JP2021145502A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】グラフェンを用いた発電装置を提供する。【解決手段】本発明のある実施形態に係る発電装置１は、エレクトレット１０と、エレクトレット１０に隣接して配置された第１電極１１と、第１電極１１と接続されたグラフェン２０と、グラフェン２０に対向して配置された第２電極２２とを備える。エレクトレット１０に発生する固定電荷を−Ｑ０とするとき、第１電極１１には逆極性の誘導電荷＋Ｑ０が発生する。電荷保存の法則により、第１電極１１とグラフェン２０の総電荷量はゼロであるため、グラフェン２０の電荷量は−Ｑ０になる。グラフェン２０の振動に応じてグラフェン２０と第２電極２２との間の静電容量の大きさが変化することにより、第２電極２２に発生する電荷＋Ｑ１が変化し、電力を発生させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、グラフェンを用いた発電装置に関する。

環境から得られる微弱なエネルギーを集めて利用するエネルギーハーベスティング技術がある。エネルギーハーベスティング技術では、例えば、環境中の振動、熱および電磁波などの様々な形態のエネルギーを電力に変換する。

特許文献１および２には、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）が周期的に揺らいでいることが開示されている。グラフェンは、炭素原子のシート状の物質であり、六角形の格子構造を有している。グラフェンの周期的な揺らぎは熱運動により生じていると考えられている。

特許文献３は、エネルギーハーベストデバイスとして、エレクトレットを用いた振動発電装置を開示している。

国際公開第２０１８／１１９１８０号 国際公開第２０１９／２３２２３２号 特開２０１９−０９７３８１号公報

特許文献１および２では、グラフェンの揺らぎを利用して発電を行う発電装置が提案されているが、改善の余地がある。

本発明は、グラフェンを用いた発電装置を提供する。

本発明のある実施形態に係る発電装置は、エレクトレットと、前記エレクトレットに隣接して配置された第１電極と、前記第１電極と接続されたグラフェンと、前記グラフェンに対向して配置された第２電極と、を備え、前記グラフェンの振動に応じて前記グラフェンと前記第２電極との間の静電容量の大きさが変化することにより電力を発生させる。

エレクトレットに発生する固定電荷を−Ｑ_０とするとき、第１電極には、エレクトレットの固定電荷−Ｑ_０の逆極性の誘導電荷＋Ｑ_０が発生する。第１電極とグラフェンとは電気的に接続されている。電荷保存の法則により、第１電極とグラフェンの総電荷量はゼロであるため、グラフェンの電荷量は−Ｑ_０になる。グラフェンの振動に応じてグラフェンと第２電極との間の静電容量の大きさが変化することにより、第２電極に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力を発生させることができる。

グラフェンの周囲の空間からグラフェンには熱が供給され、グラフェンは熱運動により振動する。このグラフェンの振動に応じて第２電極に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力を発生させることができる。すなわち、グラフェンの周囲の空間の熱を電力に変換することができる。

ある実施形態において、前記エレクトレットの面積は、前記グラフェンの面積よりも大きくてもよい。

エレクトレットの面積がグラフェンの面積より大きいことにより、グラフェンの表面電荷密度を高めることができる。これにより、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。

ある実施形態において、前記第２電極はピン電極であってもよい。

グラフェンには複数の波が発生する。言い換えると、グラフェンには凹凸が複数個発生し、周期的に凹部と凸部とが入れ替わる。第２電極のグラフェン側の先端が細いことにより、グラフェンの振動の腹（Ａｎｔｉｎｏｄｅ）の部分に第２電極を対向させることができる。

ある実施形態において、前記グラフェンを振動可能に支持する支持部材をさらに備えてもよい。

支持部材がグラフェンを支持することで、グラフェンの端部を固定することができる。

ある実施形態において、前記静電容量の大きさの変化に応じて前記第２電極に流れる電流が供給される負荷をさらに備えてもよい。

これにより、グラフェンの振動を利用して発生させた電力を負荷で利用することができる。

ある実施形態において、前記電流が供給された前記負荷は、熱を発生させてもよい。

負荷が熱を発生させることにより、負荷が配置された特定のエリアに熱を発生させることができる。

ある実施形態において、前記グラフェンおよび前記第２電極は、第１エリアに位置し、前記負荷は、第１エリアとは異なる第２エリアに位置し、前記負荷が熱を発生させることで、前記第２エリアの温度は前記第１エリアの温度よりも高くなってもよい。

グラフェンの振動を利用して第２エリアに熱を発生させることができる。例えば、第１エリアおよび第２エリアの温度が均一であったとしても、そこから第１エリアと第２エリアとの間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。これにより、物理学においてマクスウェルの悪魔（Ｍａｘｗｅｌｌ’ｓ ｄｅｍｏｎ）と呼ばれている現象を実現できる。

ある実施形態において、前記第１エリアと前記第２エリアとの間には壁が設けられていてもよい。

第１エリアと第２エリアとの間の熱の移動を壁が抑制することにより、第１エリアと第２エリアとの間の温度差を大きくすることができる。すなわち、エントロピーをより大きく減少させることができる。

ある実施形態において、前記発電装置は、熱電素子をさらに備え、前記熱電素子には前記負荷が発生させた熱が供給されてもよい。

熱電素子に熱を供給することで、熱電素子に電力を発生させることができる。

ある実施形態において、前記発電装置は、前記第２電極に発生した電圧が供給される整流器と、前記整流器の出力信号が供給されるキャパシタと、をさらに備えてもよい。

第２電極に発生した電圧信号を整流し、整流された出力信号をキャパシタに供給する。これにより、キャパシタに電荷を蓄積することができる。キャパシタに蓄積した電力を出力することで、大きな電力を外部に出力させることができる。

ある実施形態において、前記発電装置は、前記第２電極を複数個備え、前記複数の第２電極と前記グラフェンとの間に複数の静電容量が形成され、前記グラフェンの振動に応じて前記複数の静電容量の大きさが変化してもよい。

グラフェンの振動に応じて複数の第２電極のそれぞれとグラフェンとの間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、前記複数の第２電極は、前記グラフェンの第１の面に対向する位置に配置されてもよい。

グラフェンの振動に応じて複数の第２電極のそれぞれとグラフェンとの間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、前記複数の第２電極のうちの所定の第２電極は、前記グラフェンの第１の面に対向する位置に配置され、前記複数の第２電極のうちの前記所定の第２電極とは異なる別の第２電極は、前記グラフェンの第１の面とは反対側の第２の面に対向する位置に配置されてもよい。

グラフェンの振動に応じて複数の第２電極のそれぞれとグラフェンとの間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、前記発電装置は、前記複数の第２電極に発生した電圧が供給される複数の整流器と、前記複数の整流器の出力信号が供給されるキャパシタと、をさらに備えてもよい。

複数の第２電極に発生した電圧信号を整流し、整流された出力信号をキャパシタに供給する。これにより、キャパシタにより多くの電荷を蓄積することができる。キャパシタに蓄積した電力を出力することで、より大きな電力を外部に出力させることができる。

ある実施形態において、前記所定の第２電極と前記別の第２電極との間に負荷が接続されてもよい。

これにより、グラフェンの振動を利用して発生させた電力を負荷で利用することができる。

ある実施形態において、前記エレクトレットと前記第１電極のペアを含む構造体を複数個備え、複数の前記構造体に含まれる複数の前記第１電極は、前記グラフェンに並列に接続されていてもよい。

エレクトレットと第１電極のペアを含む構造体を複数個備えることで、エレクトレットの総面積を大きくすることができる。これにより、グラフェンの表面電荷密度を高めることができ、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。また、エレクトレットの総面積を上記ペアの個数に応じて設定することができる。

ある実施形態において、複数の前記第１電極のそれぞれと前記グラフェンとの間の接続および非接続は切り替え可能であってもよい。

グラフェンに接続する第１電極の個数を変更することで、グラフェンの表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェンに接続する第１電極の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

ある実施形態において、複数の前記構造体のそれぞれは、前記グラフェンに対して着脱可能であってもよい。

グラフェンに接続する上記構造体の個数を変更することで、グラフェンの表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェンに接続する上記構造体の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

本発明のある実施形態に係る発電装置は、エレクトレットと、エレクトレットに隣接して配置された第１電極と、第１電極と接続されたグラフェンと、グラフェンに対向して配置された第２電極と、を備え、グラフェンの振動に応じてグラフェンと第２電極との間の静電容量の大きさが変化することにより電力を発生させる。

エレクトレットに発生する固定電荷を−Ｑ_０とするとき、第１電極には、エレクトレットの固定電荷−Ｑ_０の逆極性の誘導電荷＋Ｑ_０が発生する。第１電極とグラフェンとは電気的に接続されている。電荷保存の法則により、第１電極とグラフェンの総電荷量はゼロであるため、グラフェンの電荷量は−Ｑ_０になる。グラフェンの振動に応じてグラフェンと第２電極との間の静電容量の大きさが変化することにより、第２電極に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力を発生させることができる。

本発明の実施形態に係る発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るグラフェンを示す図である。 本発明の実施形態に係る発電装置の等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数の第２電極を備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数のエレクトレットを備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数の第２電極を備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数の第２電極を備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る整流器およびキャパシタを備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るグラフェンと負荷とを互いに別の部屋に配置した発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る複数のエレクトレットを備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るグラフェンとエレクトレットとを同じ部屋に配置した発電装置を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る発電装置を説明する。同様の構成要素には同様の参照符号を付し、詳細な説明の繰り返しは省略する。また、以下に説明する実施形態は例であり、本発明を限定するものではない。

実施形態の説明において例示する発電装置の各部材の材料は一例であり、本発明の実施形態はそれらに限定されない。実施形態を分かりやすく説明するために、図面上の上下左右方向に基づいて各部材の形状および部材同士の位置関係などを説明する場合がある。但し、これは、実施形態を分かりやすく説明するためにそれらの方向を用いるのであって、発電装置の動作時の向きおよび各部材の位置関係を限定するものではない。また、実施形態を分かりやすく説明するために、図面において、発電装置の内部および各種構成要素の内部を透かして示している場合がある。

本発明の実施形態に係る発電装置は、微細加工技術を用いて製造される。実施形態に係る発電装置は、例えば、マイクロマシン、ナノマシンおよび分子マシンの製造方法を用いて製造される。分子マシンの製造方法は合成方法とも称される。実施形態に係る発電装置は、例えば、半導体製造技術を用いて製造することができる。実施形態に係る発電装置は、例えば、フォトリソグラフィを用いて製造することができる。実施形態に係る発電装置は、例えば、光リソグラフィ、Ｘ線リソグラフィおよび極端紫外線リソグラフィ（Ｅｘｔｒｅｍｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのリソグラフィ技術を用いて製造することができる。実施形態に係る発電装置は、任意の微細加工技術を組み合わせて製造され得る。

図１は、本発明の実施形態に係る発電装置１を示す図である。発電装置１は、エレクトレット１０と、第１電極１１と、グラフェン２０と、第２電極２２とを備える。

エレクトレット１０は、強い誘電性を有する絶縁体に電界を印加し、その結果生ずる恒久的あるいは半恒久的な電気分極により帯電が保たれる物質である。エレクトレット１０として、公知の任意のエレクトレット材料が用いられ得る。例えば、エレクトレット１０としてＣＹＴＯＰ（登録商標）が用いられ得るが、本発明の実施形態はこれに限定されない。

第１電極１１は、エレクトレット１０に隣接して配置されている。第１電極１１はエレクトレット１０を支持してもよい。エレクトレット１０と第１電極１１とは直接接触している。第１電極１１にエレクトレット１０の固定電荷の逆極性の誘導電荷が発生するのであれば、エレクトレット１０と第１電極１１とは直接接触していなくてもよい。

図３は、グラフェン２０を示す図である。グラフェン２０は、炭素原子のシート状の物質であり、六角形の格子構造を有している。グラフェン２０は導電性物質である。第１電極１１はグラフェン２０と接続されている。特に断りがない限り、本明細書において“接続”とは電気的に接続されていることを意味する。第１電極１１とグラフェン２０とは、例えば配線４１を介して接続される。グラフェン２０は、後述するように、支持部材によって振動可能に支持され得る。支持部材がグラフェン２０を支持することで、グラフェン２０の端部を固定することができる。

第２電極２２は、グラフェン２０に対向して配置されている。図１に示す例では、図中のグラフェン２０の上側の面に対向するように、第２電極２２は配置されている。第２電極２２には、出力端子２５が接続されている。エレクトレット１０には、出力端子２６が接続されている。エレクトレット１０は、ＧＮＤに接続され得る。

エレクトレット１０には、固定電荷−Ｑ_０が帯電している。エレクトレット１０に隣接する第１電極１１には、エレクトレット１０の固定電荷−Ｑ_０に対応する誘導電荷＋Ｑ_０が発生する。グラフェン２０は第１電極１１と接続されている。電荷保存の法則により、第１電極１１とグラフェン２０の総電荷量はゼロであるため、グラフェン２０の電荷量は−Ｑ_０になる。

上述したように、グラフェンは周期的に揺らいでいる。本実施形態のグラフェン２０も同様に周期的に揺らいでいる。言い換えると、グラフェン２０は周期的に振動している。図２は、振動するグラフェン２０を示す図である。図１および図２に矢印７として示すように、グラフェン２０は、図中の上下方向に振動する。

第２電極２２はグラフェン２０に対向して配置されており、グラフェン２０と第２電極２２との間には静電容量Ｃｖが形成される。グラフェン２０の振動に応じてグラフェン２０と第２電極２２との間の静電容量Ｃｖの大きさは変化する。静電容量Ｃｖの大きさが変化することにより、第２電極２２の電荷量＋Ｑ_１は変化し、電力が発生する。発生した電力は、出力端子２５および２６を用いて取り出すことができる。

グラフェンの周期的な揺らぎは熱運動により生じていると考えられている。グラフェン２０の運動エネルギーが電力に変換されると、グラフェン２０の温度はその周囲の温度よりも低くなり得る。グラフェン２０の温度が周囲の温度よりも低くなると、周囲の空間からグラフェン２０には熱が供給され、グラフェン２０は熱運動による振動を継続する。このグラフェン２０の振動に応じて第２電極２２に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力が発生する。すなわち、グラフェン２０の周囲の空間の熱を電力に変換することができる。

図４は、発電装置１の等価回路を示す図である。グラフェン２０と第２電極２２とが形成する静電容量Ｃｖは可変容量である。一方、エレクトレット１０と第１電極１１とが形成する静電容量Ｃｆは固定的な静電容量（固定容量）とみなすことができる。すなわち、発電装置１は、固定容量Ｃｆと可変容量Ｃｖとが直列接続された回路構成を有すると言える。

エレクトレット１０に固定電荷−Ｑ_０が帯電する場合、グラフェン２０にも同じ誘導電荷−Ｑ_０が現れ、これは実質的に一定とみなすことができる。すなわち、グラフェン２０に発生する誘導電荷−Ｑ_０は、擬似的な固定電荷とみなすことができる。第２電極２２には、グラフェン２０の擬似的な固定電荷−Ｑ_０に対応する誘導電荷＋Ｑ_１が現れる。

グラフェン２０の電荷量は、グラフェン２０の面積に依存せずに、エレクトレット１０に帯電する電荷量−Ｑ_０で決まる。このことは、可動部分（グラフェン２０）の面積を大きくしなくても、エレクトレット１０の電荷量Ｑ_０を大きくすれば、発生する電力の最大出力を大きくできることを意味する。

本実施形態において、エレクトレット１０の面積は、グラフェン２０の面積よりも大きくてもよい。例えば、エレクトレット１０の表面積は、グラフェン２０の表面積よりも大きくてもよい。エレクトレット１０の面積がグラフェン２０の面積より大きいことにより、グラフェン２０の表面電荷密度を高めることができる。これにより、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。

本実施形態の第２電極２２はピン電極であってもよい。このようなピン電極は針電極とも称され得る。第２電極２２のグラフェン２０側の先端は細くなっている。グラフェン２０には複数の波が発生する。言い換えると、グラフェン２０には凹凸が複数個発生し、周期的に凹部と凸部とが入れ替わる。第２電極２２のグラフェン２０側の先端が細いことにより、グラフェン２０の振動の腹（Ａｎｔｉｎｏｄｅ）の部分に第２電極２２を対向させることができる。これにより効率良く発電を行うことができる。第２電極２２の先端の幅は、例えばグラフェン２０に発生する波の半周期の長さと概ね同じであるが、本発明はそれに限定されない。

本実施形態の発電装置１では、エレクトレット１０を含む固定容量Ｃｆの部分と、グラフェン２０を含む可変容量Ｃｖの部分とが分離可能である。エレクトレット１０を含む部分の製造プロセスと、グラフェン２０を含む部分の製造プロセスとを分離することができ、それぞれのプロセスを、他方のプロセスの影響を受けずに最適化することができる。

本実施形態の発電装置１は、第２電極２２を複数個備えていてもよい。図５は、複数の第２電極を備えた発電装置１を示す図である。

図５に示す例では、複数の第２電極２２のうちのいくつかは、図中のグラフェン２０の上面に対向する位置に配置されている。複数の第２電極２２のうちの別の第２電極２２は、図中のグラフェン２０の下面に対向する位置に配置されている。グラフェン２０の下面は上面とは反対側の面である。複数の第２電極２２とグラフェン２０との間には、それぞれ静電容量が形成される。グラフェン２０の振動に応じてそれら複数の静電容量の大きさは変化する。

グラフェン２０の振動に応じて複数の第２電極２２のそれぞれとグラフェン２０との間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極２２それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化する。複数の第２電極２２それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化することにより、複数の第２電極２２それぞれから電力を発生させることができる。

グラフェン２０の上面に対向する第２電極２２の位置と、グラフェン２０の下面に対向する第２電極２２の位置とは、図中の横方向において、グラフェン２０に発生する波の半周期の長さだけずれていてもよい。これにより、上面側の第２電極２２にグラフェン２０が接近するタイミングと、下面側の第２電極２２にグラフェン２０が接近するタイミングとを概ね同じにすることができる。すなわち、上面側の第２電極２２と下面側の第２電極２２とにおいて、電荷＋Ｑ_１の変化の仕方を、概ね同じにすることができる。

次に、複数のエレクトレット１０を備えた発電装置１を説明する。図６は、複数のエレクトレット１０を備えた発電装置１を示す図である。上述した発電装置１は、エレクトレット１０と第１電極１１のペアを含む第１構造体１５と、グラフェン２０と第２電極２２とを含む第２構造体１６とに分けることができる。図６に示す例では、発電装置１は、エレクトレット１０および第１電極１１を含む第１構造体１５を複数個備える。

複数の第１構造体１５は、第２構造体１６に並列に接続されている。すなわち、複数の第１構造体１５に含まれる複数の第１電極１１は、グラフェン２０に並列に接続されている。第１構造体１５を複数個備えることで、エレクトレット１０の総面積を大きくすることができる。これにより、グラフェン２０の表面電荷密度を高めることができ、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。また、エレクトレット１０の総面積を第１構造体１５の個数に応じて設定することができる。

複数の第１電極１１のそれぞれとグラフェン２０との間の接続および非接続は切り替え可能であってもよい。例えば、発電装置１は、複数の第１電極１１のそれぞれとグラフェン２０との間の接続および非接続を切り替えるスイッチ素子を備えていてもよい。これにより、グラフェン２０に接続する第１電極１１の数を変更することができる。グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェン２０に接続する第１電極１１の数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

また、第１構造体１５のそれぞれは、第２構造体１６に対して着脱可能であってもよい。グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、第２構造体１６に接続する第１構造体１５の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

図７および図８は、複数の第２電極を備えた発電装置１を示す図である。図７および図８に示す例では、第２電極２２の一方は、グラフェン２０の上面に対向する位置に配置されている。第２電極２２の他方は、グラフェン２０の下面に対向する位置に配置されている。上面側の第２電極２２および下面側の第２電極２２には、負荷３０が接続されている。

上面側の第２電極２２の先端部と下面側の第２電極２２の先端部とは、互いに対向している。例えば、図中の横方向において、上面側の第２電極２２の先端部と下面側の第２電極２２の先端部とは同じ位置にある。

グラフェン２０は周期的に上下に振動する。図７に示す状態では、グラフェン２０は上面側の第２電極２２に接近し、上面側の第２電極２２に電荷が誘導される。図１７に示す状態では、グラフェン２０は下面側の第２電極２２に接近し、下面側の第２電極２２に電荷が誘導される。負荷３０には、静電容量の大きさの変化に応じて第２電極２２に流れる電流が供給される。これにより、負荷３０に交流の電力を供給することができる。グラフェン２０の振動を利用して発生させた電力を負荷３０で利用することができる。

図５に示す例と同様に、図７および図８に示す例においても、グラフェン２０の上面側および下面側のそれぞれに、複数の第２電極２２が配置されてもよい。

次に、整流器およびキャパシタを備えた発電装置１を説明する。図９は、整流器３５およびキャパシタ３６を備えた発電装置１を示す図である。図９に示す発電装置１は、エレクトレット１０と第１電極１１を含む第１構造体１５として、オフチップエレクトレットを備える。

オフチップエレクトレット１５では、エレクトレット１０と誘電体１２とが互いに隣接している。オフチップエレクトレット１５は、そのエレクトレット１０および誘電体１２を、第１電極１１と導体１３とで挟み込む構造を有する。オフチップエレクトレット１５の導体１３はＧＮＤに接続される。オフチップエレクトレット１５の第１電極１１は、配線４１を介してグラフェン２０に接続される。オフチップエレクトレット１５は、図１−図２および図５−図８に示す発電装置１に適用されてもよい。なお、図１に示すエレクトレット１０および第１電極１１を含む構造体が、図９−図１２に示す発電装置１に適用されてもよい。

例えば、エレクトレット１０の材料はＣＹＴＯＰ（登録商標）であり、厚さは１０μｍであるが、本発明はそれに限定されない。例えば、誘電体１２の材料はＳＵ−８であり、厚さは４００μｍであるが、本発明はそれに限定されない。例えば、第１電極１１および導体１３は、Ｎ型の不純物をドープしたシリコンウェハであるが、本発明はそれに限定されない。シリコンウェハの直径は例えば４インチあるいはそれ以下の大きさであるが、本発明はそれに限定されない。

図９に示す例では、グラフェン２０は、支持部材７１および７２によって振動可能に支持されている。支持部材７１および７２は基板７０によって支持されている。支持部材７１および７２は、例えばレール形状を有し、それらの上部にグラフェン２０が配置される。支持部材がグラフェン２０を支持することで、グラフェン２０の端部を固定することができる。例えば、支持部材７１および７２と導電材料７３とでグラフェン２０の端部を挟むことで、グラフェン２０の端部を固定することができる。導電材料７３としては、任意の導電性材料が用いられる。例えば、導電材料７３として、グラフェン２０よりも融点の低い金属材料が用いられる。溶解した導電材料７３を用いて、グラフェン２０の端部を支持部材７１および７２に固定してもよい。また、メッシュ構造の部材でグラフェン２０を挟むことにより、グラフェン２０を支持してもよい。この場合、メッシュの隙間の部分でグラフェン２０は振動して波を発生させ得る。

図９に示す例では、複数の第２電極２２のそれぞれは、整流器３５を介してキャパシタ３６に接続されている。整流器３５は例えばダイオードである。ダイオードは例えばバックワードダイオードである。バックワードダイオードは例えばナノワイヤバックワードダイオードである。ナノワイヤバックワードダイオードは、低電圧下においても効率良く整流を行うことができる。整流器３５としてブリッジダイオードが用いられてもよい。

整流器３５は、第２電極２２から発生する電圧信号を整流する。整流器３５から整流された信号が出力され、キャパシタ３６に供給される。これにより、キャパシタ３６に電荷を蓄積することができる。整流器３５は、キャパシタ３６から第２電極２２への電荷の逆流を抑制する。キャパシタ３６に蓄積した電力を出力することで、大きな電力を出力させることができる。

図９に示す発電装置１は、複数の第２電極２２に発生した電圧が供給される複数の整流器３５を備える。複数の第２電極２２に発生した電圧信号を整流し、整流された出力信号をキャパシタ３６に供給する。これにより、キャパシタ３６により多くの電荷を蓄積することができる。キャパシタ３６に蓄積した電力を出力することで、より大きな電力を出力させることができる。

次に、グラフェン２０と負荷３０とを互いに別の部屋に配置した発電装置１を説明する。図１０は、グラフェン２０と負荷３０とを互いに別の部屋に配置した発電装置１を示す図である。

図１０に示す例では、発電装置１は、第１の部屋５１と第２の部屋５２とを備える。本明細書において、第１の部屋５１を第１エリア、第２の部屋５２は第２エリアとそれぞれ称する場合がある。発電装置１は、壁５３および５４を備える。壁５３で周囲を囲まれたエリアが第１の部屋５１である。壁５４で周囲を囲まれたエリアが第２の部屋５２である。第１の部屋５１と第２の部屋５２との間には、第１の部屋５１と第２の部屋５２とを隔てる隔壁６０が設けられている。図中の上下方向において、第１の部屋５１下部の底部分も壁５３の一部であり得る。第２の部屋５２上部の天井部分も壁５４の一部であり得る。隔壁６０は壁５３の一部であってもよい。隔壁６０は壁５４の一部であってもよい。壁５３、５４および隔壁６０の材料は任意である。壁５３、５４および隔壁６０は、その材料として例えばシリコンを含む。壁５３、５４および隔壁６０は、その材料として例えばガラスを含む。壁５３、５４および隔壁６０の材料として、化合物半導体、不純物半導体などの半導体材料が用いられてもよい。壁５３、５４および隔壁６０の材料として、例えば熱伝導性が比較的小さい材料が用いられ得る。

第１の部屋５１の内部には、グラフェン２０および第２電極２２が配置されている。第１の部屋５１内において、グラフェン２０は支持部材７１および７２によって支持されている。第２電極２２は、グラフェン２０に対向するように隔壁６０に設けられている。第１の部屋５１のサイズは、グラフェン２０および第２電極２２を配置できる大きさであればよい。第１の部屋５１のサイズは任意である。

第２電極２２と負荷３０とは配線４２を介して接続されている。負荷３０は、第２の部屋５２の内部に配置されている。負荷３０は、例えば抵抗器であるが、それに限定されない。負荷３０は、例えば、第２電極２２および配線４２の材料よりも電気抵抗値が大きい材料を含む。負荷３０は、例えば、コイル形状など、電気抵抗値が大きくなりやすい形状を有していてもよい。配線４２が隔壁６０を貫通することで、第１の部屋５１内の第２電極２２と、第２の部屋５２内の負荷３０とが接続される。第２の部屋５２のサイズは、負荷３０を配置できる大きさであればよい。第２の部屋５２のサイズは任意であり、第１の部屋５１と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

上述したように、グラフェン２０の振動に応じて第２電極２２に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力が発生する。これにより、すなわち、グラフェン２０の周囲の空間の熱を電力に変換することができる。第２電極２２には、負荷３０が接続されている。第２電極２２に流れる電流は、負荷３０に供給される。このように、グラフェン２０の振動に応じて発生した電力を負荷３０で利用することができる。

例えば、電流が供給された負荷３０は、熱を発生させる。これにより、グラフェン２０の振動から特定のエリア（第２の部屋５２）に熱を発生させることができる。

負荷３０が熱を発生させることで、第２の部屋５２の温度は第１の部屋５１の温度よりも高くなる。例えば、第１の部屋５１および第２の部屋５２の温度が均一であったとしても、そこから第１の部屋５１と第２の部屋５２との間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。元々温度が均一な二つの部屋に対して、物理学上の仕事をすることなしに、それら二つの部屋の間で温度差を発生させる現象は、物理学において“マクスウェルの悪魔”と呼ばれる。本実施形態では、“マクスウェルの悪魔”と呼ばれる現象を実現できる。

本実施形態では、第１の部屋５１と第２の部屋５２との間には隔壁６０が設けられている。第１の部屋５１と第２の部屋５２との間の熱の移動を隔壁６０が抑制することにより、第１の部屋５１と第２の部屋５２との間の温度差を大きくすることができる。すなわち、エントロピーをより大きく減少させることができる。

配線４２の断面積は、第１の部屋５１では大きく、第２の部屋５２では小さくてもよい。第１の部屋５１内では、電気伝導性を高めるために配線４２の断面積を大きくする。一方、第２の部屋５２内では、熱伝導性を小さくするために配線４２の断面積を小さくする。これにより、負荷３０で発生した熱が第１の部屋５１の方へ伝導することが抑制できる。また、負荷３０にはヒートシンクが設けられていてもよい。負荷３０で発生した熱がヒートシンクの方へ伝導することにより、負荷３０で発生した熱が第１の部屋５１の方へ伝導することを抑制できる。

発電装置１は第１の部屋５１を複数個備えていてもよい。複数の第１の部屋５１のそれぞれの内部に、グラフェン２０および第２電極２２が配置される。複数の第１の部屋５１内の第２電極２２のそれぞれは負荷３０に接続され、それらの負荷３０は同じ第２の部屋５２に配置されてもよい。これにより、第２の部屋５２内により多くの熱を発生させることができる。

上述したように、発電装置１は複数のエレクトレット１０を備えていてもよい。図１１は、複数の第１構造体１５を備えた発電装置１を示す図である。

複数の第１構造体１５は、第２構造体１６に並列に接続されている。すなわち、複数の第１構造体１５に含まれる複数の第１電極１１は、グラフェン２０に並列に接続されている。第１構造体１５を複数個備えることで、エレクトレット１０の総面積を大きくすることができる。これにより、グラフェン２０の表面電荷密度を高めることができ、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。また、エレクトレット１０の総面積を第１構造体１５の個数に応じて設定することができる。

複数の第１電極１１のそれぞれとグラフェン２０との間の接続および非接続は切り替え可能であってもよい。例えば、発電装置１は、複数の第１電極１１のそれぞれとグラフェン２０との間の接続および非接続を切り替えるスイッチ素子を備えていてもよい。これにより、グラフェン２０に接続する第１電極１１の数を変更することができる。グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェン２０に接続する第１電極１１の数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

また、第１構造体１５のそれぞれは、第２構造体１６に対して着脱可能であってもよい。グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、第２構造体１６に接続する第１構造体１５の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

次に、熱電素子を備える発電装置１を説明する。図１２は、熱電素子３３を備える発電装置１を示す図である。

熱電素子３３は、例えばゼーベック素子である。熱電素子３３は、負荷３１に接続されている。熱電素子３３は、その少なくとも一部が第２の部屋５２に位置するように配置される。熱電素子３３には複数の負荷３０が発生させた熱が供給される。熱電素子３３に熱を供給することで、熱電素子３３に電力を発生させることができる。熱が供給された熱電素子３３には電圧が発生し、負荷３１に電流が供給される。複数の負荷３０が発生させた熱が熱電素子３３に供給されることで、より大きい電力を発生させ得る。

上記の例では、グラフェン２０とエレクトレット１０とは別々の空間に配置されていたが、同じ空間に配置されてもよい。図１３は、グラフェン２０とエレクトレット１０とを同じ部屋に配置した発電装置１を示す図である。エレクトレット１０、第１電極１１、グラフェン２０、第２電極２２が第１の部屋５１に配置されている。図１３に示す例では、支持部材７１は導電性を有し、支持部材７１と第１電極１１とが接続されている。すなわち、支持部材７１を介して、第１電極１１とグラフェン２０とが接続されている。

本発明の実施形態において、グラフェン２０は、単層でもよいし、二層以上の構造を有していてもよい。また、本発明の実施形態において、グラフェン２０の代わりに別の材料が用いられてもよい。例えば、ＭＯＳ２、ＭｏＳｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＲｅＳ２、ＲｅＳｅ２または窒化ホウ素（ＢＮ）をグラフェン２０の代わりに用いてもよい。また、それらの材料を組み合わせたシートを用いてもよい。

以上、本発明の例示的な実施形態を説明した。

本発明のある実施形態に係る発電装置１は、エレクトレット１０と、エレクトレット１０に隣接して配置された第１電極１１と、第１電極１１と接続されたグラフェン２０と、グラフェン２０に対向して配置された第２電極２２と、を備え、グラフェン２０の振動に応じてグラフェン２０と第２電極２２との間の静電容量の大きさが変化することにより電力を発生させる。

エレクトレット１０に発生する固定電荷を−Ｑ_０とするとき、第１電極１１には、エレクトレット１０の固定電荷−Ｑ_０の逆極性の誘導電荷＋Ｑ_０が発生する。第１電極１１とグラフェン２０とは電気的に接続されている。電荷保存の法則により、第１電極１１とグラフェン２０の総電荷量はゼロであるため、グラフェン２０の電荷量は−Ｑ_０になる。グラフェン２０の振動に応じてグラフェン２０と第２電極２２との間の静電容量の大きさが変化することにより、第２電極２２に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力を発生させることができる。

グラフェン２０の周囲の空間からグラフェン２０には熱が供給され、グラフェン２０は熱運動により振動する。このグラフェン２０の振動に応じて第２電極２２に発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、電力を発生させることができる。すなわち、グラフェン２０の周囲の空間の熱を電力に変換することができる。

ある実施形態において、エレクトレット１０の面積は、グラフェン２０の面積よりも大きくてもよい。エレクトレット１０の面積がグラフェン２０の面積より大きいことにより、グラフェン２０の表面電荷密度を高めることができる。これにより、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。

ある実施形態において、第２電極２２はピン電極であってもよい。グラフェン２０には複数の波が発生する。言い換えると、グラフェン２０には凹凸が複数個発生し、周期的に凹部と凸部とが入れ替わる。第２電極２２のグラフェン２０側の先端が細いことにより、グラフェン２０の振動の腹の部分に第２電極２２を対向させることができる。

ある実施形態において、発電装置１は、グラフェン２０を振動可能に支持する支持部材７１、７２をさらに備えてもよい。支持部材７１、７２がグラフェン２０を支持することで、グラフェン２０の端部を固定することができる。

ある実施形態において、静電容量の大きさの変化に応じて第２電極２２に流れる電流が供給される負荷３０をさらに備えてもよい。これにより、グラフェン２０の振動を利用して発生させた電力を負荷３０で利用することができる。

ある実施形態において、電流が供給された負荷３０は、熱を発生させてもよい。負荷３０が熱を発生させることにより、負荷３０が配置された特定のエリアに熱を発生させることができる。

ある実施形態において、グラフェン２０および第２電極２２は、第１エリア５１に位置し、負荷３０は、第１エリア５１とは異なる第２エリア５２に位置し、負荷３０が熱を発生させることで、第２エリア５２の温度は第１エリア５１の温度よりも高くなってもよい。

グラフェン２０の振動を利用して第２エリア５２に熱を発生させることができる。例えば、第１エリア５１および第２エリア５２の温度が均一であったとしても、そこから第１エリア５１と第２エリア５２との間で温度差を発生させることができる。すなわち、エントロピーを減少させることができる。これにより、物理学においてマクスウェルの悪魔と呼ばれている現象を実現できる。

ある実施形態において、第１エリア５１と第２エリア５２との間には壁６０が設けられていてもよい。第１エリア５１と第２エリア５２との間の熱の移動を壁６０が抑制することにより、第１エリア５１と第２エリア５２との間の温度差を大きくすることができる。すなわち、エントロピーをより大きく減少させることができる。

ある実施形態において、発電装置１は、熱電素子３３をさらに備え、熱電素子３３には負荷３０が発生させた熱が供給されてもよい。熱電素子３３に熱を供給することで、熱電素子３３に電力を発生させることができる。

ある実施形態において、発電装置１は、第２電極２２に発生した電圧が供給される整流器３５と、整流器３５の出力信号が供給されるキャパシタ３６と、をさらに備えてもよい。第２電極２２に発生した電圧信号を整流し、整流された出力信号をキャパシタ３６に供給する。これにより、キャパシタ３６に電荷を蓄積することができる。キャパシタ３６に蓄積した電力を出力することで、大きな電力を外部に出力させることができる。

ある実施形態において、発電装置１は、第２電極２２を複数個備え、複数の第２電極２２とグラフェン２０との間に複数の静電容量が形成され、グラフェン２０の振動に応じて複数の静電容量の大きさが変化してもよい。グラフェン２０の振動に応じて複数の第２電極２２のそれぞれとグラフェン２０との間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極２２それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極２２それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、複数の第２電極２２は、グラフェン２０の第１の面に対向する位置に配置されてもよい。グラフェン２０の振動に応じて複数の第２電極２２のそれぞれとグラフェン２０との間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極２２それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極２２それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、複数の第２電極２２のうちの所定の第２電極２２は、グラフェン２０の第１の面に対向する位置に配置され、複数の第２電極２２のうちの所定の第２電極２２とは異なる別の第２電極２２は、グラフェン２０の第１の面とは反対側の第２の面に対向する位置に配置されてもよい。グラフェン２０の振動に応じて複数の第２電極２２のそれぞれとグラフェン２０との間の静電容量の大きさが変化することにより、複数の第２電極２２それぞれに発生する電荷＋Ｑ_１が変化し、複数の第２電極２２それぞれから電力を発生させることができる。

ある実施形態において、発電装置１は、複数の第２電極２２に発生した電圧が供給される複数の整流器３５と、複数の整流器３５の出力信号が供給されるキャパシタ３６と、をさらに備えてもよい。複数の第２電極２２に発生した電圧信号を整流し、整流された出力信号をキャパシタ３６に供給する。これにより、キャパシタ３６により多くの電荷を蓄積することができる。キャパシタ３６に蓄積した電力を出力することで、より大きな電力を外部に出力させることができる。

ある実施形態において、所定の第２電極２２と別の第２電極２２との間に負荷３０が接続されてもよい。これにより、グラフェン２０の振動を利用して発生させた電力を負荷３０で利用することができる。

ある実施形態において、発電装置１は、エレクトレット１０と第１電極１１のペアを含む第１構造体１５を複数個備え、複数の第１構造体１５に含まれる複数の第１電極１１は、グラフェン２０に並列に接続されていてもよい。エレクトレット１０と第１電極１１のペアを含む第１構造体１５を複数個備えることで、エレクトレット１０の総面積を大きくすることができる。これにより、グラフェン２０の表面電荷密度を高めることができ、発生する電力の最大出力を大きくすることができる。また、エレクトレット１０の総面積を第１構造体１５の個数に応じて設定することができる。

ある実施形態において、複数の第１電極１１のそれぞれとグラフェン２０との間の接続および非接続は切り替え可能であってもよい。グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェン２０に接続する第１電極１１の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

ある実施形態において、複数の第１構造体１５のそれぞれは、グラフェン２０に対して着脱可能であってもよい。グラフェン２０に接続する第１構造体１５の個数を変更することで、グラフェン２０の表面電荷密度を変更することができる。すなわち、グラフェン２０に接続する第１構造体１５の個数を変更することで、電力の発電量を変更することができる。

以上、本発明の実施形態を説明した。上述の実施形態の説明は、本発明の例示であり、本発明を限定するものではない。また、上述した各種実施形態を適宜組み合わせた形態も本発明に含まれる。本発明は、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、改変、置き換え、付加および省略などが可能である。

本発明は、例えば、熱エネルギーおよび電気エネルギーなどのエネルギーを発生させる技術分野において特に有用である。

１：発電装置
７：矢印（振動）
１０：エレクトレット
１１：第１電極
１２：誘電体
１３：導体
１５：第１構造体
１６：第２構造体
２０：グラフェン
２２：第２電極
２５、２６：出力端子
３０：負荷
３３：熱電素子（ゼーベック素子、熱電変換素子）
３５：整流器
３６：キャパシタ（平滑コンデンサ）
４１、４２：配線
５１、５２：部屋（空間）
５３、５４：壁
６０：隔壁（パーティション、仕切り）
７０：基板
７１：支持部材
７２：支持部材
７３：導電材料

Claims (18)

1. エレクトレットと、
   前記エレクトレットに隣接して配置された第１電極と、
   前記第１電極と接続されたグラフェンと、
   前記グラフェンに対向して配置された第２電極と、
   を備え、
   前記グラフェンの振動に応じて前記グラフェンと前記第２電極との間の静電容量の大きさが変化することにより電力を発生させる、発電装置。
2. 前記エレクトレットの面積は、前記グラフェンの面積よりも大きい、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記第２電極はピン電極である、請求項１または２に記載の発電装置。
4. 前記グラフェンを振動可能に支持する支持部材をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
5. 前記静電容量の大きさの変化に応じて前記第２電極に流れる電流が供給される負荷をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
6. 前記電流が供給された前記負荷は、熱を発生させる、請求項５に記載の発電装置。
7. 前記グラフェンおよび前記第２電極は、第１エリアに位置し、
   前記負荷は、前記第１エリアとは異なる第２エリアに位置し、
   前記負荷が熱を発生させることで、前記第２エリアの温度は前記第１エリアの温度よりも高くなる、請求項６に記載の発電装置。
8. 前記第１エリアと前記第２エリアとの間には壁が設けられている、請求項７に記載の発電装置。
9. 熱電素子をさらに備え、
   前記熱電素子には前記負荷が発生させた熱が供給される、請求項６から８のいずれかに記載の発電装置。
10. 前記第２電極に発生した電圧が供給される整流器と、
    前記整流器の出力信号が供給されるキャパシタと、
    をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の発電装置。
11. 前記第２電極を複数個備え、
    前記複数の第２電極と前記グラフェンとの間に複数の静電容量が形成され、
    前記グラフェンの振動に応じて前記複数の静電容量の大きさが変化する、請求項１から１０のいずれかに記載の発電装置。
12. 前記複数の第２電極は、前記グラフェンの第１の面に対向する位置に配置される、請求項１１に記載の発電装置。
13. 前記複数の第２電極のうちの所定の第２電極は、前記グラフェンの第１の面に対向する位置に配置され、
    前記複数の第２電極のうちの前記所定の第２電極とは異なる別の第２電極は、前記グラフェンの第１の面とは反対側の第２の面に対向する位置に配置される、請求項１１に記載の発電装置。
14. 前記複数の第２電極に発生した電圧が供給される複数の整流器と、
    前記複数の整流器の出力信号が供給されるキャパシタと、
    をさらに備える、請求項１１から１３のいずれかに記載の発電装置。
15. 前記所定の第２電極と前記別の第２電極との間に負荷が接続される、請求項１３に記載の発電装置。
16. 前記エレクトレットと前記第１電極のペアを含む構造体を複数個備え、
    複数の前記構造体に含まれる複数の前記第１電極は、前記グラフェンに並列に接続されている、請求項１から１５のいずれかに記載の発電装置。
17. 複数の前記第１電極のそれぞれと前記グラフェンとの間の接続および非接続は切り替え可能である、請求項１６に記載の発電装置。
18. 複数の前記構造体のそれぞれは、前記グラフェンに対して着脱可能である、請求項１６または１７に記載の発電装置。

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