JP2016529868A - 液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機及び発電方法 - Google Patents
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Abstract
Description
絶縁基板と、
第1の電極層及び第2の電極層からなり、前記第1の電極層及び第2の電極層が間隔を置いて前記基板に設けられ、電気的に接続されている発電部品と、
前記発電部品を覆い、前記発電部品の第1の電極層及び第2の電極層を前記液体と隔離させる摩擦層と、を含み、
前記液体が波動又は流動するとき、前記摩擦層と摩擦して、液体に接触する摩擦層の表面に電荷を持たせ、
前記液体の波動又は流動に伴って、第1、第2の電極層に対応する摩擦層表面の電荷が液体におけるイオンによって前後して遮蔽されて、摩擦層表面に持たれる電荷の、前記第1の電極層及び第2の電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、誘導電荷が前記第1の電極層と第2の電極層との間に流れることを特徴とする液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機を提供する。
前記微小構造層は、厚さが2nm‐200μmである。
前記摩擦層と液体の材料の極性を比較し、摩擦層の極性が正であれば、摩擦層材料の表面に、電子を失いやすい官能基を導入し、摩擦層の極性が負であれば、摩擦層材料の表面に、電子を取り込みやすい官能基を導入し、
あるいは、
前記摩擦層と液体の材料極性を比較し、摩擦層の極性が正であれば、摩擦層材料の表面に正電荷を導入し、摩擦層の極性が負であれば、変化層材料の表面に負電荷を導入する。
櫛歯状の第1の電極層と第2の電極層との間に間隔を置いて互いに間挿し合う形状となる。
複数の前記発電部品は、前記液体の波動又は流動の方向に沿って順に配列され、隣り合う2つの発電部品は、1つの電極層を共用する。
前記液体が波動又は流動し、発電機の摩擦層と摩擦して、摩擦層の表面に電荷を持たせ、
液体の波動又は流動に伴って、前記発電部品の第1、第2の電極層に対応する摩擦層表面の電荷は液体におけるイオンによって前後して遮蔽されて、前記摩擦層表面に持たれる電荷の、前記第1の電極層及び第2の電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、第1の電極層と第2の電極層との間に、外部回路によって電荷流動を形成する液体の機械エネルギーを採集する発電方法を更に提供する。
図1は、本発明の摩擦式電気ナノ発電機の一典型的な構造であり、この構造は、絶縁基板10と、発電部品と、摩擦層30と、を含む。その中、発電部品は、第1の電極層21及び第2の電極層22からなり、第1の電極層21及び第2の電極層22は、間隔を置いて基板10に設けられ、かつ互いに電気的に接続されている。摩擦層30は、前記発電部品の第1の電極層21及び第2の電極層22と発電機の動作する液体環境とが隔離するように、前記発電部品を覆う。液体は、波動すると、摩擦層30と摩擦し、摩擦層30の表面に正電荷を持たせる。前記液体の波動に伴って、2つの電極層に対応する摩擦層30の表面における電荷は、液体におけるイオンによって前後して順に遮蔽され、摩擦層30の表面に持たせる電荷の、第1の電極層21及び第2の電極層22の電子に対する静電作用が異なり、第1の電極層21と第2の電極層22との間に誘導電荷を流させる。第1の電極層21と第2の電極層22との間に、検出装置又は負荷40が接続され(例えば、図2a図2cに示すように)、電流が検出装置及び負荷40に流れることができる。
本実施例において、発電部品の2つの電極層は、パターン化された電極層であり、図5は本実施例の発電機の別の典型的な構造である。導電部品における第1の電極層210及び第2の電極層220は櫛歯構造であり、各前記櫛歯構造電極は、若干の長尺状のサブ電極が平行に配列されて、一端に互いに接続されて形成される。2つの櫛歯状の電極間に間隔230を置いて互いに間挿し合う形状となる。図5に示すように、矢印に示す液体の波動方向に、2つの電極の長尺状のサブ電極が交互に配列される。摩擦層は、前記発電部品を覆い、前記発電部品の第1の電極層210及び第2の電極層220を、発電機の動作する液体環境と隔離させる。液体の波動方向に、第1の電極層210のサブ電極の1つが第2の電極層220のサブ電極の1つと隣り合い、間隔230によって隔離されて構造が実施例一と同じである発電サブ部品A1を構成する。このような構造の発電機は、液体の波動範囲が大きい状況に適用されることができ、発電部品が、構造が実施例一と同じである発電サブ部品を複数含み、複数の発電サブ部品が並列に接続され、隣り合う発電サブ部品間に同一の長尺状のサブ電極を共用し、例えば、隣り合う発電サブ部品A1及びA2が、第1の電極層210の長尺状のサブ電極を共用することに相当する。
実施例一及び二の発電機は沖つ波の波動などの環境に適用されるため、液体の波動の際に発電機との接触面積の変化が制限され、雨水などの流動液体の機械エネルギーに対する吸収効率が制限される。流動の水又は雨滴の液体環境に適用するために、本実施例に提供される発電機には、複数の実施例一に記載の発電部品と、それとは同じ数の整流部品とを含み、複数の発電部品の電極層は、液体の流動又は波動の方向に平行に配列され、隣り合う2つの発電部品は、1つの電極層を共用し、一方の発電部品が電気信号を出力し、他方の発電部品が整流部品によって整流し、全ての整流部品の出力端部は並列に接続され、発電機の出力端部とされる。発電機が発電部品を5つ含むことを例として本実施例の構造を説明する。図6を参照して、絶縁基板(未図面)に、平行に配列される長尺状の電極層201、202、203、204、205及び206が6つ設けられ、第1の発電部品の電極層201及び201はそれぞれ整流部品A1の入力端部に接続され、第2の発電部品の電極層202及び203はそれぞれ整流部品A2の入力端部に接続され、第3の発電部品の電極層203及び204はそれぞれ整流部品A3の入力端部に接続され、第4の発電部品の電極層204及び205はそれぞれ整流部品A4の入力端部に接続され、第5の発電部品の電極層205及び206はそれぞれ整流部品A5の入力端部に接続され、5つの整流部品A1、A2、A3、A4及びA5の出力端部は、並列に接続されて発電機の出力端部を形成する。この出力端部に負荷401が接続されることができる。5つの発電部品の6つの電極層上に摩擦層を覆って(未図示)、発電部品を動作時の液体環境と分離することができる。連続的な水流が発電機の摩擦層上を流れることを例として、液体が電極層201、202、203、204、205及び206を覆う摩擦層を順に流れる場合、摩擦層と摩擦して、液体及び摩擦層の表面に電荷を持たせ、液体の移動に従って各発電部品の2つの電極層を順に流れる場合、液体におけるイオンは、各電極層に対応する摩擦層表面の電荷を前後して順に遮蔽し、摩擦層表面に持たれる電荷の、2つの電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、これにより、誘導電荷が発電部品の2つの電極間に流れる。液体が発電部品に近づき、離れるときに発生する電流の方向が逆であるため、各発電部品に整流部品を接続して、発電部品に発生する交流電気信号を直流電気信号に変換する。流動の液体又は液滴が発電機の摩擦層を流れると、発電機の複数の発電部品に電気信号を同時又は異時に発生させることができる。本実施例の発電機は、複数の発電部品の出力信号をそれぞれ整流部品によって直流信号に整流し、並列に接続された後に発電機の出力信号とし、液体の流動または液滴のスライドによる機械エネルギーを収集して電気エネルギーへ変換し、河川、海岸などの液体流動又は波動がある所に大面積に適用されてもよく、雨水などの液滴環境に適用されてもよい。
本発明は、液体に適用される発電方法を更に提供する。上記した何れかの発電機を用いて、図1を参照して上記発電方法を説明する。液体が波動又は流動し、発電機の摩擦層30と摩擦して、液体に電荷を持たせる。そして、液体の波動又は流動に伴って、発電部品の2つの電極層に対応する摩擦層の表面の電荷が液体におけるイオンによって前後して順に遮蔽され、前記摩擦層の表面に持たれる電荷の、前記第1の電極層及び第2の電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、第1の電極層21と第2の電極層22との間に外部回路によって電荷流動を形成する。
Claims (20)
- 絶縁基板と、
第1の電極層及び第2の電極層からなり、前記第1の電極層及び第2の電極層が間隔を置いて前記基板に設けられ、電気的に接続されている発電部品と、
前記発電部品を覆い、前記発電部品の第1の電極層及び第2の電極層を前記液体と隔離させる摩擦層と、を含み、
前記液体が波動又は流動するとき、前記摩擦層と摩擦して、液体に接触する摩擦層の表面に電荷を持たせ、
前記液体の波動又は流動に伴って、第1、第2の電極層に対応する摩擦層表面の電荷が液体におけるイオンによって前後して遮蔽されて、摩擦層表面に持たれる電荷の、前記第1の電極層及び第2の電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、誘導電荷が前記第1の電極層と第2の電極層との間に流れることを特徴とする液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記摩擦層の前記液体と接触する表面に、微小構造層が設けられ、
前記微小構造層は、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子、ナノ棒、ナノ花、ナノ溝、ミクロン溝、ナノコーン、ミクロンコーン、ナノボール、ミクロンボールまたは上記構造からなるアレイであることを特徴とする請求項1に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記液体が極性液体である場合、前記摩擦層表面の微小構造層は疎水性構造であり、あるいは、前記液体が非極性液体である場合、前記摩擦層表面の微小構造層は親水性構造であることを特徴とする請求項2に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記第1の電極層及び第2の電極層はいずれも長尺状であり、前記基板に、長さ方向に沿って平行に配列されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記第1の電極層及び/又は第2の電極層は、長さと幅の比が1:1から1000:1までであることを特徴とする請求項4に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記第1の電極層と第2の電極層との間隔の幅は、10nm‐5cmであることを特徴とする請求項4又は5に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記摩擦層は、フィルムであり、厚さが10nm‐2cmであり、
前記微小構造層は、厚さが2nm‐200μmであることを特徴とする請求項2に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記摩擦層の液体と接触可能な表面に化学変性を施し、
前記摩擦層と液体の材料の極性を比較し、摩擦層の極性が正であれば、摩擦層材料の表面に、電子を失いやすい官能基を導入し、摩擦層の極性が負であれば、摩擦層材料の表面に、電子を取り込みやすい官能基を導入し、
あるいは、
前記摩擦層と液体の材料極性を比較し、摩擦層の極性が正であれば、摩擦層材料の表面に正電荷を導入し、摩擦層の極性が負であれば、変化層材料の表面に負電荷を導入することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記摩擦層の材料は、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンプロピレン(FEP、テトラフルオロエチレン及びヘキサフルオロプロピレンのポリマー)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリイミド、ポリジフェニルプロパンカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アニリンホルムアルデヒド樹脂、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルムアルデヒド、ポリエチレングリコールスクシナート、セルロース、セルロースアセテート、ポリエチレングリコールアジペート、ポリフタル酸ジアリル、再生繊維スポンジ、ポリウレタンエラストマー、スチレンプロピレンコーポリマー、スチレン-アクリロニトリルコーポリマー、スチレン-ブタジエンコーポリマー、ポリアミドナイロン11、ポリアミドナイロン66、羊毛及びその織物、蚕糸及びその織物、紙、人造繊維、棉及びその織物、木材、硬化ゴム、ポリメタクリレート、ポリビニルアルコール、ポリエステル、ポリイソプチレン、ポリウレタンエラストマー、ポリウレタンフレキシブルスポンジ、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、クロロプレンゴム、ブタジエンプロピレンコーポリマー、天然ゴム、ポリアクリロニトリル、ポリ(塩化ビニリデン-co-アクリルニトリル)、ポリエチレンビスフェノールカーボネート、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、液晶高分子ポリマー、ポリクロロプレン、ポリアクリロニトリル、アセテート、ポリジフェノールカーボネート、塩化ポリエーテル、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、及び、パリレンC、パリレンN、パリレンD、パリレンHT又はパリレンAF4を含むパリレンの中の一種又は複数種であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記発電部品の第1の電極層及び第2の電極層は、形状及びサイズが同じであることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記基板、発電部品及び/又は摩擦層は、硬質またはフレキシブル材料であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記液体は、水、脱イオン水、海水、NaCl溶液、蟻酸、メタノール、エタノール、n-プロパノール、イソプロパノール、n-ブタノール、酢酸、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、ヘキサン、ベンゼン、トルエン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン又はジクロロメタンであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記発電部品の第1の電極層及び第2の電極層は櫛歯構造であり、各前記櫛歯構造の電極は、若干の長尺状のサブ電極が平行に配列され、一端部に互いに接続されて形成され、
櫛歯状の第1の電極層と第2の電極層との間に間隔を置いて互いに間挿し合う形状となることを特徴とする請求項1‐3、7‐12のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記長尺状のサブ電極は、長さと幅の比が1:1から1000:1までであることを特徴とする請求項13に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記第1の電極層と第2の電極層の間隔の幅は、10nm‐5cmであることを特徴とする請求項13又は14に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記発電機は、複数の前記発電部品を含み、
複数の前記発電部品は、前記液体の波動又は流動の方向に沿って順に配列され、隣り合う2つの発電部品は、1つの電極層を共用することを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。 - 前記発電部品とは同じ数の整流部品を更に含み、各前記発電部品の第1、第2の電極層は、それぞれ1つの整流部品に接続されていることを特徴とする請求項16に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 全ての前記整流部品の出力端部は、並列に接続され、発電機の出力端部を形成することを特徴とする請求項17に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 前記整流部品は、ブリッジ整流器であることを特徴とする請求項17又は18に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機。
- 請求項1乃至19のいずれか1項に記載の液体の機械エネルギーを採集する摩擦式電気ナノ発電機を用いる液体の機械エネルギーを採集する発電方法であって、
前記液体が波動又は流動し、発電機の摩擦層と摩擦して、摩擦層の表面に電荷を持たせ、
液体の波動又は流動に伴って、前記発電部品の第1、第2の電極層に対応する摩擦層表面の電荷は液体におけるイオンによって前後して遮蔽されて、前記摩擦層表面に持たれる電荷の、前記第1の電極層及び第2の電極層の電子に対する静電作用を異ならせ、第1の電極層と第2の電極層との間に、外部回路によって電荷流動を形成することを特徴とする液体の機械エネルギーを採集する発電方法。
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