27 |
Family
ID=46495163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010259048A Expired - Fee Related JP5353865B2 (en) | 2010-11-19 | 2010-11-19 | Power generation device and power generation method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5353865B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015220808A (en) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 株式会社豊田中央研究所 | Power generating device and method |
| KR101637809B1 (en) * | 2015-02-05 | 2016-07-07 | 현대자동차주식회사 | Rear tray for vehicle having energy harvesting elements |
| WO2020022453A1 (en) * | 2018-07-25 | 2020-01-30 | 国立大学法人東京大学 | Triboelectric power generation device |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1198868A (en) * | 1997-09-12 | 1999-04-09 | Terumo Corp | Electrostatic power generation device |
| JP2003528441A (en) * | 1999-02-24 | 2003-09-24 | チャン ジェ チョ | Rectifying structure for thermokinetic electrons and method for converting thermal energy to electrical energy using the same |
| JP2009521203A (en) * | 2005-12-20 | 2009-05-28 | ジョージア・テック・リサーチ・コーポレーション | Coupled piezoelectric semiconductor nanogenerator |
-
2010
- 2010-11-19 JP JP2010259048A patent/JP5353865B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1198868A (en) * | 1997-09-12 | 1999-04-09 | Terumo Corp | Electrostatic power generation device |
| JP2003528441A (en) * | 1999-02-24 | 2003-09-24 | チャン ジェ チョ | Rectifying structure for thermokinetic electrons and method for converting thermal energy to electrical energy using the same |
| JP2009521203A (en) * | 2005-12-20 | 2009-05-28 | ジョージア・テック・リサーチ・コーポレーション | Coupled piezoelectric semiconductor nanogenerator |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015220808A (en) * | 2014-05-15 | 2015-12-07 | 株式会社豊田中央研究所 | Power generating device and method |
| KR101637809B1 (en) * | 2015-02-05 | 2016-07-07 | 현대자동차주식회사 | Rear tray for vehicle having energy harvesting elements |
| CN105871246A (en) * | 2015-02-05 | 2016-08-17 | 现代自动车株式会社 | Rear tray for vehicle having energy harvesting elements |
| US10109783B2 (en) | 2015-02-05 | 2018-10-23 | Hyundai Motor Company | Rear tray for vehicle having energy harvesting elements |
| CN105871246B (en) * | 2015-02-05 | 2019-05-10 | 现代自动车株式会社 | The rear pallet for vehicle with power harvesting element |
| WO2020022453A1 (en) * | 2018-07-25 | 2020-01-30 | 国立大学法人東京大学 | Triboelectric power generation device |
| JPWO2020022453A1 (en) * | 2018-07-25 | 2021-07-01 | 国立大学法人 東京大学 | Friction power generator |
| JP7086414B2 (en) | 2018-07-25 | 2022-06-20 | 国立大学法人 東京大学 | Friction power generator |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5353865B2 (en) | 2013-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lin et al. | Alternating the output of a CdS nanowire nanogenerator by a white-light-stimulated optoelectronic effect | |
| Veligura et al. | Relating hysteresis and electrochemistry in graphene field effect transistors | |
| Chandrashekhar et al. | Demonstration of a 4H SiC betavoltaic cell | |
| Lu et al. | Piezoelectric nanogenerator using p-type ZnO nanowire arrays | |
| Alexe et al. | Energy harvesting using nanowires | |
| Varache et al. | Band bending and determination of band offsets in amorphous/crystalline silicon heterostructures from planar conductance measurements | |
| Periasamy et al. | Time-dependent degradation of Pt/ZnO nanoneedle rectifying contact based piezoelectric nanogenerator | |
| Li et al. | 63 Ni schottky barrier nuclear battery of 4H-SiC | |
| JP5353865B2 (en) | Power generation device and power generation method | |
| Fung et al. | Esaki tunnel diodes based on vertical Si-Ge nanowire heterojunctions | |
| Soomro et al. | Piezoelectric power generation from zinc oxide nanowires grown on paper substrate | |
| CN109921687A (en) | A kind of layered semiconductor-semiconductor dynamic PN junction dc generator and preparation method thereof | |
| Sharov et al. | InP/Si heterostructure for high-current hybrid triboelectric/photovoltaic generation | |
| Li et al. | High-yield fabrication of graphene chemiresistors with dielectrophoresis | |
| Moun et al. | Exploring conduction mechanism and photoresponse in P-GaN/n-MoS2 heterojunction diode | |
| Gogneau et al. | Impact of the GaN nanowire polarity on energy harvesting | |
| Calahorra et al. | Time-resolved open-circuit conductive atomic force microscopy for direct electromechanical characterisation | |
| Lu et al. | Hot carrier transport and carrier multiplication induced high performance vertical graphene/silicon dynamic diode generator | |
| Halpern et al. | Measuring surface state density and energy distribution in InAs nanowires | |
| Streller et al. | Next-generation nanoelectromechanical switch contact materials: a low-power mechanical alternative to fully electronic field-effect transistors | |
| Strobel et al. | Towards high frequency heterojunction transistors: Electrical characterization of N-doped amorphous silicon-graphene diodes | |
| Opoku et al. | Source‐gating effect in hydrothermally grown ZnO nanowire transistors | |
| Xia et al. | Reversal in Output Current Direction of 4H‐SiC/Cu Tribovoltaic Nanogenerator as Controlled by Relative Humidity | |
| Crandall | Nature of the metastable boron–oxygen complex formation in crystalline silicon | |
| Jordan et al. | BiasMDP: Carrier lifetime characterization technique with applied bias voltage |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120314 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130514 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130515 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130619 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130730 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130812 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |