JP2016502394A - 液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置に関し、より詳細には、電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）現象の反対現象を応用して機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する方法及び装置に関し、一対の電極間で液体との接触面を変化させて、それによる液体との接触面の変化を利用して電気エネルギーを生成し、チャネル目詰まり現象を防止し、潤滑層、あるいはチャネル上に複雑にパターニングされた電極を不要にすることによって、装置の単純化、製造コストの節減とともに故障が少ないフレキシブルエネルギー変換装置を具現する。

Description

本発明は、液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置に関し、より詳細には、電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）現象の反対現象を応用して機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する装置に関する。

従来の流体を利用して機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する技術は、誘電物質と当接している液体金属の接触面積を時間が経つにつれて変化させて、誘電物質の下方に位置する電極に電気静電容量を発生させる原理を利用する。

従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、米国特許第７，８９８，０９６号明細書（特許文献１）に開示されている。

図１は、従来の流体を利用したエネルギー変換装置の概念図である。図１を参照すると、従来の流体を利用したエネルギー変換装置は、細長い形状のチャネルの壁に一定のパターンで電極を形成し、電極の上部には、誘電物質層を形成する。また、チャネルの内部には、小さい水玉形状の伝導性液体と非伝導性液体を注入し、このような水玉形状の伝導性液体に外部電源から電圧を印加して伝導性液体を分極させる。

この状態でチャネルと連結されている所定の部分（図示せず）に物理的な圧力を加えるようにすれば、分極された水玉形状の伝導性液体は、チャネルに沿って移動するようになり、この過程で一定のパターンで形成されている多数の電極は、移動する多数の伝導性液滴と接触する面積が時間が経つにつれて継続的に変化するようになり、その結果、電気静電容量が変化し、電気エネルギーが生成される。

しかしながら、従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、実用化のためには多様な問題点を持っていた。

まず、細長いチャネル内で滴形態の液体金属が移動し、外部の力が消えれば、さらに元々の位置に戻る、可逆的な動きが難しくて、潤滑層が別に必要であるという限界があり、チャネル目詰まり現象が発生やすくて、動作が不可能な場合が発生する。

また、従来の流体を利用したエネルギー転換方法及び装置は、細長いチャネル構造を採用していて、対向する二つの電極がチャネルの壁に一定の形状にパターン化されなければならないし、このような構造によって、装置の構成が複雑になり、電気エネルギーを生産するモジュールのサイズが大きくなって、大量生産やコスト低減にも限界が多かった。

また、他の問題点としては、水銀またはガリンスタン（ｇａｌｉｎｓｔａｎ）のような液体金属を使用するので人体及び環境に有害であり、このような伝導性液体を分極させるためには、外部から別途の電源印加が必要であるという限界がある。

また、従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、チャネル構造で可逆的な動きを継続的に具現しなければならない点と、混ざらない異なる２種類の液体を使用しなければならないので、制御が困難であるという不都合がある。

米国特許第７，８９８，０９６号明細書

本発明の目的は、電極に接触する液体との接触面を変化させて電気エネルギーを生成する流体を利用したエネルギー変換方法及び装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、エネルギー変換層を利用して、構造が簡単で且つ故障が少ない効率的なエネルギー変換方法及び装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置は、フレキシブル基板上に間隔をもって形成された第１電極及び第２電極と；第１電極および第２電極のうち少なくとも一つ上に形成されたエネルギー変換層であって、液体と電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成するエネルギー変換層と；を含み、フレキシブル基板の両端は、電極の間にイオン性液体または水が位置するように、連結されていることを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層は、無機物層、有機物層および有機物と無機物の混合物層のうち少なくともいずれか一つの層を含むことを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層上に、イオン性液体または水の形状が原形状に復元され得るように、疎水性物質層が積層されていることを特徴とする。

好ましくは、イオン性液体は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＡｌＣｌ_３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ_２ＳＯ_４、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ_４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする。

また、液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置は、フレキシブル基板上に間隔をもって形成される第１電極及び第２電極と；第１電極および第２電極のうち少なくともいずれか一つ上に形成されたエネルギー変換層であって、液体と電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成するエネルギー変換層と；を含み、前記フレキシブル基板の両端は、電極の間に伝導性液体が位置するように、連結されていることを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層は、無機物層、有機物層および有機物と無機物の混合物層のうち少なくともいずれか一つの層を含むことを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層上に、伝導性液体の形状が原形状に復元され得るように、親水性物質層が積層されていることを特徴とする。

好ましくは、親水性物質層は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩、エタクリレート、アミン作用性重合体またはアミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコールまたは−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ_２、水酸基−ＯＨおよびカルボキシル基−ＣＯＯＨの官能基のうち少なくともいずれか一つを含む物質を含むことを特徴とする。

好ましくは、伝導性液体は、比抵抗範囲が１μΩ／ｃｍ〜１０００μΩ／ｃｍであり、誘電率（Ｋ）が５以下であることを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層は、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ））またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ（Ｐａｒｙｌｅｎｅ−Ｃ）、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄ ＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル(ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド（ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド（ＰＧＬＡ）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む有機物層；を含むことを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、灰チタン物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、アパタイト（Ａ_１０（ＭＯ_４）_６（Ｘ）_２）、水酸化燐灰石（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）、リン酸三灰石（Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、Ｎａ_２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ｐ_２Ｏ_５）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む無機物層を含むことを特徴とする。

好ましくは、電極の間に配置された非伝導性ガスであって、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくともいずれか一つよりなる非伝導性ガス；をさらに含むことを特徴とする。

好ましくは、エネルギー変換層は、液体と接触する接触面を広げるための構造物を持つことを特徴とする。

好ましくは、第１電極または第２電極は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ_２およびＴｉＯ_２のうち少なくともいずれか一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄および銅のうち少なくともいずれか一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレンのうち少なくともいずれか一つを含む有機電極であることを特徴とする。

その他、実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。

本発明は、一対の電極間で液体との接触面を変化させ、それによる液体との接触面の変化を電気エネルギーの生成に活用して、チャネル目詰まり現象を防止し、潤滑層、あるいはチャネル上に複雑にパターニングされた電極を不要にすることによって、装置の単純化、製造コストの節減とともに故障が少ないエネルギー変換装置を具現するという効果がある。

また、本発明は、別途の外部電源の印加無しに効率的に電気エネルギーに変換することが可能であるという長所がある。

また、本発明は、イオン性液体または水を使用することによって、人体及び環境に有害な問題点を解決する効果がある。

従来の流体を利用したエネルギー変換装置のブロック図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置の概略図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換のための使用態様を示す図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換のための使用態様を示す図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換のための使用態様を示す図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換のための使用態様を示す図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。 本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。 本発明の他の実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置の構造図である。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる形態で具現され、但し、本実施形態は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇によって定義されるだけである。一方、本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。

図２は、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置の概略図である。図２を参照すると、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置は、フレキシブル基板２１０と；フレキシブル基板２１０上に間隔をもって形成される第１電極２１１及び第２電極２１２と；第１電極２１１および第２電極２１２のうち少なくともいずれか一つに形成されたエネルギー変換層２２０、２３０であって、液体と電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成するエネルギー変換層２２０、２３０とを含む。

また、図２の左側図のように、フレキシブル基板２１０は、両端が連結され、トンネルのような形状を有する。

また、両端が連結されることによって、第１電極２１１と第２電極２１２との間にイオン性液体または水２５０が位置する。

好ましくは、フレキシブル基板２１０は、外部の物理的な力によって多様な形態の変形が可能であり、外部の物理的な力が除去されたとき、初期状態に復帰可能な材質よりなる。

図３ａ〜図３ｄは、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換のための使用態様を示す図である。図３ａ〜図３ｄを参照すると、フレキシブル基板２１０は、曲がり（図３ａ）、押圧（図３ｂ）、ねじれ（図３ｃ）または延伸（図３ｄ）に相当する外部の物理的な力によってその形態が変化するようになり、このような変化に従って、第１電極２１１及び第２電極２１２とイオン性液体または水２５０との間の接触面、接触角または接触面積のうち少なくともいずれか一つが変化する。そのため、エネルギー変換層による電気エネルギーが発生するようになり、フレキシブル基板２１０の特性によって繰り返して電気エネルギーの発生が可能である。

すなわち、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置は、イオン性液体または水２５０と第１電極２１１及び第２電極２１２との間の接触面、接触角または接触面積のうち少なくともいずれか一つの変化に従って電気容量変化を発生させて電気エネルギーを発生する。

さらに図２を参照すると、本発明の好ましい一実施形態によれば、エネルギー変換層は、無機物層２２０及び／または有機物層２３０が積層されて構成される。好ましくは、このようなエネルギー変換層の形成には、パターニングや蒸着、またはスピンコーティングのような方法を利用することができる。

無機物層２２０と有機物層２３０は、第１電極２１１または第２電極２１２上に積層されることに順序は構わないが、隣接して積層されなければならない。

また、好ましくは、エネルギー変換層は、第１電極２１１及び第２電極２１２を共に覆うように一体の層で形成され得る。

好ましくは、無機物層２２０と有機物層２３０は、第１電極２１１または第２電極２１２上に積層されるとき、繰り返して重畳されることができる。すなわち、エネルギー変換層は、無機物層２２０と有機物層２３０の積層形態が繰り返してなされて形成され得る。

本発明の好ましい一実施形態によれば、無機物層２２０または有機物層２３０は、前記イオン性液体または水２５０との接触面を広げるための構造物が形成されるように蒸着される。

図４ａ〜図４ｄは、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。図４ａ〜図４ｄを参照すると、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置のエネルギー変換層は、フレキシブル基板４１０に含まれた電極４２０上に無機物層４３０が蒸着される。有機物層４４０は、無機物層４３０上に凹凸形状（図４ａ）、尖った突起形状（図４ｂ）、半球形状（図４ｃ）、球体の穴形状（図４ｄ）の微細構造物が形成されるように積層される。好ましくは、有機物層４４０と無機物層４３０の手順が変わってもよく、構造物が形成されるように積層されるものが、必ず有機物層４４０である必要はない。

好ましくは、構造物が形成されるように積層された有機物層４４０上に、前記構造物形状が維持されるように、疎水性物質層４５０が積層される。

このような構造物の形状は、前記電極４２０とイオン性液体または水との間の接触面積の変化がさらに大きくなるようにして、電気エネルギーの発生効率を高める効果がある。

さらに図２を参照すれば、本発明の好ましい一実施形態によれば、液体を利用した複数のフレキシブルエネルギー変換装置がアレイ形態で連結される。前述したように、電極とイオン性液体または水との間の接触面積変化がさらに大きくなるようにして、電気エネルギーの発生効率を高めるためである。

本発明の好ましい一実施形態によれば、疎水性物質層２４０は、エネルギー変換層２２０、２３０上に積層される。このような疎水性物質層２４０は、イオン性液体または水２５０が電極２１１、２１２との接触面、接触角または接触面積の変化を起こすことによってその形状が変化するようになり、このような形状の変化が元々の形態に復元され得るように積層される。

好ましくは、疎水性物質層２４０は、エネルギー変換層が形成されていない第１電極２１１または第２電極２１２上に積層されることができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、エネルギー変換層は、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ）またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄ ＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル）(ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド(ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド(ＰＧＬＡ）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む有機物層２３０；及び酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、灰チタン物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、アパタイト（Ａ_１０（ＭＯ_４）_６（Ｘ）_２）、水酸化燐灰石（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）、リン酸三灰石（Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、Ｎａ_２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ｐ_２Ｏ_５）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む無機物層２２０を含む。

好ましくは、有機物層２３０は、誘電率（Ｋ）が４以下の物質を使用することができ、無機物層２２０は、誘電率（Ｋ）が５以上の物質を使用することができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、疎水性物質層２４０は、シラン系物質、フルオロ重合体物質、卜リクロロシラン、トリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、（ベンジルオキシ）アルキルトリメトキシシラン（ＢＳＭ−２２）、（ベンジルオキシ）アルキルトリクロロシラン（ＢＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）（ＢＣＢ）のうち少なくともいずれか一つの物質またはこれら物質の混合物よりなる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、第１電極２１１または第２電極２１２は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ_２およびＴｉＯ_２のうち少なくともいずれか一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄および銅のうち少なくともいずれか一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレンのうち少なくともいずれか一つを含む有機電極である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、イオン性液体２６０は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＡｌＣｌ_３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ_２ＳＯ_４、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ_４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくともいずれか一つを含む。

本発明の好ましい一実施形態によれば、フレキシブル基板２１０の両端が連結されることによって生成される電極間の空間は、非伝導性ガスで満たされるように構成される。一般的には、前記空間は、一般の空気環境でも可能である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、非伝導性ガスは、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくともいずれか一つを含む。

図５は、本発明の他の実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置の構造図である。図５を参照すると、本発明の一実施形態による液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置は、フレキシブル基板５１０と；フレキシブル基板５１０上に間隔をもって形成された第１電極５１１及び第２電極５１２と；第１電極５１１及び第２電極５１２のうち少なくともいずれか一つ上に形成されたエネルギー変換層５２０、５３０であって、液体と電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成するエネルギー変換層５２０、５３０とを含む。

また、図２の左側図のように、フレキシブル基板５１０は、両端が連結され、トンネルのような形状を有する。

また、両端が連結されることによって生成される第１電極５１１と第２電極５１２との間の隙間に、伝導性液体５５０が位置する。

本発明の好ましい一実施形態によれば、伝導性液体５５０は、水銀、リチウム、ガリウム、カリウム、ＮａＫ、ビスマス、スズ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金などを使用することができ、比抵抗範囲が１μΩ／ｃｍ〜１０００μΩ／ｃｍであり、誘電率（Ｋ）が５以下であることが好ましい。

本発明の好ましい一実施形態によれば、親水性物質層５４０は、エネルギー変換層５２０、５３０上に積層される。このような親水性物質層５４０は、伝導性液体５５０が電極５１１、５１２との接触面、接触角または接触面積の変化を起こすことによってその形状が変化するようになり、このような形状変化が元々の形態に復元され得るように積層される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、親水性物質層５４０は、ポリアクリル酸（、ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩、エタクリレート（Ｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アミン作用性重合体またはアミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコール、または−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ_２、水酸基−ＯＨ、カルボキシル基−ＣＯＯＨのうち少なくともいずれか一つの官能基を含む物質よりなる。

その他、伝導性液体を利用する前記実施形態において、第１電極５１１または第２電極５１２を構成する電極、無機物層５２０、有機物層５３０の特徴と構造、本発明のエネルギー変換装置を複数で使用することなどに関連した技術的事項は、先立ってイオン性液体または水を使用した実施形態あるいは図２、図３ａ〜図３ｄ及び図４ａ〜図４ｄで説明された内容によって構成されることができ、詳しい内容を省略する。

本発明は、前述したように、異種の液体を２種類以上使用する従来に比べて、チャネル内の目詰まり現象、混じり現象を防止することができ、また、潤滑層を必要としない。

また、従来の技術は、電極絶縁膜の構造を１層の自己集合分子単層（ｓｅｌｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）と１層の誘電層または２層以上の不導体層またはこれらの多様な組み合わせを制限しているが、本発明は、エネルギー変換効率の最適のための構造を提案する。すなわち、第１電極または第２電極のうち少なくとも一方の基板に（積層手順によって）電極／無機物層／有機物層／（疎水性物質層、親水性物質層のうち液体の種類によって選択される）または電極／有機物層／無機物層／（疎水性物質層、親水性物質層のうち液体の種類によって選択される）の構成を有するようにし、第１電極及び第２電極の両方に（積層手順によって）電極／無機物層／有機物層／（疎水性物質層、親水性物質層のうち液体の種類によって選択される）または電極／有機物層／無機物層／（疎水性物質層、親水性物質層のうち液体の種類によって選択される）の構成を有するように変更されることができる。

なお、従来の技術は、伝導性液体を利用するに際して、分極のための外部電源の印加を必要としたが、本発明は、エネルギー変換層がイオン性液体を分極する役目を行い、外部電源の印加が不要である。

また、従来の流体を利用したエネルギー変換装置がチャネルの高さ及び体積を固定させたことに対し、本発明では、フレキシブル基板の曲がり、延伸、ねじれ、押圧などによってフレキシブル基板の内部とフレキシブル基板の内部にある液体との間の接触面、接触角、接触面積のうち少なくともいずれか一つを変化させて電気エネルギーを発生する。

好ましくは、フレキシブル基板の両端を連結することによって形成される形態は、円形、四角形、三角形、五角形、六角形、八角形などの多様な形態が可能である。

以上では、本発明の好ましい実施形態及び応用例について図示して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態及び応用例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能なことはもちろん、このような変形実施は、本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されるべきものではない。

２１０ フレキシブル基板
２１１ 第１電極
２１２ 第２電極
２２０ 無機物層
２３０ 有機物層
２４０ 疎水性物質層
２５０ イオン性液体または水

Claims (14)

1. 液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置であって、
   フレキシブル基板上に間隔をもって形成された第１電極及び第２電極と；
   前記第１電極および前記第２電極のうち少なくとも一つ上に形成されたエネルギー変換層であって、前記液体と前記電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成する前記エネルギー変換層と；を含み、
   前記フレキシブル基板の両端は、前記電極の間にイオン性液体または水が位置するように、連結されていることを特徴とするフレキシブルエネルギー変換装置。
2. 前記エネルギー変換層は、無機物層、有機物層および有機物と無機物の混合物層のうち少なくともいずれか一つの層を含むことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
3. 前記エネルギー変換層上に、前記イオン性液体または水の形状が原形状に復元され得るように、疎水性物質層が積層されていることを特徴とする請求項２に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
4. 前記イオン性液体は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３、ＡｌＣｌ_３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ_２ＳＯ_４、ＣＨ_３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ_４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
5. 液体を利用したフレキシブルエネルギー変換装置であって、
   フレキシブル基板上に間隔をもって形成された第１電極及び第２電極と；
   前記第１電極および前記第２電極のうち少なくともいずれか一つ上に形成されたエネルギー変換層であって、前記液体と前記電極との間の接触角、接触面、接触面積のうちいずれか一つの変化に従って電気エネルギーを生成する前記エネルギー変換層と；を含み、
   前記フレキシブル基板の両端は、前記電極の間に伝導性液体が位置するように、連結されていることを特徴とするフレキシブルエネルギー変換装置。
6. 前記エネルギー変換層は、無機物層、有機物層および有機物と無機物の混合物層のうち少なくともいずれか一つの層を含むことを特徴とする請求項５に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
7. 前記エネルギー変換層上に、前記伝導性液体の形状が原形状に復元され得るように、親水性物質層が積層されていることを特徴とする請求項６に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
8. 前記親水性物質層は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩、エタクリレート、アミン作用性重合体またはアミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコールまたは−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ_２、水酸基−ＯＨおよびカルボキシル基−ＣＯＯＨの官能基のうち少なくともいずれか一つを含む物質を含むことを特徴とする請求項７に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
9. 前記伝導性液体は、比抵抗範囲が１μΩ／ｃｍ〜１０００μΩ／ｃｍであり、誘電率（Ｋ）が５以下であることを特徴とする請求項５に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
10. 前記エネルギー変換層は、
    メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ）またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄ ＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル）（ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド（ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド（ＰＧＬＡ）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む有機物層；を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
11. 前記エネルギー変換層は、
    酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ_４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ_３）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、灰チタン物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ_３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、アパタイト（Ａ_１０（ＭＯ_４）_６（Ｘ）_２）、水酸化燐灰石（Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６（ＯＨ）_２）、リン酸三灰石（Ｃａ_３（ＰＯ_４）_２）、Ｎａ_２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ_２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ｐ_２Ｏ_５）のうち少なくともいずれか一つの物質を含む無機物層を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
12. 前記電極の間に配置された非伝導性ガスであって、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくともいずれか一つを含む前記非伝導性ガス；をさらに含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
13. 前記エネルギー変換層は、前記液体と接触する前記接触面を広げるための構造物を持つことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。
14. 前記第１電極または前記第２電極は、
    ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ_２およびＴｉＯ_２のうち少なくともいずれか一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄および銅のうち少なくともいずれか一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレンのうち少なくともいずれか一つを含む有機電極であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のフレキシブルエネルギー変換装置。

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