JP2017205005A - 摩擦電気発電機 - Google Patents

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正民 白
Jeongmin Baik
正民 白
珍晟 千
Jinsung Chun
珍晟 千
秉旭 ▲イェ▼
秉旭 ▲イェ▼
Byeonguk Ye
在瑛 金
Jaeyoung Kim
在瑛 金
卿▲ウン▼ 卞
Kyung Eun Byun
卿▲ウン▼ 卞
▲ミン▼洙 薛
Min Su Seol
▲ミン▼洙 薛
鉉振 申
Hyeon-Jin Shin
鉉振 申
Original Assignee
三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd.
Samsung Electronics Co Ltd
三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd.
蔚山科學技術院
Ulsan National Institute Of Science And Technology
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/18Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/04Friction generators

Abstract

【課題】摩擦電気発電機を提供する。【解決手段】摩擦電気発電機に係り、互いに離隔されるように設けられる第1電極及び第2電極と、第2電極と対向する第1電極の一面に設けられるものであり、接触によって正電荷に帯電される第1帯電体と、第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、第1帯電体との接触によって負電荷に帯電される第2帯電体と、第2帯電体の動きにより、第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、を含む摩擦電気発電機である。【選択図】図1

Description

本発明は、摩擦電気発電機に係り、さらに詳細には、接地構造を有する摩擦電気発電機に関する。

最近、エネルギーをハーベスティング(harvesting)する技術が脚光を浴びている。エネルギーハーベスティング素子は、周辺環境に存在する風や振動、または人間の動きから発生す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電素子であると言える。

摩擦電気発電機は、2つの帯電体の摩擦時に示される電荷移動現象を利用して、電気エネルギーを発生させるエネルギーハーベスティング素子である。該摩擦電気発電機は、エネルギー変換効率が高く、外部の小さな力によっても高い出力を得ることができる。また、該摩擦電気発電機は、熱や太陽を利用したエネルギーハーベスティング素子に比べ、時間的、空間的な制約がなく、物質の変形によって電気エネルギーを発生させる圧電素材を利用したエネルギーハーベスティング素子に比べ、持続的に電気エネルギーを発生させることができる。

本発明が解決しようとする課題は、接地構造を有する摩擦電気発電機を提供することである。

一態様において、
互いに離隔されるように設けられる第1電極及び第2電極と、
前記第2電極と対向する前記第1電極の一面に設けられるものであり、接触によって、正電荷に帯電される第1帯電体と、
前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触によって、負電荷に帯電される第2帯電体と、
前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部(charge reservoir)とを断続的に連結する接地ユニット(grounding unit)と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

前記第1帯電体は、前記第1電極の一面と接触するように設けられ、前記第2帯電体は、前記第1帯電体及び前記第2電極と離隔されるように設けられてもよい。

前記第1電極と前記第2電極との間に圧力が加えられると、前記第1帯電体と前記第2帯電体とがまず接触した後、前記第2帯電体と前記第2電極とが接触することができる。前記第2帯電体が、前記第2電極側に動く過程において、前記第2帯電体は、前記接地ユニットを介して、前記電荷保存部と電気的に連結されてもよい。

前記摩擦電気発電機は、前記第1帯電体と前記第2帯電体との間に設けられる第1弾性支持部と、前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられる第2弾性支持部と、をさらに含んでもよい。ここで、前記第1弾性支持部は、前記第2弾性支持部より小さい弾性係数(modulus of elasticity)を有することができる。

前記第1帯電体は、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルモル、ウール、シルク、マイカ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2帯電体は、導電性物質を含んでもよい。例えば、前記第2帯電体は、Al、Cu、Ag、Au及びスチール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帯電体及び第2帯電体のうち少なくとも一つは、帯電特性を調節するためのドーパント(dopant)にドーピングされている。前記第1帯電体の接触面、及び前記第2帯電体の接触面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。

前記第1電極及び第2電極は、グラフェン、炭素ナノチューブ(CNT)、ITO(indium tin oxide)、金属及び伝導性ポリマー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電極及び第2電極は、それぞれ第1基板及び第2基板に設けられてもよい。前記第1基板及び第2基板は、硬質材質または柔軟な材質を含んでもよい。

前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられ、前記第2帯電体と断続的に接触する導電性部材と、前記導電性部材を弾性的に支持する弾性部材と、を含んでもよい。

前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを断続的に連結するスイッチング素子を含んでもよい。

前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを電気的に連結する導電性部材と、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを絶縁させる絶縁性部材と、を含んでもよい。

前記電荷保存部は、大地(ground)または導電性部材を含んでもよい。ここで、前記導電性部材は、例えば、金属フィルムを含んでもよい。

他の態様において、
互いに離隔されるように設けられて柔軟性を有する第1電極及び第2電極と、
前記第2電極と対向する前記第1電極の一面に設けられる第1帯電体と、
前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触により、前記第1帯電体と反対極性の電荷に帯電される第2帯電体と、
前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、を含む摩擦電気発電機が提供される。

さらに他の態様において、
互いに離隔されるように設けられて柔軟性及び伸縮性を有する第1電極及び第2電極と、
前記第2電極と対向する前記第1電極の一面に設けられる第1帯電体と、
前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触により、前記第1帯電体と反対極性の電荷に帯電される第2帯電体と、
前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、
前記第1帯電体と前記第2帯電体との間に設けられる少なくとも1つの第1支持部と、
前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられる少なくとも1つの第2支持部と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

さらに他の態様において、
互いに離隔されるように設けられるものであり、球状の第1電極、及び前記第1電極を覆い包む球状の第2電極と、
前記第1電極の外面に設けられる第1帯電体と、
前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触により、前記第1帯電体と反対極性の電荷に帯電される第2帯電体と、
前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、を含む摩擦電気発電機が提供される。

さらに他の態様において、
互いに離隔されるように設けられる第1電極及び第2電極と、
前記第2電極と対向する前記第1電極の一面に設けられる第1帯電体と、
前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触により、前記第1帯電体と反対極性の電荷に帯電される第2帯電体と、
前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、
前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられる弾性支持部と、を含む摩擦電気発電機が提供される。

本発明によれば、接触によって互いに異なる極性を帯電される2個の帯電体を設け、その帯電体のうちいずれか一つを、接地ユニットを介して大地のような電荷保存部と断続的に連結させることにより、電気エネルギーをさらに効率的に得ることができる摩擦電気発電機を具現することができる。

例示的な実施形態による摩擦電気発電機を図示した斜視図である。 図1に図示された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の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図1に図示された摩擦電気発電機において、第2帯電体の変形例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の変形例による電荷保存部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の変形例による接地ユニット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の変形例による接地ユニットを図示した図面である。 図8に図示された接地ユニットの作動過程を示す図面である。 図8に図示された接地ユニットの作動過程を示す図面である。 図8に図示された接地ユニットの作動過程を示す図面である。 他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機を図示した断面図である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 図10に図示された摩擦電気発電機の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。 さらに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斜視図である。 図13に図示された摩擦電気発電機が作動する様子を示す図面である。 図13に図示された摩擦電気発電機が作動する様子を示す図面である。 図13に図示された摩擦電気発電機が作動する様子を示す図面である。 図13に図示された摩擦電気発電機が作動する様子を示す図面である。 図13に図示された摩擦電気発電機が作動する様子を示す図面である。 さらに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断面図である。 図15に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図15に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図15に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図15に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 さらに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断面図である。 図17に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図17に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図17に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図17に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 さらに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断面図である。 図19に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図19に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図19に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図19に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 さらに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断面図である。 図21に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図21に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図21に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。 図21に図示された摩擦電気発電機発電機が作動する様子を示す図面である。

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の上に存在するとするとき、その物質層は、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ることもある。

図1は、例示的な実施形態による摩擦電気発電機100を図示した斜視図である。そして、図2は、図1に図示された摩擦電気発電機100の断面図である。

図1及び図2を参照すれば、摩擦電気発電機100は、第1電極112及び第2電極122と、第1電極112の一面に設けられる第1帯電体131と、第1帯電体131と第2電極122との間に設けられる第2帯電体132と、第2帯電体132と電荷保存部171とを断続的に連結する接地ユニット150と、を含む。

第1基板110及び第2基板120は、互いに一定間隔で離隔されるように設けられている。例えば、第1基板110は上部基板にもなり、第2基板120は下部基板にもなる。かような第1基板110及び第2基板120は平坦な構造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。

かような第1基板110及び第2基板120は、例えば、シリコンウェーハまたはガラスのような硬質材質を含んでもよい。しかし、必ずしもそれらに限定されるものではなく、それら以外にも、第1基板110及び第2基板120は多様な物質を含んでもよい。例えば、第1基板110及び第2基板120は、ポリエステル(PE)、ポリエステルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)またはカプトン(Kapton)のような柔軟な材質を含んでもよい。

第1基板110の下面には第1電極112が設けられており、第2基板120の上面には第2電極122が設けられている。第1電極112及び第2電極122は、電気伝導性にすぐれる物質を含む。例えば、第1電極112及び第2電極122は、グラフェン(graphene)、炭素ナノチューブ(CNT:carbon nanotube)、ITO(indium tin oxide)、金属及び伝導性ポリマーからなるグループのうちから選択された少なくとも1つの物質を含んでもよい。ここで、該金属は、例えば、Ag、Al、Cu、Au、Ni、Cr及びPt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が、それらに限定されるものではない。かような第1電極112及び第2電極122は、単層構造、または複数の層構造を有することができる。

第2電極122と対向する第1電極112の下面には、第1帯電体131が設けられており、かような第1帯電体131は正電荷帯電体にもなる。ここで、第1帯電体131は、第1電極112の下面に接するように設けられている。第1帯電体131は、第2帯電体132との接触によって正電荷に帯電されるものであり、第2帯電体132に比べ、相対的に電気伝導度が低い物質を含んでもよい。例えば、第1帯電体131は、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルモル、ウール、シルク、マイカまたはナイロンなどの誘電材料または絶縁材料を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではなく、第1帯電体131は、第2帯電体132との接触によって正電荷に帯電される多様な物質を含んでもよい。

第1帯電体131と第2電極122との間には、第2帯電体132が設けられており、かような第2帯電体132は負電荷帯電体にもなる。ここで、摩擦電気発電機100に、外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体132は、第1帯電体131及び第2電極122と離隔されるように設けられてもよい。

第2帯電体132は、第1帯電体131との接触によって負電荷に帯電されるものであり、第1帯電体131に比べ、相対的に電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。それは、後述するように、第2帯電体132と電荷保存部171との間で、電荷移動が容易に行われるようにするためである。第2帯電体132は、例えば、Al、Cu、Ag、Auまたはスチールなどの金属材料を含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではなく、第2帯電体132は、第1帯電体131との接触によって負電荷に帯電される多様な導電性物質を含んでもよい。

例えば、第1帯電体131及び第2帯電体132は、それぞれナイロン及びAlで構成されるか、あるいはそれぞれマイカ及びAuでも構成される。しかし、それらはただ例示的なものに過ぎず、それら以外にも、多様な物質の組み合わせにより、第1帯電体131及び第2帯電体132を構成することができる。

第1帯電体131及び第2帯電体132のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。p型ドーパントのソース(source)は、例えば、NOBF、NOBF、NOSbFなどのイオン性液体(ionic liquid);HCl、HPO、CHCOOH、HSO、HNOなどの酸類化合物(acidic compound)、ジクロロジシアノキノン(DDQ:dichlorodicyanoquinone)、オキソン(oxone)、ジミリストイルホスファチジルイノシトール(DMPI:dimyristoylphosphatidylinositol)、トリフルオロメタンスルホンイミド(trifluoromethanesulfoneimide)などの有機化合物(organic compound)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、AuCl、HAuCl、AgOTf(silver trifluoromethanesulfonate)、AgNO、HPdCl、Pd(OAc)、Cu(CN)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(a reduction product of a substituted or unsubstituted nicotinamide);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(a reduction product of a compound which is cheマイカlly bound to a substituted or unsubstituted nicotinamide);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(a compound comprising at least two pyridinium moieties in which a nitrogen atom of at least one of the pyridinium moieties is reduced)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、あるいはビオロゲン(viologen)を含んでもよい。または、前記n型ドーパントのソースは、PEI(polyethylenimine)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。

接地ユニット150は、第2帯電体132の動きによって、第2帯電体132と断続的に接触するように設けられている。そして、かような接地ユニット150は、電荷保存部171と電気的に連結されている。ここで、電荷保存部171は、例えば、大地(ground)にもなる。従って、接地ユニット150は、第2帯電体132の動きによって、第2帯電体132と電荷保存部171とを断続的に連結することができる。

接地ユニット150は、第2帯電体132と第2基板120との間に設けられ、第2帯電体132の動きによって第2帯電体132と断続的に連結されるように設けられてもよい。そのために、接地ユニット150は、第2帯電体132の動きによって第2帯電体132と断続的に接触する導電性部材151と、該導電性部材151の動きを弾性的に支持する弾性部材152と、を含んでもよい。ここで、導電性部材151は、電荷保存部171と電気的に連結されている。接地ユニット150は、下部基板である第2基板120上にも設けられるが、必ずしもそれらに限定されるものではない。

かような接地ユニット150の構成において、第2帯電体132が第2電極122側に移動し、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151に接触すれば、第2帯電体132は、電荷保存部171と電気的に連結される。それによって、第2帯電体132内の電子が、接地ユニット150を介して電荷保存部171に移動するか、あるいは電荷保存部171内の電子が、接地ユニット150を介して第2帯電体132に移動することができる。また、第2帯電体132が第2電極122から遠くなり、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151と離れれば、第2帯電体132は、電荷保存部171と絶縁される。

第1基板110と第2帯電体132との間には、少なくとも1つの第1弾性支持部141が設けられ、第2帯電体132と第2基板120との間には、少なくとも1つの第2弾性支持部142が設けられてもよい。ここで、第1弾性支持部141及び第2弾性支持部142は、例えば、それぞれ第1スプリング及び第2スプリングを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではなく、それら以外にも、第1弾性支持部141及び第2弾性支持部142は、他の多様な弾性部材を含んでもよい。図1には、4個の第1スプリングが、第1基板110と第2帯電体132との間のコーナー部分に設けられており、4個の第2スプリングが、第2帯電体132と第2基板120との間のコーナー部分に設けられている場合が例示的に図示されている。

第1弾性支持部141は、第2弾性支持部142より小さい弾性係数(modulus of elasticity)を有することができる。例えば、第1弾性支持部141及び第2弾性支持部142がそれぞれ第1スプリング及び第2スプリングからなる場合、第1スプリングは、第2スプリングより小さいスプリング定数を有することができる。それによって、第1基板110を押せば、まず、第1基板110と第2帯電体132との間隔が狭まり、次に、第2帯電体132と第2基板120との間隔が狭まる。次に、第1帯電体131と第2帯電体132とがまず接触し、次に、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151及び第2電極122と順次に接触する。

以下では、図1及び図2に図示された摩擦電気発電機100の作動メカニズムについて説明する。

図3Aないし図3Hは、摩擦電気発電機100の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。

図3Aは、摩擦電気発電機100に外部の力が作用していない状態を図示したものである。図面において、参照番号161は、第1電極112と第2電極122との間の電子フローを検出するための第1負荷を示し、参照番号162は、接地ユニット150と電荷保存部171との間の電子フローを検出するための第2負荷を示す。

図3Bは、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触した状態を図示したものである。図3Bを参照すれば、前述のように、第1弾性支持部141は第2弾性支持部142より小さい弾性係数を有しているので、第1基板110に押す力を加えれば、まず、第1基板110と第2帯電体132との間隔が狭まることにより、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触する。ここで、第1帯電体131及び第2帯電体132は、前述のように、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体である。従って、第1帯電体131及び第2帯電体132が互いに接触すれば、第1帯電体131の接触面は正電荷に帯電され、第2帯電体132の接触面は負電荷に帯電される。次に、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、図3Cに図示されているように、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が第2電極122側に移動する。

図3Dは、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が、接地ユニット150と接触した状態を図示したものである。図3Dを参照すれば、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151と接触する。ここで、導電性部材151は、大地のような電荷保存部171と電気的に連結されている。一方、この状態では、第1帯電体131及び第2帯電体132が互いに電荷平衡をなしているので、第2帯電体132と電荷保存部171との間で、電荷移動は行われない。

図3Eは、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が第2電極122と接触した状態を図示したものである。図3Eを参照すれば、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151に接触した状態で、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体132は、第2電極122と接触する。ここで、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151と接触した状態を維持する。この状態では、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触しており、第2帯電体132が、第2電極122及び接地ユニット150の導電性部材151と接触しているが、電荷平衡をなしているので、第2帯電体132と電荷保存部171との間で、電荷移動は行われない。

図3Fは、第2帯電体132と第2電極122とが離隔され、第1帯電体131と第2帯電体132とが離隔された状態を図示したものである。図3Fを参照すれば、第1基板110に加えられた力がリリース(release)されれば、第2帯電体132は第2電極122から離隔され、第1帯電体131は第2帯電体132から離隔される。ここで、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151と接触している。この状態で、第2帯電体132内部で電荷平衡をなすために、負電荷帯電体である第2帯電体132から電荷保存部171に電子が移動することにより、第2負荷162に電流が流れる。また、正電荷帯電体である第1帯電体131の表面にある正電荷が、上部電極である第1電極112に負電荷を誘導し、それによって、第2電極122から第1電極112に電子が移動することにより、第1負荷161に電流が流れる。

第1基板110のリリースが続けば、図3Gに図示されているように、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151から離れ、次に、図3Hに図示されているように、摩擦電気発電機100は初期状態に戻る。図3Hに図示された状態では、第1電極112及び第2電極122がそれぞれ負電荷状態及び正電荷状態を維持し、第1帯電体131は正電荷状態を維持する。そして、第2帯電体132は、その内部の正電荷及び負電荷が移動し、中性(neutral)を維持する。

図4Aないし図4Hは、摩擦電気発電機100の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。

図4Aは、図3Hと同一状態であり、第1電極112及び第2電極122がそれぞれ負電荷状態及び正電荷状態を維持し、第1帯電体131は正電荷状態を維持している。そして、第2帯電体132は、中性を維持している。

図4Bは、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触した状態を図示したものである。図4Bを参照すれば、第1基板110に押す力を加えれば、まず、第1基板110と第2帯電体132との間隔が狭まることにより、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触する。このように、正電荷に帯電された第1帯電体131が、導電性物質である第2帯電体132と接触すれば、第2帯電体132の接触面(上面)は負電荷に帯電され、第2帯電体132の接触面と反対面(下面)は正電荷に帯電される。

図4Cは、第2帯電体132と第2電極122との間に静電誘導(electrostatic induction)が形成された状態を図示したものである。図4Cを参照すれば、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が第2電極122側に接近することになる。このように、第2帯電体132と第2電極122とが近づいた状態では、第2帯電体132の下面にあった正電荷が、静電誘導現象によって第2電極122に負電荷を誘導する。それによって、第1電極112から第2電極122に電子が移動することにより、第1負荷161には電流が流れる。

図4Dは、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が接地ユニット150と接触した状態を図示したものである。図4Dを参照すれば、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151と接触する。ここで、導電性部材151は、電荷保存部171と電気的に連結されている。この状態で、第1電極112、第1帯電体131、第2帯電体132及び第2電極122が互いに電荷平衡をなすために、電荷保存部171から第2帯電体132側に電子が移動することになり、それによって、第2負荷162には電流が流れる。

図4Eは、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触した状態で、第2帯電体132が第2電極122と接触した状態を図示したものである。図4Eを参照すれば、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151に接触した状態で、第1基板110に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体132は第2電極122と接触する。ここで、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151と接触した状態を維持する。この状態では、第1帯電体131及び第2帯電体132が接触しており、第2帯電体132が第2電極122及び接地ユニット150の導電性部材151と接触しているが、電荷平衡をなしているので、第2帯電体132と電荷保存部171との間で電荷移動が行われない。

図4Fは、第2帯電体132と第2電極122とが離隔され、第1帯電体131と第2帯電体132とが離隔された状態を図示したものである。図4Fを参照すれば、第1基板110に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体132は第2電極122から離隔され、第1帯電体131は第2帯電体132から離隔される。ここで、第2帯電体132は、接地ユニット150の導電性部材151とは接触している。この状態で、第2帯電体132内部で電荷平衡をなすために、負電荷帯電体である第2帯電体132から電荷保存部171に電子が移動することにより、第2負荷162に電流が流れる。また、正電荷帯電体である第1帯電体131の表面にある正電荷が、上部電極である第1電極112に負電荷を誘導し、それによって、第2電極122から第1電極112に電子が移動することにより、第1負荷161に電流が流れる。

第1基板110のリリースが続けば、図4Gに図示されているように、第2帯電体132が接地ユニット150の導電性部材151から離れ、次に、図4Hに図示されているように、摩擦電気発電機100は初期状態に戻る。図4Hに図示された状態では、図4Aに図示された状態と同様に、第1電極112及び第2電極122がそれぞれ負電荷状態及び正電荷状態を維持し、第1帯電体131は正電荷状態を維持する。そして、第2帯電体132は、その内部の正電荷及び負電荷が移動して中性を維持する。そして、その後、第1基板110に押す力が反復して加えられると、摩擦電気発電機100は、前述の第2サイクルを反復して遂行する。

以上のように、例示的な実施形態による摩擦電気発電機100では、第1基板110を押すことにより、第1電極112と第2電極122との間、及び第2帯電体132と電荷保存部171との間で電気エネルギーを発生させることができる。従って、摩擦電気発電機100に、外部の力を反復して加えれば、電気エネルギーをさらに効率的に得ることができる。

図5は、図1に図示された摩擦電気発電機100において、第2帯電体132の変形例を図示したものである。図5を参照すれば、第1帯電体131と接触する第2帯電体132の接触面には、複数の突起部132aが形成されてもよい。ここで、突起部132aは、例えば、ワイヤ形状またはピラミッド形状などを有することができるが、それらに限定されるものではない。このように、第2帯電体132の接触面に突起部132aを形成すれば、第1帯電体131との接触面積が増大することにより、さらに電気エネルギーを効率的に得ることができる。一方、図5には、第2帯電体132の接触面にだけ突起部132aが形成された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、第1帯電体131の接触面に突起部が形成されるか、あるいは第1帯電体131の接触面と第2帯電体132の接触面とのいずれにも突起部が形成されてもよい。

図6は、図1に図示された摩擦電気発電機の変形例100aによる電荷保存部172を図示したものである。図6を参照すれば、電荷保存部172は、接地ユニット150の導電性部材151と電気的に連結されており、かような電荷保存部172は、金属フィルムのような導電性部材を含んでもよい。図6には、電荷保存部172を構成する導電性部材がプレート形態を有し、第2基板120の下部に設けられている場合が例示的に図示されている。しかし、それに限定されるものではなく、それ以外にも、導電性部材は、多様な形態を有して多様な位置に設けられてもよい。

図7は、図1に図示された摩擦電気発電機の変形例100bによる接地ユニット180を図示したものである。図7を参照すれば、接地ユニット180は、第2帯電体132と電荷保存部171とを断続的に連結するスイッチング素子を含んでもよい。かようなスイッチング素子は、例えば、機械的スイッチ、CMOS(complementary metal−oxide semiconductor)素子などを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。かようなスイッチング素子は、特定条件において、第2帯電体132と電荷保存部171とを互いに電気的に連結するか、あるいは第2帯電体132と電荷保存部171とを電気的に絶縁させることができる。例えば、摩擦電気発電機100bが規則的に動く場合には、スイッチング素子が設定された時間間隔で、第2帯電体132と電荷保存部171との電気的連結をオン/オフにすることができる。また、スイッチング素子は、第1電極112及び第2電極122の電圧情報及び/または電流情報をフィードバックされ、第2帯電体132と電荷保存部171との電気的連結をオン/オフにすることもできる。

図8は、図1に図示された摩擦電気発電機の変形例100cによる接地ユニット190を図示したものである。図8を参照すれば、接地ユニット190は、第2帯電体132と電荷保存部171とを電気的に連結する導電性部材191、及び第2帯電体132と電荷保存部171とを電気的に絶縁させる絶縁性部材192を含んでもよい。例えば、接地ユニット190は、第1基板110と第2基板120との間のエッジ部分に設けられ、第1基板110に固定される導電性部材191と、該導電性部材191の下部に延長されるように設けられる絶縁性部材192と、を含んでもよい。ここで、第1基板110の動きによって、導電性部材191は、第2帯電体132と電荷保存部171とを互いに電気的に連結することができ、絶縁性部材192は、第2帯電体132と電荷保存部171とを互いに電気的に絶縁させることができる。

図9Aないし図9Cは、図8に図示された接地ユニット190の作動過程を示す図面である。

図9Aを参照すれば、第1基板110に押す力が加えられ、第1基板110が下に動くことにより、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触する。この過程において、第2帯電体132は、接地ユニット150の絶縁性部材192によって、電荷保存部171とは電気的に絶縁された状態を維持することができる。図9Bを参照すれば、第1基板110が下側に続けて動けば、第1帯電体131と第2帯電体132とが接触した状態で、第2帯電体132は、接地ユニット190の導電性部材191によって、電荷保存部171と電気的に連結される。図9Cを参照すれば、第1基板110が下側に続けて動けば、第2帯電体132が電荷保存部171と電気的に連結された状態で、第2帯電体132は第2電極122と接触する。このように、接地ユニット190の導電性部材191及び絶縁性部材192を利用して、第2帯電体132と電荷保存部171との電気的連結をオン/オフにすることができる。

図10は、他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機200を図示した断面図である。図10に図示された摩擦電気発電機200は、第1帯電体231及び第2帯電体232が、負電荷帯電体及び正電荷帯電体であるという点を除けば、図1及び図2に図示された摩擦電気発電機100と同一である。以下では、前述の実施形態と異なる点を中心に説明する。

図10を参照すれば、摩擦電気発電機200は、第1電極212及び第2電極222と、第1電極212の一面に設けられる第1帯電体231と、第1帯電体231と第2電極222との間に設けられる第2帯電体232と、第2帯電体232と電荷保存部271とを断続的に連結する接地ユニット250と、を含む。

第1基板210及び第2基板220が互いに一定間隔で離隔されるように設けられている。かような第1基板210及び第2基板220は、硬質材質または柔軟な材質を含んでもよい。第1基板210の下面には第1電極212が設けられており、第2基板220の上面には第2電極222が設けられている。第1電極212及び第2電極222は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。例えば、第1電極212及び第2電極222は、グラフェン、炭素ナノチューブ、ITO、金属及び伝導性ポリマーからなるグループのうちから選択された少なくとも1つの物質を含んでもよい。かような第1電極212及び第2電極222は、単層構造、または複数の層構造を有することができる。

第2電極222と対向する第1電極212の下面には、第1帯電体231が設けられており、かような第1帯電体231は、負電荷帯電体にもなる。ここで、第1帯電体231は、第1電極212の下面に接するように設けられている。第1帯電体231は、後述する第2帯電体232との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。例えば、第1帯電体231は、テフロン(登録商標)(polytetrafluoroethylene)、PDMS(polydimethylsiloxane)、PVC(polyvinylchloride)、カプトン(登録商標)(polyimide)、PP(polypropylene)、PE(polyethylene)またはPS(polystyrene)などを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではなく、第1帯電体231は、第2帯電体232との接触によって負電荷に帯電される多様な物質を含んでもよい。

第1帯電体231と第2電極222との間には、第2帯電体232が設けられており、かような第2帯電体232は、正電荷帯電体にもなる。ここで、摩擦電気発電機200に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体232が、第1帯電体231及び第2電極222と離隔されるように設けられてもよい。

第2帯電体232は、第1帯電体231との接触によって、正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。これは、第2帯電体232と電荷保存部271との間で電荷移動が容易に行われるようにするためである。第2帯電体232は、例えば、Al、Cu、Ag、Auまたはスチールなどを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではなく、第2帯電体232は、第1帯電体231との接触によって正電荷に帯電される多様な導電性物質を含んでもよい。一方、前述のように、第1帯電体231及び第2帯電体232のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

接地ユニット250は、第2帯電体232の動きによって、第2帯電体232と断続的に接触するように設けられている。そして、かような接地ユニット250は、電荷保存部271と電気的に連結されている。ここで、電荷保存部271は、例えば、大地(ground)にもなる。従って、接地ユニット250は、第2帯電体232の動きによって、第2帯電体232と電荷保存部271とを断続的に連結することができる。

接地ユニット250は、第2帯電体232と第2基板220との間に設けられ、第2帯電体232の動きによって、第2帯電体232と断続的に連結されるように設けられる。そのために、接地ユニット250は、第2帯電体232の動きによって、第2帯電体232と断続的に接触する導電性部材251と、該導電性部材251の動きを弾性的に支持する弾性部材252と、を含んでもよい。ここで、導電性部材251は、電荷保存部271と電気的に連結されている。

第1基板210と第2帯電体232との間には、少なくとも1つの第1弾性支持部241が設けられ、第2帯電体232と第2基板220の間には、少なくとも1つの第2弾性支持部242が設けられる。第1弾性支持部241は、第2弾性支持部242より小さい弾性係数(modulus of elasticity)を有することができる。

以下では、図10に図示された摩擦電気発電機200の作動メカニズムについて説明する。

図11Aないし図11Hは、摩擦電気発電機200の第1サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。

図11Aは、摩擦電気発電機200に外部の力が作用していない状態を図示したものである。図面において、参照番号261は、第1電極212と第2電極222との間の電子フローを検出するための第1負荷を示し、参照番号262は、接地ユニット250と電荷保存部271との間の電子フローを検出するための第2負荷を示す。

図11Bは、第1帯電体231と第2帯電体232とが接触した状態を図示したものである。図11Bを参照すれば、第1基板210に押す力を加えれば、まず、第1帯電体231と第2帯電体232とが接触する。ここで、第1帯電体231及び第2帯電体232は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体であるので、第1帯電体231の接触面は負電荷に帯電され、第2帯電体232の接触面は正電荷に帯電される。次に、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、図11Cに図示されているように、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が第2電極222側に移動する。

図11Dは第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が接地ユニット250と接触した状態を図示したものである。図11Dを参照すれば、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251と接触する。ここで、導電性部材251は、大地のような電荷保存部271と電気的に連結されている。一方、この状態では、第1帯電体231及び第2帯電体232が互いに電荷平衡をなしているので、第2帯電体232と電荷保存部271との間に電荷移動が行われない。

図11Eは、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が第2電極222と接触した状態を図示したものである。図11Eを参照すれば、第2帯電体232が接地ユニット250の導電性部材251に接触した状態で、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体232は第2電極222と接触する。ここで、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251と接触した状態を維持する。この状態では、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触しており、第2帯電体232が、第2電極222及び接地ユニット250の導電性部材251と接触しているが、電荷平衡をなしているので、第2帯電体232と電荷保存部271との間に電荷移動が行われない。

図11Fは、第2帯電体232と第2電極222とが離隔され、第1帯電体231と第2帯電体232とが離隔された状態を図示したものである。図11Fを参照すれば、第1基板210に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体232は第2電極222から離隔され、第1帯電体231は第2帯電体232から離隔される。ここで、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251とは接触している。この状態で、第2帯電体232内部で電荷平衡をなすために、電荷保存部271から、正電荷帯電体である第2帯電体232に電子が移動することにより、第2負荷262に電流が流れる。また、負電荷帯電体である第1帯電体231の表面にある負電荷が、上部電極である第1電極212に正電荷を誘導し、それによって、第1電極212から第2電極222に電子が移動することにより、第1負荷261に電流が流れる。

第1基板210のリリースが続けば、図11Gに図示されているように、第2帯電体232が接地ユニット250の導電性部材251から離れ、次に、図11Hに図示されているように、摩擦電気発電機200は初期状態に戻る。図11Hに図示された状態では、第1電極212及び第2電極222がそれぞれ正電荷状態及び負電荷状態を維持し、第1帯電体231は負電荷状態を維持する。そして、第2帯電体232は、その内部の正電荷及び負電荷が移動して中性を維持する。

図12Aないし図12Hは、摩擦電気発電機200の第2サイクル作動メカニズムについて説明するための図面である。

図12Aは図11Hと同一状態であり、第1電極212及び第2電極222がそれぞれ正電荷状態及び負電荷状態を維持し、第1帯電体231は負電荷状態を維持している。そして、第2帯電体232は中性を維持している。

図12Bは、第1帯電体231と第2帯電体232とが接触した状態を図示したものである。図12Bを参照すれば、第1基板210に押す力を加えれば、まず、第1基板210と第2帯電体232との間隔が狭まることにより、第1帯電体231と第2帯電体232とが接触する。このように、負電荷に帯電された第1帯電体231が、導電性物質である第2帯電体232と接触すれば、第2帯電体232の接触面(上面)は正電荷に帯電され、第2帯電体232の接触面と反対面(下面)は負電荷に帯電される。

図12Cは、第2帯電体232と第2電極222との間に静電誘導が形成された状態を図示したものである。図12Cを参照すれば、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が第2電極222側に接近することになる。このように、第2帯電体232と第2電極222とが近づいた状態では、第2帯電体232の下面にあった負電荷が静電誘導現象によって、第2電極222に正電荷を誘導する。それによって、第2電極222から第1電極212に電子が移動することにより、第1負荷261には電流が流れる。

図12Dは、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が接地ユニット250と接触した状態を図示したものである。図12Dを参照すれば、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251と接触する。この状態で、第1電極212、第1帯電体231、第2帯電体232及び第2電極222が互いに電荷平衡をなすために、第2帯電体232から電荷保存部271に電子が移動することになり、それによって、第2負荷262には電流が流れる。

図12Eは、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触した状態で、第2帯電体232が第2電極222と接触した状態を図示したものである。図12Eを参照すれば、第2帯電体232が接地ユニット250の導電性部材251に接触した状態で、第1基板210に押す力を持続的に加えれば、第2帯電体232は第2電極222と接触する。ここで、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251と接触した状態を維持する。この状態では、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触しており、第2帯電体232が、第2電極222及び接地ユニット250の導電性部材251と接触しているが、電荷平衡をなしているので、第2帯電体232と電荷保存部271との間に電荷移動が行われない。

図12Fは、第2帯電体232と第2電極222とが離隔され、第1帯電体231と第2帯電体232とが離隔された状態を図示したものである。図12Fを参照すれば、第1基板210に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体232は第2電極222から離隔され、第1帯電体231は第2帯電体232から離隔される。ここで、第2帯電体232は、接地ユニット250の導電性部材251とは接触している。この状態で、第2帯電体232内部で電荷平衡をなすために、電荷保存部271から、正電荷帯電体である第2帯電体232に電子が移動することにより、第2負荷262に電流が流れる。また、負電荷帯電体である第1帯電体231の表面にある負電荷が、上部電極である第1電極212に正電荷を誘導し、それによって、第1電極212から第2電極222に電子が移動することにより、第1負荷261に電流が流れる。

第1基板210のリリースが続けば、図12Gに図示されているように、第2帯電体232が接地ユニット250の導電性部材251から離れ、次に、図12Hに図示されているように、摩擦電気発電機200は初期状態に戻る。図12Hに図示された状態では、図12Aに図示された状態と同様に、第1電極212及び第2電極222がそれぞれ正電荷状態及び負電荷状態を維持し、第1帯電体231は負電荷状態を維持する。そして、第2帯電体232は、その内部の正電荷及び負電荷が移動して中性を維持する。そして、その後、第1基板210に押す力が反復して加えられると、摩擦電気発電機200は、前述の第2サイクルを反復して遂行する。

以上のように、例示的な実施形態による摩擦電気発電機200では、第1基板210を押すことにより、第1電極212と第2電極222との間、及び第2帯電体232と電荷保存部271との間で電気エネルギーを発生させることができる。従って、摩擦電気発電機200に、外部の力を反復して加えれば、電気エネルギーをさらに効率的に得ることができる。

一方、前述のように、第1帯電体231及び第2帯電体232が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。また、電荷保存部271は、大地以外に、導電性部材を含んでもよい。接地ユニット250は、第2帯電体232と電荷保存部271との電気的連結をオン/オフにするスイッチング素子を含んでもよい。また、接地ユニット250は、第2帯電体232と電荷保存部271とを電気的に連結する導電性部材、及び第2帯電体232と電荷保存部271とを電気的に絶縁させる絶縁性部材を含んでもよい。

図13は、さらに他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機300を図示した斜視図である。

図13を参照すれば、摩擦電気発電機300は、第1基板310及び第2基板320と、第1電極312及び第2電極322と、第1電極312の一面に設けられる第1帯電体331と、第1帯電体331と第2電極322との間に設けられる第2帯電体332と、第2帯電体332と電荷保存部371とを断続的に連結する接地ユニット350と、を含む。摩擦電気発電機300は、外部の力が印加されないときは、第1帯電体331、第2帯電体332及び第2電極322が互いに離隔されて分離された状態を維持し、外部の力が印加されたときには、互いに接触する物理的構造またはメカニズムを有する。

第1基板310及び第2基板320は、外部の力によって変形する柔軟性を有する材質を含んでもよい。また、第1基板310及び第2基板320は、外部の力が除去されたときは、本来の状態に戻る復元力を有する材質を含んでもよい。例えば、第1基板310及び第2基板320は、ポリエステル(PE)、ポリエステルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)またはカプトン(Kapton)などを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。かような第1基板310及び第2基板320は、第2帯電体332を挟んで互いに対向して設けられている。例えば、第1基板310は、第2帯電体332の上側に凸状形態を有することができ、第2基板320は、第2帯電体332の下側に凸状形態を有することができる。ここで、第1基板310は、第2基板320よりさらに容易に変形する材質を含んでもよい。これは、摩擦電気発電機300に外部の力が加えられたとき、第1基板310がまず変形するようにするためである。

第1基板310の下面には第1電極312が設けられており、第2基板320の上面には第2電極322が設けられている。第1電極312及び第2電極322は、第1基板310及び第2基板320の変形に対応する柔軟性を有することができる。第1電極312及び第2電極322は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。例えば、第1電極312及び第2電極322は、グラフェン、炭素ナノチューブ、ITO、金属及び伝導性ポリマーからなるグループのうちから選択された少なくとも1つの物質を含んでもよい。ここで、該金属は、例えば、Ag、Al、Cu、Au、Ni、Cr及びPt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が、それらに限定されるものではない。かような第1電極312及び第2電極322は、単層構造、または複数の層構造を有することができる。

第2電極322と対向する第1電極312の下面には、第1帯電体331が設けられている。そして、第1帯電体331と第2電極322との間には、第2帯電体332が設けられている。かような第1帯電体331及び第2帯電体332は、第1基板310及び第2基板320の変形に対応する柔軟性を有することができる。ここで、第1帯電体331は、第1電極312の下面に接触するように設けられている。そして、摩擦電気発電機300に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体332は、第1帯電体331及び第2電極322と離隔されるように設けられている。第1帯電体331及び第2帯電体332は、接触によって互いに異なる極性の電荷に帯電される物質を含んでもよい。

第1帯電体331及び第2帯電体332は、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体331は、第2帯電体332との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。例えば、第1帯電体331は、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルモル、ウール、シルク、マイカまたはナイロンなどを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。そして、第2帯電体332は、第1帯電体331との接触によって、負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。これは、第2帯電体332と電荷保存部371との間で電荷移動が容易に行われるようにするためである。第2帯電体332は、例えば、Al、Cu、Ag、Auまたはスチールなどを含んでもよい。しかし、それらに限定されるものではない。

第1帯電体331及び第2帯電体332は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体331は、第2帯電体332との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。例えば、第1帯電体331は、テフロン(登録商標)(polytetrafluoroethylene)、PDMS(polydimethylsiloxane)、PVC(polyvinylchloride)、カプトン(登録商標)(polyimide)、PP(polypropylene)、PE(polyethylene)またはPS(polystyrene)などを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。そして、第2帯電体332は、第1帯電体331との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。これは、第2帯電体332と電荷保存部371との間で電荷移動が容易に行われるようにするためである。第2帯電体332は、例えば、Al、Cu、Ag、Auまたはスチールなどを含んでもよいが、それらに限定されるものではない。

一方、前述のように、第1帯電体331及び第2帯電体332のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

接地ユニット350は、第2帯電体332と電荷保存部371とを断続的に連結するように設けられている。ここで、電荷保存部371は、例えば、大地または導電性部材にもなる。それによって、接地ユニット350は、第2帯電体332の動きによって、第2帯電体332と電荷保存部371とを断続的に連結することができる。具体的には、第2帯電体332が第2電極322側に移動し、第2帯電体332が接地ユニット350に接触すれば、第2帯電体332は、電荷保存部371と電気的に連結される。また、第2帯電体332が第2電極322から遠くなり、第2帯電体332が接地ユニット350と離れれば、第2帯電体332は、電荷保存部371と絶縁される。かような機能を具現することができる接地ユニット350の例示は説明したので、接地ユニット350に係わる詳細な説明は省略する。

図14Aないし図14Eは、図13に図示された摩擦電気発電機300が作動する様子を図示した図面である。

図14Aは、摩擦電気発電機300が変形されていない初期状態の様子を図示したものである。そして、14Bに図示されているように、第1基板310に押す力を加えれば、上部基板である第1基板310の少なくとも一部が、まず、第2帯電体332側に動きながら変形する。この過程において、第1帯電体331は、第2帯電体332と接触することができる。

図14Cを参照すれば、第1基板310を持続的に押せば、第1帯電体331が第2帯電体332と接触した状態で、第2帯電体332は、第2電極322側に動きながら変形する。この過程で、第2帯電体332は、接地ユニット350と接触することができる。次に、図14Dを参照すれば、第1基板310をさらに押せば、第1帯電体331及び第2帯電体332が接触した状態で、第2帯電体332は、第2電極322と接触する。この状態で、第2帯電体332は接地ユニット350と接触した状態を維持する。

次に、図14Eを参照すれば、第1基板310に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体332は第2電極322から離れ、第1帯電体331は第2帯電体332から離れる。そして、第1基板310のリリース状態が持続されれば、図14Aに図示されているような初期状態に戻る。

かような摩擦電気発電機300の作動によって電気エネルギーが発生するメカニズムは、前述の実施形態で詳細に説明したので、それについての説明は省略する。一方、第1帯電体331及び第2帯電体332が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。このように、摩擦電気発電機300を、柔軟性を有する材質から構成することにより、電気エネルギーを効率的に得ることができる。

図15は、さらに他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機400を図示した断面図である。

図15を参照すれば、摩擦電気発電機400は、第1基板410及び第2基板420と、第1電極412及び第2電極422と、第1電極412の一面に設けられる第1帯電体431と、第1帯電体431と第2電極422との間に設けられる第2帯電体432と、第2帯電体432と電荷保存部471とを断続的に連結する接地ユニット450と、を含む。そして、第1基板410と第2帯電体432との間には、第1支持部441が設けられており、第2帯電体432と第2基板420との間には、第2支持部442が設けられている。

第1基板410及び第2基板420は、外部の力によって変形する柔軟性(flexibility)を有すると共に、伸びたり縮んだりする伸縮性(stretchability)を有する材質を含んでもよい。第1基板410の下面には第1電極412が設けられており、第2基板420の上面には第2電極422が設けられている。第1電極412及び第2電極422は、第1基板410及び第2基板420に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。第1電極412及び第2電極422は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。

第2電極422と対向する第1電極412の下面には、第1帯電体431が設けられている。そして、第1帯電体431と第2電極422との間には、第2帯電体432が設けられている。かような第1帯電体431及び第2帯電体432は、第1基板410及び第2基板420に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。ここで、第1帯電体431は、第1電極412の下面に接触するように設けられている。そして、摩擦電気発電機400に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体432は、第1帯電体431及び第2電極422と離隔されるように設けられている。ここで、第1帯電体431及び第2帯電体432は、接触によって互いに異なる極性の電荷に帯電される物質を含んでもよい。

第1帯電体431及び第2帯電体432は、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体431は、第2帯電体432との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体432は、第1帯電体431との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。代案として(alternatively)、第1帯電体431及び第2帯電体432は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体431は、第2帯電体432との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体432は、第1帯電体431との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。一方、前述のように、第1帯電体431及び第2帯電体432のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

接地ユニット450は、第2帯電体432と電荷保存部471とを断続的に連結するように設けられている。ここで、電荷保存部471は、例えば、大地または導電性部材にもなる。それによって、接地ユニット450は、第2帯電体432の動きによって、第2帯電体432と電荷保存部471とを断続的に連結することができる。具体的には、第2帯電体432が第2電極422側に移動し、第2帯電体432が接地ユニット450に接触すれば、第2帯電体432は、電荷保存部471と電気的に連結される。また、第2帯電体432が第2電極422から遠くなり、第2帯電体432が接地ユニット450と離れれば、第2帯電体432は電荷保存部471と絶縁される。かような機能を具現することができる接地ユニット450の例示は説明したので、接地ユニット450に係わる詳細な説明は省略する。

第1支持部441は、第1基板410と第2帯電体432との間のエッジ両側にそれぞれ設けられる。そして、第2支持部442は、第2基板420と第2帯電体432との間のエッジ両側にそれぞれ設けられる。かような第1支持部441及び第2支持部442は、外部の力によって容易に変形されない硬質材質を含んでもよい。

図16Aないし図16Dは、図15に図示された摩擦電気発電機400が作動する様子を図示した図面である。

図16Aに図示されているように、第1基板410に押す力を加えれば、上部基板である第1基板410の少なくとも一部が伸びながら変形され、第2帯電体432側に動く。この過程において、第1帯電体431は、第2帯電体432と接触することができる。そして、図16Bを参照すれば、第1基板410を持続的に押せば、第1帯電体431が第2帯電体432と接触した状態で、第2帯電体432は伸びながら変形され、第2電極422側に動く。この過程において、第2帯電体432は接地ユニット450と接触することができる。

図16Cを参照すれば、第1基板410をさらに押せば、第1帯電体431及び第2帯電体432が接触した状態で、第2帯電体432はさらに伸びながら変形され、第2電極422と接触する。この状態で、第2帯電体432は、接地ユニット450と接触した状態を維持する。次に、図16Dに図示されているように、第1基板410に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体432は第2電極422から離れ、第1帯電体431は第2帯電体432から離れる。そして、第1基板410のリリース状態が持続されれば、摩擦電気発電機400は、外部の力が加えられていない初期状態に戻る。

かような摩擦電気発電機400の作動によって、電気エネルギーが発生するメカニズムは前述の実施形態で詳細に説明したので、それについての説明は省略する。一方、前述のように、第1帯電体431及び第2帯電体432が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。このように、摩擦電気発電機400を、柔軟性及び伸縮性を有する材質で構成することにより、電気エネルギーを効率的に得ることができる。

図17は、さらに他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機500を図示した断面図である。

図17を参照すれば、摩擦電気発電機500は、第1基板510及び第2基板520と、第1電極512及び第2電極522と、第1電極512の一面に設けられる第1帯電体531と、第1帯電体531と第2電極522との間に設けられる第2帯電体532と、第2帯電体532と電荷保存部571とを断続的に連結する接地ユニット550と、を含む。そして、第1基板510と第2帯電体532との間には、第1支持部541が設けられており、第2帯電体532と第2基板520との間には、第2支持部542が設けられている。

第1基板510及び第2基板520は、外部の力によって変形する柔軟性を有すると共に、伸びたり縮んだりする伸縮性を有する材質を含んでもよい。第1基板510の下面には第1電極512が設けられており、第2基板520の上面には第2電極522が設けられている。第1電極512及び第2電極522は、第1基板510及び第2基板520に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。第1電極512及び第2電極522は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。

第2電極522と対向する第1電極512の下面には、第1帯電体531が設けられている。そして、第1帯電体531と第2電極522との間には、第2帯電体532が設けられている。かような第1帯電体531及び第2帯電体532は、第1基板510及び第2基板520に対応する柔軟性及び伸縮性を有することができる。ここで、第1帯電体531は、第1電極512の下面に接触するように設けられている。そして、摩擦電気発電機500に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体532は、第1帯電体531及び第2電極522と離隔されるように設けられている。ここで、第1帯電体531及び第2帯電体532は、接触によって、互いに異なる極性の電荷に帯電される物質を含んでもよい。

第1帯電体531及び第2帯電体532は、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体531は、第2帯電体532との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体532は、第1帯電体531との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。代案として、第1帯電体531及び第2帯電体532は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体531は、第2帯電体532との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体532は、第1帯電体531との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。一方、前述のように、第1帯電体531及び第2帯電体532のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

接地ユニット550は、第2帯電体532と電荷保存部571とを断続的に連結するように設けられている。ここで、電荷保存部571は、例えば、大地または導電性部材にもなる。それによって、接地ユニット550は、第2帯電体532の動きによって、第2帯電体532と電荷保存部571とを断続的に連結することができる。具体的には、第2帯電体532が第2電極522側に移動し、第2帯電体532が接地ユニット550に接触すれば、第2帯電体532は、電荷保存部571と電気的に連結される。また、第2帯電体532が第2電極522から遠くなり、第2帯電体532が接地ユニット550と離れれば、第2帯電体532は、電荷保存部571と絶縁される。かような機能を具現することができる接地ユニット550の例示は説明したので、接地ユニット550に係わる詳細な説明は省略する。

第1支持部541は、第1基板510と第2帯電体532との間のエッジの一側に設けられ、第2支持部542は、第2基板520と第2帯電体532との間のエッジの一側に設けられる。ここで、第1支持部541は、第2支持部542の上部に位置することができる。かような第1支持部541及び第2支持部542は、外部の力によって変形されにくい硬質材質を含んでもよい。

図18Aないし図18Dは、図17に図示された摩擦電気発電機500が作動する様子を図示した図面である。

図18Aに図示されているように、第1支持部541及び第2支持部542によって支持されない第1基板510の一端部に押す力を加えれば、第1基板510は、伸びながら変形され、第2帯電体532側に動く。この過程において、第1帯電体531は、第2帯電体532と接触することができる。そして、図18Bを参照すれば、第1基板510の一端部を持続的に押せば、第1帯電体531が第2帯電体532と接触した状態で、第2帯電体532の一端部は、伸びながら変形され、第2電極522側に動く。この過程において、第2帯電体532は、接地ユニット550と接触することができる。

図18Cを参照すれば、第1基板510の一端部をさらに押せば、第1帯電体531及び第2帯電体532が接触した状態で、第2帯電体532は、さらに伸びながら変形され、第2電極522と接触する。この状態で、第2帯電体532は、接地ユニット550と接触した状態を維持する。次に、図18Dに図示されているように、第1基板510に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体532は第2電極522から離れ、第1帯電体531は第2帯電体532から離れる。そして、第1基板510のリリース状態が持続されれば、摩擦電気発電機500は、外部の力が加えられていない初期状態に戻る。

かような摩擦電気発電機500の作動によって電気エネルギーが発生するメカニズムは、前述の実施形態で詳細に説明したので、それについての説明は省略する。一方、前述のように、第1帯電体531及び第2帯電体532が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。

図19は、さらに他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機600を図示した断面図である。

図19を参照すれば、摩擦電気発電機600は、第1基板610及び第2基板620と、第1電極612及び第2電極622と、第1電極612の一面に設けられる第1帯電体631と、第1帯電体631と第2電極622との間に設けられる第2帯電体632と、第2帯電体632と電荷保存部671とを断続的に連結する接地ユニット650と、を含む。

第1基板610は球形態を有することができ、第2基板620は、第1基板610を覆い包む球形態を有することができる。そして、第1基板610の外面には第1電極612が設けられており、第2基板620の内面には第2電極622が設けられている。かような第1電極612及び第2電極622は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。

第1電極612の外面には第1帯電体631が設けられており、第1帯電体631と第2電極622との間には第2帯電体632が設けられている。ここで、第1帯電体631は、第1電極612の外面に接触するように設けられており、摩擦電気発電機600に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体632は、第1帯電体631及び第2電極622と離隔されるように設けられている。第1帯電体631及び第2帯電体632は、接触によって、互いに異なる極性の電荷に帯電される物質を含んでもよい。

第1帯電体631及び第2帯電体632は、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体631は、第2帯電体632との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体632は、第1帯電体631との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。代案として、第1帯電体631及び第2帯電体632は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体631は、第2帯電体632との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体632は、第1帯電体631との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。一方、前述のように、第1帯電体631及び第2帯電体632のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

第1帯電体631と第2帯電体632との間には、弾性支持部640が設けられている。かような弾性支持部640は、例えば、第1帯電体631と第2帯電体632との間に設けられるスプリングにもなるが、それに限定されるものではない。図19には、第1帯電体631の上部に弾性支持部が設けられている場合が例示的に図示されている。そして、第1帯電体631には、ストリング(string)660が連結されており、該ストリング660は、第2帯電体632、第2電極622及び第2基板620を貫いて外部に露出されるように設けられている。図19には、第1帯電体631の下部にストリング660が設けられている場合が例示的に図示されている。

接地ユニット650は、第2帯電体632と電荷保存部671とを断続的に連結するように設けられている。ここで、電荷保存部671は、例えば、大地または導電性部材にもなる。それによって、接地ユニット650は、第2帯電体632の動きによって、第2帯電体632と電荷保存部671とを断続的に連結することができる。具体的には、第2帯電体632が第2電極622側に移動し、第2帯電体632が接地ユニット650に接触すれば、第2帯電体632は、電荷保存部671と電気的に連結される。また、第2帯電体632が第2電極622から遠くなり、第2帯電体632が接地ユニット650と離れれば、第2帯電体632は電荷保存部671と絶縁される。かような機能を具現することができる接地ユニット650の例示は説明したので、接地ユニット650に係わる詳細な説明は省略する。

図20Aないし図20Dは、図19に図示された摩擦電気発電機600が作動する様子を図示した図面である。

図20Aに図示されているように、ストリング660を下側に引っ張れば、第1基板610、第1電極612及び第1帯電体631が下側に動く。この過程において、第1帯電体631は、第2帯電体632と接触することができる。そして、図20Bを参照すれば、ストリング660を続けて引っ張れば、第1帯電体631が第2帯電体632と接触した状態で、第2帯電体632は第2電極622側に動く。この過程において、第2帯電体632は、接地ユニット650と接触することができる。

図20Cを参照すれば、ストリング660をさらに引っ張れば、第1帯電体631及び第2帯電体632が接触した状態で、第2帯電体632は下側に移動し、第2電極622と接触する。この状態で、第2帯電体632は、接地ユニット650と接触した状態を維持する。次に、図20Dに図示されているように、ストリング660に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体632は第2電極622から離れ、第1帯電体631は第2帯電体632から離れる。そして、リリース状態が持続されれば、摩擦電気発電機600は、外部の力が加えられていない初期状態に戻る。

かような摩擦電気発電機600の作動によって電気エネルギーが発生するメカニズムは、前述の実施形態で詳細に説明したので、それについての説明は省略する。一方、前述のように、第1帯電体631及び第2帯電体632が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。

図21は、さらに他の例示的な実施形態による摩擦電気発電機700を図示した断面図である。

図21を参照すれば、摩擦電気発電機700は、第1基板710及び第2基板720と、第1電極712及び第2電極722と、第1電極712の一面に設けられる第1帯電体731と、第1帯電体731と第2電極722との間に設けられる第2帯電体732と、第2帯電体732と電荷保存部771とを断続的に連結する接地ユニット750と、を含む。第1基板710及び第2基板720は平坦な構造を有し、硬質材質または柔軟な材質を含んでもよい。そして、第1基板710の下面には第1電極712が設けられており、第2基板720の上面には第2電極722が設けられている。第1電極712及び第2電極722は、電気伝導性にすぐれる物質を含んでもよい。

第1電極712の下面には第1帯電体731が設けられており、第1帯電体731と第2電極722との間には、第2帯電体732が設けられている。ここで、第1帯電体731は、第1電極712の下面に接触するように設けられている。そして、摩擦電気発電機700に外部の力が加えられていない状態では、第2帯電体732は、第1帯電体731及び第2電極722と離隔されるように設けられている。ここで、第1帯電体731及び第2帯電体732は、接触によって互いに異なる極性の電荷に帯電される物質を含んでもよい。

第1帯電体731及び第2帯電体732は、それぞれ正電荷帯電体及び負電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体731は、第2帯電体732との接触によって正電荷に帯電されるものであり電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体732は、第1帯電体731との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。代案として、第1帯電体731及び第2帯電体732は、それぞれ負電荷帯電体及び正電荷帯電体にもなる。その場合、第1帯電体731は、第2帯電体732との接触によって負電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が低い物質を含んでもよい。そして、第2帯電体732は、第1帯電体731との接触によって正電荷に帯電されるものであり、電気伝導度が高い導電性物質を含んでもよい。一方、前述のように、第1帯電体731及び第2帯電体732のうち少なくとも一つは、その表面の帯電特性を調節するために、前述のように、p型ドーパントまたはn型ドーパントによってドーピングされる。

接地ユニット750は、第2帯電体732と電荷保存部771とを断続的に連結するように設けられている。ここで、電荷保存部771は、例えば、大地または導電性部材にもなる。それによって、接地ユニット750は、第2帯電体732の動きによって、第2帯電体732と電荷保存部771とを断続的に連結することができる。具体的には、第2帯電体732が第2電極722側に移動し、第2帯電体732が接地ユニット750に接触すれば、第2帯電体732は、電荷保存部771と電気的に連結される。また、第2帯電体732が第2電極722から遠くなり、第2帯電体732が接地ユニット750と離れれば、第2帯電体732は、電荷保存部771と絶縁される。かような機能を具現することができる接地ユニット750の例示は説明したので、接地ユニット750に係わる詳細な説明は省略する。

第2帯電体732の上面には、第1基板710、第1電極712及び第1帯電体731の上下移動を案内するガイド部材790が設けられる。かようなガイド部材790は、第2帯電体732上のエッジ両側にそれぞれ設けられる。そして、第2帯電体732と第2基板720との間には、弾性支持部740が設けられる。かような弾性支持部740は、第2帯電体732と第2基板720との間のエッジ両側にそれぞれ設けられる。

図22Aないし図22Dは、図21に図示された摩擦電気発電機700が作動する様子を図示した図面である。

図22Aに図示されているように、第1基板710に押す力を加えれば、第1基板710は、第2帯電体732側に動く。この過程において、第1帯電体731は、第2帯電体732と接触することができる。そして、図22Bを参照すれば、第1基板710を持続的に押せば、第1帯電体731が第2帯電体732と接触した状態で、第2帯電体732は、第2電極722側に動く。この過程において、第2帯電体732は、接地ユニット750と接触することができる。

図22Cを参照すれば、第1基板710をさらに押せば、第1帯電体731及び第2帯電体732が接触した状態で、第2帯電体732は、第2電極722と接触する。この状態で、第2帯電体732は、接地ユニット750と接触した状態を維持する。次に、図22Dに図示されているように、第1基板710に加えられた力がリリースされれば、第2帯電体732は第2電極722から離れ、第1帯電体731は第2帯電体732から離れる。そして、第1基板710のリリース状態が持続されれば、摩擦電気発電機700は、外部の力が加えられていない初期状態に戻る。

かような摩擦電気発電機700の作動によって電気エネルギーが発生するメカニズムは、前述の実施形態で詳細に説明したので、それについての説明は省略する。一方、第1帯電体731及び第2帯電体732が接触する表面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されてもよい。

以上で説明したように、接触によって互いに異なる極性を帯電される2個の帯電体を設け、該帯電体のうちいずれか一つを、接地ユニットを介して大地のような電荷保存部と断続的に連結させることにより、電気エネルギーをさらに効率的に得ることができる摩擦電気発電機を具現することができる。

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

100,200,300,400,500,600,700 摩擦電気発電機
110,210,310,410,510,610,710 第1基板
120,220,320,420,520,620,720 第2基板
112,212,312,412,512,612,712 第1電極
122,222,322,422,522,622,722 第2電極
131,231,331,431,531,631,731 第1帯電体
132,232,332,432,532,632,732 第2帯電体
141,241 第1弾性支持部
142,242 第2弾性支持部
150,180,190,250,350,450,550,650,750 接地ユニット
151,251 導電性部材
152,252 弾性部材
161,261 第1負荷
162,262 第2負荷
171,172,271,371,471,571,671,771 電荷保存部
441,541 第1支持部
442,542 第2支持部
640,740 弾性支持部
660 ストリング

Claims (19)

  1. 互いに離隔されるように設けられる第1電極及び第2電極と、
    前記第2電極と対向する前記第1電極の一面に設けられるものであり、接触によって、正電荷に帯電される第1帯電体と、
    前記第1帯電体と前記第2電極との間に設けられるものであり、前記第1帯電体との接触によって、負電荷に帯電される第2帯電体と、
    前記第2帯電体の動きにより、前記第2帯電体と電荷保存部とを断続的に連結する接地ユニットと、を含む、摩擦電気発電機。
  2. 前記第1帯電体は、前記第1電極の一面と接触するように設けられ、前記第2帯電体は、前記第1帯電体及び前記第2電極と離隔されるように設けられることを特徴とする、請求項1に記載の摩擦電気発電機。
  3. 前記第1電極と前記第2電極との間に圧力が加えられると、前記第1帯電体と前記第2帯電体とがまず接触した後、前記第2帯電体と前記第2電極とが接触することを特徴とする、請求項2に記載の摩擦電気発電機。
  4. 前記第2帯電体が、前記第2電極側に動く過程において、前記第2帯電体は、前記接地ユニットを介して前記電荷保存部と電気的に連結されることを特徴とする、請求項3に記載の摩擦電気発電機。
  5. 前記第1帯電体と前記第2帯電体との間に設けられる第1弾性支持部と、
    前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられる第2弾性支持部と、をさらに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。
  6. 前記第1弾性支持部は、前記第2弾性支持部より小さい弾性係数を有することを特徴とする、請求項5に記載の摩擦電気発電機。
  7. 前記第1帯電体は、ポリホルムアルデヒド、エチルセルロース、ポリアミド、メラミンホルモル、ウール、シルク、マイカ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2に記載の摩擦電気発電機。
  8. 前記第2帯電体は導電性物質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。
  9. 前記第2帯電体は、Al、Cu、Ag、Au及びスチール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8に記載の摩擦電気発電機。
  10. 前記第1帯電体及び第2帯電体のうち少なくとも一つは、帯電特性を調節するためのドーパントによってドーピングされていることを特徴とする、請求項1に記載の摩擦電気発電機。
  11. 前記第1帯電体の接触面、及び前記第2帯電体の接触面のうち少なくとも一つには、複数の突起部が形成されていることを特徴とする、請求項1に記載の摩擦電気発電機。
  12. 前記第1電極及び第2電極は、グラフェン、炭素ナノチューブ(CNT)、ITO(indium tin oxide)、金属及び伝導性ポリマー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に記載の摩擦電気発電機。
  13. 前記第1電極及び第2電極はそれぞれ第1基板及び第2基板に設けられることを特徴とする、請求項1に記載の摩擦電気発電機。
  14. 前記第1基板及び第2基板は硬質材質または柔軟な材質を含むことを特徴とする、請求項13に記載の摩擦電気発電機。
  15. 前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記第2電極との間に設けられ、前記第2帯電体と断続的に接触する導電性部材と、前記導電性部材を弾性的に支持する弾性部材と、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。
  16. 前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを断続的に連結するスイッチング素子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。
  17. 前記接地ユニットは、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを電気的に連結する導電性部材と、前記第2帯電体と前記電荷保存部とを絶縁させる絶縁性部材と、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。
  18. 前記電荷保存部は大地または導電性部材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。
  19. 前記導電性部材は金属フィルムを含むことを特徴とする、請求項18に記載の摩擦電気発電機。
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