JP2016208816A - 摩擦電気発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】摩擦電気発電機を提供する。【解決手段】一次元ナノ物質または二次元物質を利用した摩擦電気発電機に係り、該摩擦電気発電機においては、第１電極及び第２電極が互いに対向するように設けられており、第１電極には、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させるエネルギー発生層が設けられており、ここで、エネルギー発生層は、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、摩擦電気発電機に係り、詳細には、一次元ナノ物質または二次元物質を利用した摩擦電気発電機に関する。

エネルギーをハーベスティング（harvesting）する素子は、周辺環境に存在する風や振動、または人間の動きから生じる機械的エネルギーなどを電気エネルギーに変換して抽出することができる新たな親環境エネルギー発展素子であるといえる。

本発明が解決しようとする課題は、一次元ナノ物質または二次元物質を利用した摩擦電気発電機を提供することである。

一側面において、互いに対向するように設けられる第１電極及び第２電極と、前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって電気エネルギーを発生させるものであり、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質（２Ｄ material）を含む第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

前記二次元物質は、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及びＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）のうち少なくとも一つを含んでもよい。ここで、前記ＴＭＤは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂからなるグループのうちから選択された１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅからなるグループのうちから選択された１つのカルコゲン元素と、を含んでもよい。

前記二次元物質は、単層構造または複層構造を有することができる。前記二次元物質は、０．３ｎｍ〜１，０００ｎｍの厚さを有することができる。

そのような前記二次元物質は、ドーピングされていてもドーピングされていなくともよい。前記第１電極と前記第２電極との間には、スペーサがさらに設けられてもよい。

前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極との接触によって電気エネルギーを発生させることができる。

前記摩擦電気発電機は、前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる第１基板と、前記第２電極が設けられる第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含んでもよい。ここで、前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極または前記第２基板との接触によって電気エネルギーを発生させることができる。

前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、伸縮性を有することができる。前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、テフロン（登録商標）、ウレタン及びナイロンからなるグループのうちから選択された少なくとも一つを含んでもよい。前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、２００％以下の伸張率（elongation percentage）を有することができる。

前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、波状（wavy）の表面を有することができる。前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層は、前記第１基板の表面に対応する形態を有し、前記第２電極は、前記第２基板の表面に対応する形態を有することができる。

前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（graphene）、Ａｇナノワイヤ、金属及び金属メッシュ（metal mesh）からなるグループのうちから選択された少なくとも一つを含んでもよい。

前記摩擦電気発電機は、前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含んでもよい。前記摩擦電気発電機は、前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる第１基板と、前記第２電極及び前記第２エネルギー発生層が設けられる第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含んでもよい。前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、伸縮性を有することができる。

他の側面において、互いに対向するように設けられ、伸縮性を有する第１電極及び第２電極と、前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって電気エネルギーを発生させる第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

前記第１エネルギー発生層は、ナノサイズを有する一次元形状の一次元ナノ物質（１Ｄ nanomaterial）、及び二次元形状の結晶構造を有する二次元物質（２Ｄ material）のうち少なくとも一つを含んでもよい。ここで、前記一次元ナノ物質は、カーボンナノチューブを含み、前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ及びＴＭＤのうち少なくとも一つを含んでもよい。

前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極との接触によって、電気エネルギーを発生させることができる。

前記摩擦電気発電機は、前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第１基板と、前記第２電極が設けられる伸縮性がある第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含んでもよい。

前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極または前記第２基板との接触によって、電気エネルギーを発生させることができる。

前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、波状の表面を有することができる。前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層は、前記第１基板の表面に対応する形態を有し、前記第２電極は、前記第２基板の表面に対応する形態を有することができる。

前記摩擦電気発電機は、前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含んでもよい。前記摩擦電気発電機は、前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第１基板と、前記第２電極及び前記第２エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含んでもよい。

他の側面において、積層された複数個のエネルギー発生ユニットを含み、前記エネルギー発生ユニットそれぞれは、互いに対向するように設けられる第１電極及び第２電極と、前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させるものであり、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質を含む第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ及びＴＭＤのうち少なくとも一つを含んでもよい。

前記摩擦電気発電機は、前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含んでもよい。

前記エネルギー発生ユニットは、互いに直列に連結されてもよい。

他の側面において、積層された複数個のエネルギー発生ユニットを含み、前記エネルギー発生ユニットそれぞれは、互いに対向するように設けられ、伸縮性を有する第１電極及び第２電極と、前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させる第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

第１エネルギー発生層は、ナノサイズを有する一次元形状の一次元ナノ物質、及び二次元形状の結晶構造を有する二次元物質のうち少なくとも一つを含んでもよい。ここで、前記一次元ナノ物質は、カーボンナノチューブを含み、前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ及びＴＭＤのうち少なくとも一つを含んでもよい。

前記摩擦電気発電機は、前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含んでもよい。

本発明による摩擦電気発電機は、帯電特性が異なる物質との摩擦によって、電気エネルギーを発生させることができるエネルギー発生層を含み、そのようなエネルギー発生層は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。また、基板として、柔軟であって伸縮性があるものを使用する場合、その基板に設けられる電極及びエネルギー発生層も、基板に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。従って、柔軟であって伸縮性を有する基板を利用して製作された摩擦電気発電機は、風、音、または人体の動きのような外部環境に対応して、さらに効果的に電気エネルギーを発生させることができる。また、複数の摩擦電気発電機を垂直に積層し、互いに直列に連結することにより、出力される電気エネルギーの量を増大させることができる。

例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（pressing）（または、曲げ（bending））によって電気エネルギーを発生させる様子を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（pressing）（または、曲げ（bending））によって電気エネルギーを発生させる様子を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（pressing）（または、曲げ（bending））によって電気エネルギーを発生させる様子を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（pressing）（または、曲げ（bending））によって電気エネルギーを発生させる様子を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（pressing）（または、曲げ（bending））によって電気エネルギーを発生させる様子を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、スライド（sliding）によって電気エネルギーを発生させる過程を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、スライド（sliding）によって電気エネルギーを発生させる過程を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、スライド（sliding）によって電気エネルギーを発生させる過程を図示した図面である。 図１に図示された摩擦電気発電機が、スライド（sliding）によって電気エネルギーを発生させる過程を図示した図面である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機を図示した図面である。 例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、二次元物質からなるエネルギー発生層の厚さによる出力電圧（output voltages）を図示した図面である。 例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、二次元物質からなるエネルギー発生層の厚さによる出力電流密度（output current densities）を図示した図面である。 例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、測定回路の抵抗による出力電圧及び出力電流密度を図示した図面である。 例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、測定回路の抵抗による出力パワー密度（output power density）を図示した図面である。 ＭｏＳ_２物質の帯電特性を図示した図面である。 ＷＳ_２物質の帯電特性を図示した図面である。 ＰＤＭＳ基板の伸縮性を利用して、波状のグラフェンを含む摩擦電気発電機を製造する方法を図示した図面である。 ＰＤＭＳ基板の伸縮性を利用して、波状のグラフェンを含む摩擦電気発電機を製造する方法を図示した図面である。 図１７Ａ及び図１７Ｂによって製作された摩擦電気発電機において、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の伸張率による出力電圧を図示した図面である。 図１７Ａ及び図１７Ｂによって製作された摩擦電気発電機において、ＰＤＭＳの伸張率による出力電圧を図示した図面である。 図１７Ａ及び図１７Ｂによって製作された摩擦電気発電機において、ＰＤＭＳの伸張率による出力電圧を図示した図面である。

以下、添付された図面を参照し、実施形態について詳細に説明する。図面において同一参照符号は、同一構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚みは、説明の明瞭性のために誇張されている。また、所定の物質層が、基板や他の層に存在すると説明されるとき、該物質層は、基板や他の層に直接接しながら存在することもあり、その間に、他の第３の層が存在することもある。そして、以下の実施形態において、各層をなす物質は、例示的なものであるので、それ以外に他の物質が使用されもする。

図１は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図１を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに対向して離隔されて設けられる第１電極１１１及び第２電極１２１と、第１電極１１１に設けられるエネルギー発生層１３０と、を含む。ここで、エネルギー発生層１３０は、第２電極１２１と対向する第１電極１１１の上面に設けられている。

第１電極１１１及び第２電極１２１は、導電性物質を含んでもよい。例えば、第１電極１１１及び第２電極１２１は、堅い（rigid）特性を有することができる。一方、代案として（alternatively）、第１電極１１１及び第２電極１２１のうち一つ、または二つとも柔軟であって（flexible）伸縮性がある（stretchable）特性を有することもできる。その場合、柔軟であって伸縮性のある電極は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（graphene）、Ａｇナノワイヤ、金属及び金属メッシュ（metal mesh）からなるグループのうちから選択された一つ、または２以上の組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。また、柔軟であって伸縮性のある電極は、導電性ファイバが織造されて（woven）形成された織物（fabric）の形態を有することもできる。そのように、柔軟であって伸縮性のある電極は、例えば、ほぼ２００％以下の伸張率（elongation percentage）を有することができる。しかし、それに限定されるものではない。

第１電極１１１の上面には、エネルギー発生層１３０が設けられており、そのようなエネルギー発生層１３０は、第２電極１２１との接触によって、電気エネルギーを発生させることができる。ここで、エネルギー発生層１３０は、第２電極１２１と異なる帯電特性を有する物質を含んでもよい。エネルギー発生層１３０は、二次元物質（２Ｄ material）を含んでもよい。ここで、二次元物質とは、二次元形状の結晶構造を有する物質を意味する。二次元物質は、例えば、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及び／またはＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）を含んでもよい。

二次元物質は、単層構造または複層構造を有することができる。例えば、二次元物質の層数は、おおよそ１〜３００ほどになるが、それに限定されるものではない。ここで、二次元物質をなす各層は、原子レベル（atomic level）の厚みを有することができる。二次元物質の厚みは、例えば、おおよそ０．３ｎｍ〜１，０００ｎｍほどになるが、それに限定されるものではない。複層構造を有する二次元物質の層は、ファンデルワールス力（van der Waals force）によって互いに結合されている。

ｈ−ＢＮは、グラフェンと類似した二次元形状の結晶構造を有する絶縁体である。そのようなｈ−ＢＮは、熱的安定性及び機械的強度にすぐれ、高い熱伝導度及び低い絶縁定数を有している。ＴＭＤは、二次元形状の結晶構造を有する半導体である。例えば、ＴＭＤは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン（chalcogen）元素とを含んでもよい。ここで、ＴＭＤは、例えば、ＭＸ２に表現されることができるし、ここで、Ｍは遷移金属で、Ｘはカルコゲン元素である。前記ＭはＭｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅなどになることができるし、前記ＸはＳ、Ｓｅ、Ｔｅなどになることができる。その場合、ＴＤＭは例えば、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＲｅＳｅ２を含んでもよい。代案として（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅｌｙ）、ＴＭＤは、ＭＸ２に表現されないこともある。その場合例えば、ＴＭＤは、遷移金属であるＣｕとカルコゲン元素であるＳの化合物であるＣｕＳを含むこともできる。一方、ＴＭＤは、非遷移金属（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｍｅｔａｌ）を含むカルコゲナイド物質であるかも知れない。非遷移金属は、例えば、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどを含んでもよい。その場合、ＴＭＤは、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどの非遷移金属とＳ、Ｓｅ、Ｔｅのようなカルコゲン元素の化合物を含んでもよい。例えば、ＴＭＤは、ＳｎＳｅ２、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＧｅＳｅ、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＩｎＳｎＳ２を含んでもよい。

以上を整理すれば、ＴＭＤは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素を含んでもよい。しかし、以上で言及された物質は、ただ例示的なものであり、それ以外に、他の物質がＴＭＤ物質として使用されもする。

一方、第１電極１１１及び第２電極１２１がいずれも柔軟であって伸縮性がある電極である場合、エネルギー発生層１３０は、一次元ナノ物質（１Ｄ nano-material）及び／または二次元物質（２Ｄ material）を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、ナノサイズを有する一次元形状の物質を意味する。そのような一次元ナノ物質には、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が含まれる。そして、ここで、二次元物質には、例えば、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤが含まれる。グラフェンは、炭素原子が六角形の二次元形態に結合された伝導体である。

エネルギー発生層１３０表面の帯電特性を調節するために、エネルギー発生層１３０を構成する二次元物質または一次元ナノ物質は、ｐ型ドーパント（p-type dopant）またはｎ型ドーパント（n-type dopant）でドーピングされてもよい。ここで、ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントとしては、例えば、グラフェンやカーボンナノチューブなどに使用されるｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントが使用される。ｐ型ドーパントやｎ型ドーパントは、イオン注入（ion implantation）方式や化学的ドーピング（chemical doping）方式でドーピングされてもよい。

ｐ型ドーパントのソース（source）は、例えば、ＮＯ_２ＢＦ_４、ＮＯＢＦ_４、ＮＯ_２ＳｂＦ_６などのイオン性液体（ionic liquid）；ＨＣｌ、Ｈ_２ＰＯ_４、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、Ｈ_２ＳＯ_４、ＨＮＯ_３などの酸性化合物（acidic compound）；ジクロロジシアノキノン（ＤＤＱ）、オキソン、ジミリストイルホスファチジルイノシトール（ＤＭＰＩ）、トリフルオロメタンスルホンイミドなどの有機化合物などを含んでもよい。または、ｐ型ドーパントのソースとして、ＨＰｔＣｌ_４、ＡｕＣｌ_３、ＨＡｕＣｌ_４、トリフルオロメタンスルホン酸銀(ＡｇＯＴｆ）、ＡｇＮＯ_３、Ｈ_２ＰｄＣｌ_６、Ｐｄ（ＯＡｃ）_２、Ｃｕ（ＣＮ）_２などを含んでもよい。

ｎ型ドーパントのソースは、例えば、置換もしくは非置換のニコチンアミドの還元物；置換もしくは非置換のニコチンアミドと化学的に結合された化合物の還元物；及び２以上のピリジニウム誘導体を含み、１以上のピリジニウム誘導体の窒素が還元された化合物を含んでもよい。例えば、ｎ型ドーパントのソースは、ＮＭＮＨ（nicotinamide mononucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＨ（nicotinamide adenine dinucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＰＨ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate−Ｈ）を含むか、ビオロゲン（viologen）を含んでもよい。または、ｎ型ドーパントのソースは、ポリエチレンアミン（ＰＥＩ）などのポリマーを含んでもよい。または、ｎ型ドーパントは、Ｋ、Ｌｉなどのアルカリ金属を含んでもよい。一方、以上で言及されたｐ型ドーパント物質とｎ型ドーパント物質は、例示的なものであり、それら以外にも、他の多様な物質がドーパントとして使用される。

そのように、二次元物質及び／または一次元ナノ物質を含むエネルギー発生層１３０を柔軟であって伸縮性がある第１電極１１１に形成すれば、エネルギー発生層１３０も、第１電極１１１に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。

そのような構造の摩擦電気発電機において、加圧（pressing）、曲げ（bending）またはスライド（sliding）を介して、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１との間で、接触過程及び分離過程を反復すれば、第１電極１１１及び第２電極１２１を介して、電気エネルギーを得ることができる。

図２Ａないし図２Ｅは、図１に図示された摩擦電気発電機が、加圧（または、曲げ）によって電気エネルギーを発生させる様子を図示したものである。

図２Ａを参照すれば、第１電極１１１の上面には、エネルギー発生層１３０が設けられており、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１とが一定間隔で離隔されている。ここで、第１電極１１１及び第２電極１２１は、生じる電気エネルギーを測定するための測定回路１７０で連結されている。図２Ｂを参照すれば、外部から第２電極１２１に加えられる圧力は、第１電極１１１に設けられたエネルギー発生層１３０と第２電極１２１とを互いに接触させる。その過程において、互いに接触するエネルギー発生層１３０の上面と、第２電極１２１の下面は、それぞれ摩擦帯電によって、所定の極性を有する電荷で帯電される。

図２Ｃを参照すれば、エネルギー発生層１３０と接触していた第２電極１２１が、エネルギー発生層１３０から離隔される過程で電気エネルギーが発生し、そのように生じた電気エネルギーは、第１電極１１１及び第２電極１２１を介して得ることができる。そして、図２Ｄに図示されているように、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１とが、所定間隔ほど離隔された状態で、図２Ｅに図示されているように、第２電極１２１にさらに加えられる圧力は、第２電極１２１をエネルギー発生層側に移動させる。そのように、第２電極１２１がエネルギー発生層１３０に近づく過程において電気エネルギーが発生し、そのように生じた電気エネルギーは、第１電極１１１及び第２電極１２１を介して得ることができる。図２Ｃ及び図２Ｅに開示されているに、第２電極１２１とエネルギー発生層１３０とが遠ざかって近づく過程において生じる電流は、互いに反対方向に流れる。

図３Ａないし図３Ｄは、図１に図示された摩擦電気発電機が、スライドによって電気エネルギーを発生させる過程を図示したものである。

図３Ａを参照すれば、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１とを互いに接触させれば、接触するエネルギー発生層１３０の上面と、第２電極１２１の下面は、それぞれ摩擦帯電によって、所定の極性の電荷に帯電される。図３Ｂを参照すれば、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１とが接触された状態で、第２電極１２１を、エネルギー発生層１３０と遠ざかる方向（第２電極１２１とエネルギー発生層１３０との接触面が減少する方向）にスライドさせる。そのように、第２電極１２１が、エネルギー発生層１３０から遠ざかるスライド過程において電気エネルギーが発生し、そのように生じた電気エネルギーは、第１電極１１１及び第２電極１２１を介して得ることができる。

図３Ｃに図示されているように、第２電極１２１が、エネルギー発生層１３０から遠ざかった状態から、図３Ｄに図示されているように、第２電極１２１を、エネルギー発生層１３０に近づく方向（第２電極１２１とエネルギー発生層１３０との接触面が増加する方向）にスライドさせる。そのように、第２電極１２１が、エネルギー発生層１３０に近づくスライド過程において電気エネルギーが発生し、そのように生じた電気エネルギーは、第１電極１１１及び第２電極１２１を介して得ることができる。そのように、遠ざかって近づくスライド過程で発生する電流は、互いに反対方向に流れる（図３Ｂ、図３Ｄ）。

図４は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図４に図示された摩擦電気発電機においては、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１との間に、一つまたは複数のスペーサ１５０が設けられている。そのようなスペーサ１５０は、外部の機械的なエネルギーが、摩擦電気発電機に加えられていない状態で、エネルギー発生層１３０と第２電極１２１との間を一定間隔に維持させる役割を行う。

図５は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図５を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに離隔されて設けられる第１基板１１０及び第２基板１２０と、第１基板１１０及び第２基板１２０に設けられる第１電極１１１及び第２電極１２１と、第１電極１１１に設けられるエネルギー発生層１３０と、を含む。

第１基板１１０及び第２基板１２０は、例えば、ガラス基板またはシリコン基板のような堅い材質の基板にもなる。代案として、第１基板１１０及び第２基板１２０のうち１枚または２枚とも、柔軟であって伸縮性のある基板にもなる。そのような柔軟であって伸縮性のある基板は、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、テフロン（登録商標）、ウレタン及びナイロンからなるグループのうちから選択された一つ、または２以上の組み合わせを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。また、柔軟であって伸縮性のある基板は、ファイバが織造されて形成された織物の形態を有することもできる。そのような柔軟であって伸縮性のある基板は、ほぼ２００％以下の伸張率を有することができるが、それに限定されるものではない。

第１基板１１０の上面には、第１電極１１１が設けられており、第２基板１２０の下面には、第２電極１２１が設けられている。ここで、第１電極１１１及び第２電極１２１のうち一つまたは二つとも、第１基板１１０及び第２基板１２０に対応し、柔軟であって伸縮性のある電極にもなる。

そして、第１電極１１１の上面には、第２電極１２１との摩擦によって電気エネルギーを発生させるエネルギー発生層１３０が設けられている。エネルギー発生層１３０は、第２電極１２１と接触して電気エネルギーを発生させるものであり、例えば、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含む二次元物質を含んでもよい。一方、第１電極１１１及び第２電極１２１が、いずれも柔軟であって伸縮性がある電極である場合、エネルギー発生層１３０は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んでもよく、二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含んでもよい。

一方、以上では、第１基板１１０及び第２基板１２０がいずれも設けられる場合について説明したが、それらに限定されず、第１基板１１０及び第２基板１２０のうちいずれか１枚の基板だけが設けられもする。

図６は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図６を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに離隔されて設けられる第１基板１１０’及び第２基板１２０と、第１基板１１０’及び第２基板１２０に設けられる第１電極１１１’及び第２電極１２１と、第１電極１１１’に設けられるエネルギー発生層１３０’と、を含む。

本実施形態では、第１基板１１０’は、柔軟であって伸縮性のある基板にもなる。そのような第１基板１１０’は、例えば、ほぼ２００％以下の伸張率を有することができるが、それに限定されるものではない。そして、第１基板１１０’の上面は、波状の形態を有している。ここで、第１基板１１０’の上面に、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’が順次に設けられており、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’も、第１基板１１０’の上面に対応する波状の形態を有することができる。そのような第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’は、第１基板１１０’と同様に、柔軟性及び伸縮性を有することができる。その場合、第１電極１１１’は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、Ａｇナノワイヤ、金属及び金属メッシュからなるグループのうちから選択された１つ、または２以上の組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。ここで、エネルギー発生層１３０’は、第２電極１２１との摩擦によって電気エネルギーを発生させるものであり、例えば、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含む二次元物質を含んでもよい。

一方、第１基板１１０’及び第２基板１２０がいずれも柔軟であって伸縮性のある基板にもなる。その場合、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’は、第１基板１１０’に対応し、柔軟性及び伸縮性を有することができ、第２電極１２１は、第２基板１２０に対応し、柔軟性及び伸縮性を有することができる。その場合、エネルギー発生層１３０’は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んでもよく、二次元物質は、例えば、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含んでもよい。

第１基板１１０’に、波状の第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’を形成する方法は、次の通りである。まず、伸縮性がある第１基板１１０’を準備した後、それを伸ばす。次に、伸ばされた状態の第１基板１１０’の上面に、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’を順次に形成する。次に、伸ばされた第１基板１１０’が元の状態へ収縮するとき、第１基板１１０’の上面は、収縮によって波状の形態を有することになり、それによって、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’も、収縮によって波状の形態を有することができる。

以上のように、エネルギー発生層１３０’を波状の形態に形成すれば、第２電極１２１とエネルギー発生層１３０’との接触面積が増加することにより、単位面積当たり生じる電気エネルギーの量を増大させることができる。一方、以上では、第１電極１１１’及びエネルギー発生層１３０’が波状の形態を有する場合について説明したが、それに限定されるものではなく、第２電極１２１が波状を有するか、あるいは第１電極１１１’、エネルギー発生層１３０’及び第２電極１２１がいずれも波状の形態を有することもできる。

図７は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図７を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに離隔されて設けられる第１基板１１０及び第２基板１２０と、第１基板１１０及び第２基板１２０に設けられる第１電極１１１及び第２電極１２１と、第１電極１１１に設けられるエネルギー発生層１３０と、を含む。ここで、第１電極１１１は、第１基板１１０の上面に設けられており、第２電極１２１は、第２基板１２０の上面に設けられている。そして、エネルギー発生層１３０は、第１電極１１１の上面に設けられている。

第１基板１１０及び第２基板１２０は、例えば、堅い材質の基板を含んでもよい。一方、第１基板１１０及び第２基板１２０のうち１枚または２枚とも、柔軟であって伸縮性がある基板でもある。そのような柔軟であって伸縮性のある基板は、ＰＤＭＳ、ＰＩ、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ウレタン及びナイロンからなるグループのうちから選択された一つ、または２以上の組み合わせを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。柔軟であって伸縮性がある基板の表面は、波状の形態を有することができ、その場合、第１基板１１０に形成される第１電極１１１及びエネルギー発生層１３０は、第１基板の表面に対応する形態を有することができ、第２基板１２０に形成される第２電極１２１は、第２基板１２０の表面に対応する形態を有することができる。

エネルギー発生層１３０は、第２基板１２０との摩擦によって電気エネルギーを発生させる。そのようなエネルギー発生層１３０は、例えば、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含む二次元物質を含んでもよい。

一方、第１基板１１０及び第２基板１２０が、いずれも柔軟であって伸縮性がある基板である場合には、第１電極１１１及び第２電極１２１も、柔軟性及び伸縮性を有することができる。その場合、エネルギー発生層１３０は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んでもよく、二次元物質は、例えば、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含んでもよい。

図８は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図８を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに離隔されて設けられる第１電極２１１及び第２電極２２１と、第１電極２１１及び第２電極２２１に設けられる第１エネルギー発生層２３１及び第２エネルギー発生層２３２を含む。第１電極２１１及び第２電極２２１のうち一つまたは二つとも、柔軟であって伸縮性のある電極にもなる。そのような第１電極２１１及び第２電極２２１は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、Ａｇナノワイヤ、金属及び金属メッシュからなるグループのうちから選択された一つ、または２以上の組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。

第１電極２１１の上面には、第１エネルギー発生層２３１が設けられており、第２電極２２１の下面には、第２エネルギー発生層２３２が設けられている。第１エネルギー発生層２３１は、第２エネルギー発生層２３２との接触によって、電気エネルギーを発生させるものであり、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質を含んでもよい。そのような二次元物質には、例えば、ｈ−ＢＮ及びＴＭＤのうち一つがまたは二つとも含まれる。ここで、ＴＭＤは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂからなるグループのうちから選択された１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅからなるグループのうちから選択された１つのカルコゲン元素と、を含んでもよい。

二次元物質は、単層構造または複層構造を有することができる。例えば、二次元物質の層数は、ほぼ１〜３００ほどになり、二次元物質の厚みは、ほぼ０．３ｎｍ〜１，０００ｎｍほどにもなるが、それらに限定されるものではない。一方、そのような二次元物質は、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされもする。第１エネルギー発生層２３１が、柔軟であって伸縮性がある第１電極２１１に設けられる場合には、第１エネルギー発生層２３１も、第１電極２１１に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。

一方、第１電極２１１及び第２電極２２１が、いずれも柔軟性及び伸縮性を有する場合、第１エネルギー発生層２３１は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んでもよく、二次元物質は、例えば、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含んでもよい。

第２エネルギー発生層２３２は、第１エネルギー発生層２３１と異なる帯電特性を有する多様な物質を含んでもよい。例えば、第２エネルギー発生層２３２は、ＰＤＭＳ、ＰＩ、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ウレタンまたはナイロンなどを含んでもよい。また、第２エネルギー発生層２３２は、カーボンナノチューブ、グラフェン、または前述の二次元物質などを含んでもよい。その場合、第１エネルギー発生層２３１は、ドーピングされないこともあり、第２エネルギー発生層２３２が、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされもする。また、第１エネルギー発生層２３１と第２エネルギー発生層２３２は、異なるドーパントでドーピングされたり、異なるドーピング濃度でドーピングされたりもする。第２エネルギー発生層２３２が、柔軟であって伸縮性がある第２電極２２１に設けられる場合には、第２エネルギー発生層２３２も、第２電極２２１に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。

図９は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機の断面図である。

図９を参照すれば、摩擦電気発電機は、互いに離隔されて設けられる第１基板２１０及び第２基板２２０と、第１基板２１０及び第２基板２２０に設けられる第１電極２１１及び第２電極２２１と、第１電極２１１及び第２電極２２１に設けられる第１エネルギー発生層２３１及び第２エネルギー発生層２３２と、を含む。

第１基板２１０及び第２基板２２０は、例えば、ガラス基板またはシリコン基板のような堅い材質の基板にもなる。一方、代案として、第１基板２１０及び第２基板２２０のうち１枚または２枚とも、柔軟であって伸縮性のある基板にもなる。そのような柔軟であって伸縮性のある基板は、例えば、ＰＤＭＳ、ＰＩ、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ウレタン及びナイロンからなるグループのうちから選択された一つ、または２以上の組み合わせを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。そのような基板は、ほぼ２００％以下の伸張率を有することができるが、それに限定されるものではない。

第１基板２１０の上面には、第１電極２１１が設けられており、第２基板２２０の下面には、第２電極２２１が設けられている。ここで、第１基板２１０及び第２基板２２０に対応し、第１電極２１１及び第２電極２２１のうち一つまたは二つとも、柔軟であって伸縮性を有することができる。そして、第１電極２１１の上面には、第１エネルギー発生層２３１が設けられており、第２電極２２１の下面には、第２エネルギー発生層２３２が設けられている。

第１エネルギー発生層２３１は、例えば、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含む二次元物質を含んでもよい。一方、第１電極２１１及び第２電極２２１が、いずれも柔軟であって伸縮性を有する場合には、第１エネルギー発生層２３１は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。ここで、一次元ナノ物質は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含んでもよく、二次元物質は、例えば、グラフェン、ｈ−ＢＮ及び／またはＴＭＤを含んでもよい。そして、第２エネルギー発生層２３２は、第１エネルギー発生層２３１と異なる帯電特性を有する多様な物質を含んでもよい。

第１電極２１１と第１エネルギー発生層２３１が、柔軟であって伸縮性がある第１基板２１０に設けられる場合には、第１電極２１１及び第１エネルギー発生層２３１も、第１基板２１０に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。そして、第２電極２２１と第２エネルギー発生層２３２とが、柔軟であって伸縮性がある第２基板２２０に設けられる場合には、第２電極２２１及び第２エネルギー発生層２３２も、第２基板２２０に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。そして、柔軟であって伸縮性がある第１基板２１０及び第２基板２２０のうち１枚または２枚とも、波状の表面を有することができ、その場合、第１電極２１１及びエネルギー発生層２３１は、第１基板２１０の表面に対応する形態を有することができ、第２電極２２１及び第２エネルギー発生層２３２は、第２基板２２０の表面に対応する形態を有することができる。一方、以上では、第１基板２１０及び第２基板２２０がいずれも設けられる場合について説明したが、第１基板２１０及び第２基板２２０のうちいずれか１枚の基板だけが設けられもする。

以上の例示的な実施形態においては、１つのエネルギー発生ユニットを含む摩擦電気発電機について言及した。しかし、複数のエネルギー発生ユニットが垂直に積層された構造の摩擦電気発電機も具現可能である。図１０は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機を概略的に図示したものである。

図１０を参照すれば、摩擦電気発電機は、垂直に積層された複数のエネルギー発生ユニット６０１，６０２，６０３を含む。ここで、エネルギー発生ユニット６０１，６０２，６０３は、それぞれ前述の実施形態で言及した多様な類型の摩擦電気発電機にもなる。ここで、摩擦電気発電機の出力エネルギーを増大させるために、エネルギー発生ユニット６０１，６０２，６０３が互いに直列で連結される。しかし、それに限定されるのではなく、エネルギー発生ユニット６０１，６０２，６０３が互いに並列に連結されることも可能である。図１０には、摩擦電気発電機が垂直に積層された３個のエネルギー発生ユニット６０１，６０２，６０３を含む場合が例示的に図示されているが、それに限定されるものではなく、本実施形態による摩擦電気発電機は、垂直に積層された多様な個数のエネルギー発生ユニットを含んでもよい。

図１１は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、二次元物質からなるエネルギー発生層の厚みによる出力電圧（output voltages）を図示したものである。そして、図１２は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、二次元物質からなるエネルギー発生層の厚みによる出力電流密度（output current densities）を図示したものである。

図１１及び図１２において、エネルギー発生層としては、ＭｏＳ_２フィルムを使用し、ＭｏＳ_２フィルムと接触する物質としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を使用した。ＭｏＳ_２フィルムは、次のように製作された。まず、リチウム化（lithiation）を介して、バルク（bulk）ＭｏＳ_２物質を剥離（exfoliation）させる。次に、剥離されたＭｏＳ_２物質を利用して、ＭｏＳ_２インクを製作した後、そのＭｏＳ_２インクをＣｕ電極に塗布することにより、ＭｏＳ_２フィルムを製作する。ここで、Ｃｕ電極に塗布されるＭｏＳ_２インクの量が多いほど、ＭｏＳ_２フィルムの厚みは増加する。

図１１及び図１２において、（ａ）０ｍｌは、Ｃｕ電極にＭｏＳ_２インクが塗布されていない場合であり、Ｃｕ電極とＰＤＭＳとが接触することによって生じる出力電圧及び電流密度を図示したものである。そして、図１１及び図１２において、（ｂ）２ｍｌ、（ｃ）５ｍｌ、（ｄ）１０ｍｌ及び（ｅ）２０ｍｌは、Ｃｕ電極にＭｏＳ_２インクが、それぞれ２ｍｌ、５ｍｌ、１０ｍｌ及び２０ｍｌ塗布されて形成されたＭｏＳ_２フィルムとＰＤＭＳとが接触することによって生じる出力電圧及び出力電流密度を図示したものである。図１１及び図１２を参照すれば、ＭｏＳ_２フィルムの厚みが（ｂ）である場合、出力電圧が最も高いということが分かった。その結果から、ＭｏＳ_２フィルムの厚みが薄いほど出、力電圧が高くなるということが分かる。

図１３は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、測定回路の抵抗による出力電圧及び出力電流密度を図示したものである。そして、図１４は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機において、測定回路の抵抗による出力パワー密度（output power density）を図示したものである。図１３においては、図１１及び図１２において、（ｂ）２ｍｌの場合、すなわち、Ｃｕ電極にＭｏＳ_２インクが２ｍｌ塗布されて形成されたＭｏＳ_２フィルムとＰＤＭＳとが接触することによって生じる出力電圧と出力電流密度とを、摩擦電気発電機と連結された測定回路の抵抗によって図示したものであり、図１４は、図１３に図示された結果を利用して、出力パワー密度を、摩擦電気発電機と連結された測定回路の抵抗によって図示したものである。図１３及び図１４を参照すれば、最大パワー密度（maximum power density）は、ほぼ１０．７９μＷ／ｃｍ^２ほどになるということが分かる。

図１５は、ＭｏＳ_２物質の帯電特性を図示したものである。図１５には、エネルギー発生層としてＭｏＳ_２物質を使用し、そのＭｏＳ_２物質が他の物質と接触したときに示される出力電圧が図示されている。具体的には、図１５において、（ａ）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、（ｂ）ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、（ｃ）ポリイミド（ＰＩ）、（ｄ）ポリカーボネート（ＰＣ）及び（ｅ）ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）は、ＭｏＳ_２物質が、それぞれＰＴＦＥ、ＰＤＭＳ、ＰＩ、ＰＣ及びＰＥＴと接触したときに生じる出力電圧を図示したものである。図１５において「Ｐ」は、ＭｏＳ_２物質を加圧し、ＭｏＳ_２物質が他の物質に近づく場合を意味し、「Ｒ」は、加圧されたＭｏＳ_２物質がリリース（releasing）され、ＭｏＳ_２物質が他の物質から遠ざかる場合を意味する。図１５を参照すれば、ＭｏＳ_２物質は、摩擦電気特性を有しているということが分かり、そのようなＭｏＳ_２物質の帯電特性は、ＰＤＭＳ帯電特性とＰＴＦＥ帯電特性との位置するということが分かる。

図１６は、ＷＳ_２物質の帯電特性を図示したものである。図１６には、エネルギー発生層としてＷＳ_２物質を使用し、そのＷＳ_２物質が他の物質と接触したときに示される出力電圧が図示されている。具体的には、図１６において（ａ）ＰＴＦＥ、（ｂ）ＰＤＭＳ、（ｃ）ＰＩ、（ｄ）ＰＣ及び（ｅ）ＰＥＴは、ＷＳ_２物質が、それぞれＰＴＦＥ、ＰＤＭＳ、ＰＩ、ＰＣ及びＰＥＴと接触したときに生じる出力電圧を図示したものである。図１６において「Ｐ」は、ＷＳ_２物質を加圧し、ＷＳ_２物質が他の物質に近づく場合を意味し、「Ｒ」は、加圧されたＷＳ_２物質がリリースされ、ＷＳ_２物質が他の物質から遠ざかる場合を意味する。図１６を参照すれば、ＷＳ_２物質は、摩擦電気特性を有しているということが分かり、そのようなＷＳ_２物質の帯電特性は、ＰＴＦＥ帯電特性よりさらにネガティブ（negative）な位置にあるということが分かる。

図１７Ａ及び図１７Ｂは、ＰＤＭＳ基板の伸縮性を利用して、波状のグラフェンを含む摩擦電気発電機を製造する方法を図示したものである。

まず、図１７Ａを参照すれば、ＰＤＭＳ基板を伸ばした後、伸ばされたＰＤＭＳ基板の上面に、グラフェンを形成する。ＰＤＭＳ基板の上部には、Ｃｕ電極が蒸着されたポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）基板を用意する。次に、図１７Ｂを参照すれば、伸ばされたＰＤＭＳ基板が元の状態へ収縮するとき、ＰＤＭＳ基板の上面は、収縮によって波状の形態を有することができる。それによって、ＰＤＭＳ基板の上面に形成されたグラフェンも、波状の形態を有することができる。

図１８Ａないし図１８Ｃは、図１７Ａ及び図１７Ｂにおいて、ＰＤＭＳの伸張率によって製作された摩擦電気発電機において、グラフェンとＰＭＭＡ基板とが接触して生じる出力電圧を図示したものである。具体的には、図１８Ａは、ＰＤＭＳ基板の伸張率が０％、すなわち、ＰＤＭＳ基板を伸ばさずに、グラフェンが波状に形成されていない場合を示す。図１８Ｂは、ＰＤＭＳ基板を１０％ほど伸ばしてから復元させることにより、波状のグラフェンが形成された場合を示す。図１８Ｃは、ＰＤＭＳ基板を２０％ほど伸ばしてから復元させることにより、波状のグラフェンが形成された場合を示す。

図１８Ｂ及び図１８Ｃに図示されているように、グラフェンが波状の形態を有すれば、図１８Ａに図示されたグラフェンに比べ、単位面積当たり生じる摩擦電気が増加するということが分かる。

以上で説明したように、例示的な実施形態による摩擦電気発電機は、帯電特性が異なる物質との摩擦によって電気エネルギーを発生させることができるエネルギー発生層を含み、そのようなエネルギー発生層は、一次元ナノ物質及び／または二次元物質を含んでもよい。また、基板として、柔軟であって伸縮性があるものを使用する場合、その基板に設けられる電極及びエネルギー発生層も、基板に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。従って、柔軟であって伸縮性を有する基板を利用して製作された摩擦電気発電機は、風、音、または人体の動きのような外部環境に対応し、さらに効果的に電気エネルギーを発生させることができる。また、複数の摩擦電気発電機を垂直に積層し、互いに直列に連結することによって、出力される電気エネルギーの量を増大させることができる。そのような摩擦電気発電機は、例えば、ポータブル電子機器、衣類、かばん、帽子、手袋、旗などに使用されたり、または身体一部に付着させて使用されたりすることにより、電気エネルギーを発生させることができる。

本発明の摩擦電気発電機は、例えば、エネルギー発電関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１１０，１１０’，２１０ 第１基板
１１１，１１１’，２１１ 第１電極
１２０，２２０ 第２基板
１２１，２２１ 第２電極
１３０，１３０’ エネルギー発生層
１５０ スペーサ
１７０ 測定回路
２３１ 第１エネルギー発生層
２３２ 第２エネルギー発生層
６０１，６０２，６０３ エネルギー発生ユニット

Claims (37)

1. 互いに対向するように設けられる第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させるものであり、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質を含む第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機。
2. 前記二次元物質は、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及びＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の摩擦電気発電機。
3. 前記ＴＭＤは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂからなるグループのうちから選択された１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅからなるグループのうちから選択された１つのカルコゲン元素と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の摩擦電気発電機。
4. 前記二次元物質は、単層構造または複層構造を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
5. 前記二次元物質は、０．３ｎｍ〜１，０００ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
6. 前記二次元物質は、ドーピングされているか、あるいはまたはドーピングされていないことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
7. 前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたスペーサをさらに含むことを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
8. 前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極との接触によって、電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
9. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる第１基板と、前記第２電極が設けられる第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含むことを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
10. 前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極または前記第２基板との接触によって、電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項９に記載の摩擦電気発電機。
11. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、伸縮性があることを特徴とする請求項９または１０に記載の摩擦電気発電機。
12. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、テフロン（登録商標）、ウレタン及びナイロンからなるグループのうちから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９から１１の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
13. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、２００％以下の伸張率を有することを特徴とする請求項９から１２の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
14. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、波状の表面を有することを特徴とする請求項９から１３の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
15. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層は、前記第１基板の表面に対応する形態を有し、前記第２電極は、前記第２基板の表面に対応する形態を有することを特徴とする請求項９から１４の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
16. 前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、Ａｇナノワイヤ、金属及び金属メッシュからなるグループのうちから選択された少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１から１５の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
17. 前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含むことを特徴とする請求項１から１６の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
18. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる第１基板と、前記第２電極及び前記第２エネルギー発生層が設けられる第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の摩擦電気発電機。
19. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、伸縮性があることを特徴とする請求項１８に記載の摩擦電気発電機。
20. 互いに対向するように設けられ、伸縮性を有する第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させる第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機。
21. 前記第１エネルギー発生層は、ナノサイズを有する一次元形状の一次元ナノ物質、及び二次元形状の結晶構造を有する二次元物質のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２０に記載の摩擦電気発電機。
22. 前記一次元ナノ物質は、カーボンナノチューブを含み、前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及びＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２１に記載の摩擦電気発電機。
23. 前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極との接触によって、電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項２０から２２の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
24. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第１基板と、前記第２電極が設けられる伸縮性がある第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含むことを特徴とする請求項２０から２３の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
25. 前記第１エネルギー発生層は、前記第２電極または前記第２基板との接触によって、電気エネルギーを発生させることを特徴とする請求項２４に記載の摩擦電気発電機。
26. 前記第１基板及び第２基板のうち少なくとも１枚は、波状の表面を有することを特徴とする請求項２４または２５に記載の摩擦電気発電機。
27. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層は、前記第１基板の表面に対応する形態を有し、前記第２電極は、前記第２基板の表面に対応する形態を有することを特徴とする請求項２４から２６の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
28. 前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含むことを特徴とする請求項２０から２７の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
29. 前記第１電極及び前記第１エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第１基板と、前記第２電極及び前記第２エネルギー発生層が設けられる伸縮性がある第２基板とのうち少なくとも１枚をさらに含むことを特徴とする請求項２８に記載の摩擦電気発電機。
30. 積層された複数個のエネルギー発生ユニットを含み、
    前記エネルギー発生ユニットそれぞれは、
    互いに対向するように設けられる第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させるものであり、二次元形状の結晶構造を有する二次元物質を含む第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機。
31. 前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及びＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３０に記載の摩擦電気発電機。
32. 前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含むことを特徴とする請求項３０または３１に記載の摩擦電気発電機。
33. 前記エネルギー発生ユニットは、互いに直列に連結されることを特徴とする請求項３０から３２の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。
34. 積層された複数個のエネルギー発生ユニットを含み、
    前記エネルギー発生ユニットそれぞれは、
    互いに対向するように設けられ、伸縮性を有する第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極に設けられ、他の物質との接触によって、電気エネルギーを発生させる第１エネルギー発生層と、を含む摩擦電気発電機。
35. 前記第１エネルギー発生層は、ナノサイズを有する一次元形状の一次元ナノ物質、及び二次元形状の結晶構造を有する二次元物質のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３４に記載の摩擦電気発電機。
36. 前記一次元ナノ物質は、カーボンナノチューブを含み、前記二次元物質は、グラフェン、ｈ−ＢＮ（hexagonal-boron nitride）及びＴＭＤ（transition metal dichalcogenide）のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３５に記載の摩擦電気発電機。
37. 前記第２電極に設けられ、前記第１エネルギー発生層との接触によって、電気エネルギーを発生させる第２エネルギー発生層をさらに含むことを特徴とする請求項３４から３６の何れか一項に記載の摩擦電気発電機。

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