JP2021500841A - エンボス加工がされたハチの巣模様を有する摩擦帯電発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、摩擦帯電発電機のための接触帯電部材に関し、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦帯電直列規格を有する誘電材料により作製された、接触面（２．２）および裏面（２．１）を有する接触層（２）と、接触層（２）の裏面（２．１）に沿って配置される電極層とを含み、接触層（２）の接触面（２．２）は、連続した平坦な底部を有するキャビティ（４）を示すためにパターン形成されている。本発明は、接触帯電部材を含む摩擦帯電発電機およびその部材を製造するプロセスにも関する。【選択図】図２

Description

本発明は摩擦帯電発電機の分野に関し、より詳細には、摩擦帯電発電機で使用される接触帯電部材の分野に関する。

摩擦帯電発電機の運転は、性質の異なる第１の材料および第２の材料を接触させることに基づき、第１の材料は、電子を供与する性質を有し、第２の材料は、好ましくは、電子を捕獲する性質を有する。異なる摩擦帯電性質を接触させることによって、これらの２つの材料の間に電荷の移動が生じ、異なる電位または電荷の形成に反映される。摩擦帯電の効果はお互いを擦り合わせることによって増加し得る。

米国特許第３０８６１３１号明細書は、摩擦帯電発電機が開示され、電力を発生させるために２つの異なる絶縁材料を擦り合わせる原理を開示している。

米国特許出願公開第２０１７／０１８７３０７号明細書は、第１の接触帯電部材および第２の接触帯電部材を有する摩擦帯電発電機を開示している。第１の接触帯電部材は、第１の接触層および導電電極層を含む。第１の接触層は、接触イベントにより電子を増す性質を示す摩擦帯電直列規格材料を含む。導電電極層は、接触層の裏面に沿って配置される。第２の接触帯電部材は、第１の接触帯電部材から離間して、かつ第１の接触帯電部材から反対の位置に配置される。接触イベント中に第１の接触層によって接触された時に電子を失うことを示す、摩擦帯電直列規格を有する導電性材料層を含む。導電性材料は電極の働きをする。機構により第１の接触帯電部材と第２の接触帯電部材との間にスペースが維持されるが、そこに力が加わるときは除く。発電機の接触表面は、摩擦帯電効果を向上させるためにパターン加工またはテクスチャ加工することができる。そのために、接触表面はピラミッド構造の配列またはボックス様構造を示すことができる。

米国特許出願公開第２０１６／００２８３２７号明細書もまた、摩擦帯電発電機を開示しており、接触部材のうちの１つは粗面が提供されており、ポリマー材料を熱処理することによって得られる円錐マイクロチップ形状構造を有する。

Ｄｏｎｇｈｙｅｏｎ Ｙｏｏ，Ｄｏｎｇｗｈｉ Ｃｈｏｉ，Ｄｏｎｇ Ｓｕｎｇ Ｋｉｍ，“Ｃｏｍｂ−ｓｈａｐｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｂａｓｅｄ ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ”，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，Ｖｏｌ．１７４，ｐ．４６−５１の刊行物は、くし形の電極を有する摩擦帯電発電機が提案されており、これはシンプルな熱ナノインプリント方法で作製され、市販の金属メッシュをスタンプとして使用して単純に摩擦帯電発電機上でマイクロトポグラフィーを付与し、電気出力性能を高めるものである。くし形の電極を有する作製された発電機は、双方向性機械エネルギー（縦および横両方の接触／分離を含む）を回収することを可能にし、複雑な実際の機械的動作から効率的にエネルギーを回収するための新しい戦略となり得る。

Ｅｍｒｅ ｌｓｅｒｉ，Ｓｅｎｏｌ Ｍｕｔｌｕ，“Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ−Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ”，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｐａｐｅｒ： Ｔｈｅ ３０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ２０１７），Ａｔ Ｌａｓ Ｖｅｇａｓ，ＵＳＡ，ＤＯｌ：１０．１１０９／ＭＥＭＳＹＳ．２０１７．７８６３５３３の刊行物は、ワイヤレスおよびバッテリーレスキーボード用途として開発された摩擦帯電ナノ発電機（ＴＥＮＧ）の実現について記述しており、リソグラフィ、電気化学エッチング、ホットエンボスおよび熱圧着結合を含む鋼−ポリマー微細加工方法が使用されている。伝導体−絶縁体接触モード型のＴＥＮＧを実現するために、微細加工された鋼電極およびポリマーフィルム（ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ））が初めて使用された。

上述した先行技術では、摩擦帯電発電機の接触帯電部材をパターン加工するために、精巧かつ費用のかかる方法が提供されている。摩擦帯電発電機の２つの接触帯電部材間に的確かつ適正なギャップを提供することの必要性も認められている。しかし、依然として欠点および改良すべき点がある。

米国特許第３０８６１３１号明細書 米国特許出願公開第２０１７／０１８７３０７号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００２８３２７号明細書

Ｄｏｎｇｈｙｅｏｎ Ｙｏｏ，Ｄｏｎｇｗｈｉ Ｃｈｏｉ，Ｄｏｎｇ Ｓｕｎｇ Ｋｉｍ，"Ｃｏｍｂ−ｓｈａｐｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｂａｓｅｄ ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎａｎｏｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ"，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，Ｖｏｌ．１７４，ｐ．４６−５１ Ｅｍｒｅ ｌｓｅｒｉ，Ｓｅｎｏｌ Ｍｕｔｌｕ，"Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒｉｂｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ｈａｒｖｅｓｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔｅｅｌ−Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ"，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｐａｐｅｒ： Ｔｈｅ ３０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ２０１７），Ａｔ Ｌａｓ Ｖｅｇａｓ，ＵＳＡ，ＤＯｌ：１０．１１０９／ＭＥＭＳＹＳ．２０１７．７８６３５３３

本発明は、技術的課題として、効率的かつ耐久性のある摩擦帯電発電機を提供し、またそれはコストを低減して作製することができる。

本発明は、摩擦帯電発電機のための接触帯電部材に関し、接触面および裏面を有し、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦電気直列規格を有する誘電材料で作られた接触層と、接触層の裏面に沿って配置された電極層とを含み、接触層の接触面は、連続したキャビティを示すためにパターン加工されており、各々のキャビティは、開口部および開口部にまで伸縮変形するために可撓性の底部を有する。

好ましい実施形態では、キャビティは、円形、六角形、長方形のうちの少なくとも１つの形状を示す。

好ましい実施形態では、裏面は、ネガティブでパターン加工され、接触面に対応する。

有利に、キャビティの底部は略扁平である。

好ましい実施形態では、接触面および／または裏面のパターン形成は、接触層をエンボス加工することによって実現される。

好ましい実施形態では、接触層は、２０μｍ超および／または５０μｍ未満の厚さを有する。

好ましい実施形態では、接触層の誘電材料は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ、ｔｒＦＥ等のフッ化炭素、ポリエーテルエーテルケトンＰＥＥＫ、ポリエーテルケトンＰＥＫ、ポリイミドＰＩ、ポリアミドイミドＰＡＩ、ポリアミドＰＡ、ポリエチレンＰＥ、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴ、マイラ、ポリエーテルスルホンＰＥＳ、ポリフェニレンサルファイドＰＰＳからなる群より選択され得る熱可塑性物質であり、好ましくは、ふっ素化エチレンプロピレンＦＥＰまたはポリイミドＰｌである。

好ましい実施形態では、キャビティは、２ｍｍ以下および／または０．５ｍｍ以上の平均半径を示す。

好ましい実施形態では、キャビティは、５０μｍ超および／または１４０μｍ未満の定深度を示す。

好ましい実施形態では、パターンはハチの巣形状をしている。

好ましい実施形態では、キャビティ底部の接触面は、サブミクロンまたはナノ構造を示し、それによって特定の接触面を増加する。

本発明は、また摩擦帯電発電機に関し、本摩擦帯電発電機は、接触面および裏面を有し、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦電気直列規格の誘電材料で作られた接触層および接触層の裏面に沿って配置された電極層を含む第１の接触帯電部材と、接触面および裏面を有し、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦電気直列規格の誘電材料で作られた接触層および接触層の裏面に沿って配置された電極層を含む第２の接触帯電部材と、を含み、第１および第２の接触帯電部材は、お互いの前に接触する面を有し、その接触面間に押圧および／または摺動接触を可能とし、第１の接触帯電部材は、本発明に記載される。

好ましい実施形態では、第２の接触帯電部材は、扁平な接触面を示し、好ましくは、サブミクロンおよび／またはナノ構造を有する。

好ましい実施形態では、第１の接触帯電部材の誘電材料は、ふっ素化エチレンプロピレンＦＥＰであり、当該部材の接触面は、超疎水性の挙動を示し、第２の接触帯電部材の誘電材料はポリイミドＰＩであり、当該部材の接触面は、超親水性の挙動を示す。

好ましい実施形態では、第１の接触帯電部材の接触層のキャビティは、平均半径ａを示し、開口部にまで変形した場合の底部の機械的な力Ｆ_ｍｅｃａは、接触層と第２の接触帯電部材の接触層の間の静電力Ｆ_ｅｌｅｃよりも少なくとも５倍、好ましくは、１０倍大きい。

好ましい実施形態では、機械的な力Ｆ_ｍｅｃａは、
Ｆ_ｍｅｃａ＝＝−ｋ_１．Ｗ_ａｖｇ
であり、式中、ｋ_１は第１の接触帯電部材の接触層の材料の剛性であり、Ｗ_ａｖｇは、底部の最大変形を３で割ったものである。

好ましい実施形態では、静電力Ｆ_ｅｌｅｃは、

であり、式中、σは、第１の接触帯電部材の接触層の材料における最大電荷密度であり、Ｗ_ａｖｇは、底部の最大変形を３で割ったものであり、Ｃは、第１および第２の接触帯電部材の接触層のキャパシタンスである。

好ましい実施形態では、σは５０μＣ／ｍ^２以下である。

好ましい実施形態では、キャパシタンスＣは、

であり、式中、εは空気の誘電率であり、ｇ_０は、第２の接触帯電部材の接触層の接触面とキャビティの底部との間の距離である。

本発明は、また、接触面および裏面を有し、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦電気直列規格の誘電材料で作られた接触層を有する接触帯電部材を製造するプロセスに関し、本プロセスは、接触層の接触面および裏面をパターン加工する工程を含み、本工程は、連続したキャビティを形成するために接触層をエンボス加工することを含む。

好ましい実施形態では、工程は、接触層の裏面上に電極層を適用する工程をさらに含み、接触帯電部材は本発明に記載される。

好ましい実施形態では、電極層を適用する工程は、接触層の裏面を金属被覆することを含み、好ましくは、物理蒸着スパッタリングによるものである。

好ましい実施形態では、エンボス加工によるパターン加工工程は、次のサブ工程を含む：ポジティブ金型およびネガティブ金型の間の接触層を押圧する工程、少なくとも１つの金型を、接触層の熱可塑性誘電材料のガラス温度Ｔ_ｇよりも高い温度にまで加熱する工程、金型および接触層を、ガラス温度Ｔ_ｇを下回る温度まで冷却する工程、金型を分離しエンボス加工された接触層を離型する工程。

好ましい実施形態では、工程は、接触層の接触面上のキャビティの底部にてサブミクロンおよび／またはナノ構造を形成する工程をさらに含む。

好ましい実施形態では、サブミクロンおよび／またはナノ構造を形成する工程は、粒の付加製造堆積および／または粒子の噴霧堆積および／または原子層堆積による。

好ましい実施形態では、サブミクロンおよび／またはナノ構造を形成する工程は、反応性イオンエッチングによる。

本発明は、また、本発明をエンボス加工することによるパターン加工工程における金型を製造するプロセスに関し、本プロセスは、次の工程を含む：第１の金属板および第２の金属板を提供する工程（金属は好ましくは銅またはアルミニウムである）、第１の金属板の主面をパターンのネガ型フォトレジストマスクでコーティングし、第２の金属板の主面をパターンのポジ型フォトレジストマスクでコーティングする工程、マスクが提供された第１および第２の金属板の主面にフォトリソグラフを適用する工程、第１のおよび第２の金属板上のマスクを除去する工程、前回フォトレジストマスクによってカバーされていなかった領域において金属板の深さで湿式化学エッチングによって金型の凹凸を構成する工程。

本発明は、また、本発明による摩擦帯電発電機の接触帯電部材を寸法取りするプロセスに関し、第１の接触帯電部材の接触層のキャビティにおける平均半径ａは、開口部にまで変形した場合の底部の機械的な力Ｆ_ｍｅｃａが、接触層と第２の接触帯電部材の接触層との間の静電力Ｆ_ｅｌｅｃの少なくとも５倍、好ましくは、１０倍大きくなるように選択される。

本発明は特に、効率的かつ安価な摩擦帯電発電機の構造を可能にするパターン加工された接触帯電部材に関心がある。本発明のパターン加工は、増加した電力出力を提供する一方で、望まれないスティクションまたはスティッキング現象を防止する。キャビティの底部の変形は、開口部にまで弾性変形することができ、キャビティの外にまでもおよぶことも可能であり、第２の電荷接触部材に接触して、２つの接触面間におけるスティクションを防止するのに十分に高い剛性を示しながら、摩擦帯電を生成する。さらに、パターン加工は、接触帯電部材の耐久性および安定性を増加させる。接触層のエンボス加工による製造プロセスは、シンプルであり経済的である。

摩擦帯電発電機のポリマー接触層のさまざまな図であり、層はハチの巣エンボス加工されている。 図１のポリマー接触層をエンボス加工におけるさまざまな工程の図である。 図１のポリマー接触層をエンボス加工し、ナノ構造を形成する異さまざまな工程の図である。 摩擦帯電発電機の絶縁体接触帯電層の変形を表す概略図であり、層は半径ａを示しており、その外周でエンボス加工されている。 図４の概略的発電機のキャパシタンスＣ対異なる半径ａの値における平均変形Ｗ_ａｖｇのグラフである。 図４の概略的発電機の電圧量対異なる電荷密度σの値における平均変形Ｗ_ａｖｇのグラフである。 図４の概略的発電機の絶縁体接触帯電層における静電力およびばね力対異なる半径ａの値における平均変形Ｗ_ａｖｇのグラフである。 図４の概略的発電機の絶縁体接触帯電層におけるエネルギー対異なる半径ａの値における平均変形Ｗ_ａｖｇのグラフである。 従来の平坦な摩擦帯電発電機の電圧出力対時間のグラフである。 接触モードでの、４つの異なる摩擦帯電発電機における電圧出力対時間のグラフである。 接触モードでの、図１０の４つの異なる摩擦帯電発電機における電力出力対時間のグラフである。 摺動モードでの、４つの異なる摩擦帯電発電機における電圧出力対時間のグラフである。 摺動モードでの、図１２の４つの異なる摩擦帯電発電機における電力出力対時間のグラフである。

発明の詳細な説明

図１は、摩擦帯電発電機における接触層を形成するエンボス加工されたポリマーフィルムのさまざまな図を含む。接触層２は、有利に２０μｍ超および／または５０μｍ未満の厚さを有する絶縁体膜である。層２の材料は、接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦電気直列規格を有するものの中から選択される。

２つの異なる材料を一緒にプレスまたは擦り合わせた場合、一方の材料の表面が一般的にはいくつかの電子を他方の材料の表面から捕獲する。電子を捕獲する材料は、その２つの材料の負電荷に対してより強い親和性を有し、その表面は材料が分離された後に負電荷を得る。当然、他方の材料は同量の正電荷を有すことになる。さまざまな絶縁材料を一緒にプレスまたは擦り合わせた場合は、各表面の量および電荷の極性は個別に測定され、非常に再生可能なパターンが現れる。絶縁体に関しては、摩擦帯電表が次のｕｒｌリンクにて一般公開されており、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｔｒｉｆｉｅｌｄ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｔｒｉｂｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｓｅｒｉｅｓ／、どれが正になるか負になるかを予測したり、効果がどれほど強いかを予測したりするのに使用することができる。http://www.trifield.com/content/tribo-electric-series/

好ましくは、接触層２の材料は、フッ化炭（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ ｔｒＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡｌ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、マイラ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、好ましくは、ふっ素化エチレンプロピレンＦＥＰからなる群より選択されるポリマーであり得る。層２はエンボス加工され、ハチの巣パターンを示す。より詳細には、図ａ）およびｂ）は、層２の裏面２．１を示し、すなわち電極に接触することが意図される側である。図ｃ）およびｄ）は、層２の接触面２．２を示し、すなわち電力を生成するために他の材料に対してプレスおよび／または擦り合わせることが意図される層である。理解されるように、ハチの巣パターンは連続したキャビティ４を形成し、例えば、６角形であり、互いにずれ重なっている。言うまでもなく、パターンは正確な６角形を有するハチの巣状である必要はなく、例えば円形状でも同様の働きをする。

さらに図１を参照すると、キャビティ４の平均半径は、１ｍｍ以下であることができる。キャビティの深度は、５０μｍ超および／または１４０μｍ未満であることができる。

図２および３は、図１の接触層のエンボス加工製造プロセスを例証する。

図２を参照すると、膜２が２つの金型（すなわちポジティブ金型６およびネガティブ金型８）の間にプレスされ配置されている。どちらか一方の金型（例えばネガティブ金型８）と熱接触する場合には加熱板１０が提供される。最初に、ポリマーフィルムがポジティブおよびネガティブの金型６および８の間に挟まれ、例えば約１５ｋＰａの圧力が加えられる。次に、加熱板１０が、３０３℃のセットポイント（ポリマーのガラス温度Ｔ_ｇよりも高い）に、（例えば１４℃／分）の温度傾斜に沿ってゆっくりと加熱される。次に加圧力が、例えば約４７ｋＰａまで増加される。したがって、この加圧力で３０３℃での定常期が１０分間保持される。その後、冷却傾斜（例えば−１１℃／分）に沿って１００℃（ポリマーのＴｇよりも下）となるように加熱が止められ、そこで圧力は取り除かれポリマーフィルムを取り出す。

次にエンボス加工されたポリマーフィルムを洗浄し（例えば、アセトン、イソプロパノールＩＰＡおよび５分間超音波処理された脱イオン水を用いて）、１２０℃のホットプレート上またはオーブン内で乾燥して水残留物を除去する。

加えて、摩擦帯電発電機の２つの接触層をシールする前に、２つの層の間の接触する特定の内面積を増加させ、膜のユニット内の総ネット電荷密度を、同様に、出力電圧Ｖ＝Ｑ／Ｃを増加させることを検討することができる。誘電材料２および１４（誘電率はそれぞれε_１およびε_２）の間の接触する特定の内面積を増加させる１つの方法は、ナノ構造または少なくともサブミクロン構造を提供することである。

図３は、代替的なエンボス加工製造プロセスを例証しており、図２のうちの１つとは、ネガティブ金型８’がナノ構造のキャビティ９を示す点で本質的に異なる。係るキャビティは、金型を陽極酸化処理または化学エッチングすることにより得ることができる。加えられる圧力は、図２におけるプロセスのものよりも高い可能性がある。

代替的に、または図３の代替的プロセスに加えて、接触層の内側は、ポリマーの仕様（すなわち分解温度より低い）に対応するプロセス温度でナノ粒子を堆積させることによる付加製造に供することができる。例えば、ナノワイヤのスピンコーティング（例えば、ジアゾニウム塩によるグラフト化もしくはポリドーパミンによるグラフト化などの特定の化学作用により、またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ−原子層堆積）によりポリマー上にグラフトしたカーボンナノチューブ）、８０℃〜１８０℃のポリマーの低温度の相溶性にて、ＡＩ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯなどの絶縁体。ＡＬＤによって堆積したＺｎＯ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＣｄＳなどのウルツ鉱型材料もまた、デバイス上に付与された機械的歪みによって引き起こされた電圧出力に非常に有利な圧電性の効果を与える。ＡＬＤプロセスのパラメータによっては、自由担体濃度を１０^２０ｃｍ^−３〜１０^１４ｃｍ^−３、導電率を０．０１ｏｈｍ．ｃｍ〜２０００ｏｈｍ．ｃｍ、に制御することができ、ＺｎＯの優先低導電率構造によって摩擦によって生成された帯電を保持する。

誘電材料の選択的なエッチングによりサブトラクティブ製造プロセスを使用することもできる。例えば、ＩＣＰ／ＲＩＥ（誘導結合プラズマ／反応性イオンエッチング）によるドライエッチングは、ナノピラーのドライエッチングの後に化学エッチングによって除去された保護犠牲金属ドットの最初の堆積無しまたは有りで、ポリマーのナノピラーの高いアスペクト比を引き起こすことができる。実現化の実施例を例証するために、プラズマＲＩＥドライエッチング（０２：Ａｒ、Ｐ＝４００Ｗａｔｔｓ、ｐ＝２０ｍ Ｔｏｒｒ）を適用し、摩擦帯電発電機のポリマー性接触層（ＦＥＰおよびポリイミドＰＩ）の内部のサブマイクロメートルの粒（約５００ｎｍの直径）を得る。これらのナノ構造の巨視的な証明は、脱イオン水の液滴に対する得られたＦＥＰの超疎水性の挙動およびＰＩ超親水性の挙動である。

各接触層の裏面（プラズマにより活性化）は、金属（金、アルミニウム、銅、ニッケル、銀、白銀）のＰＶＤ（物理蒸着）スパッタリングによって金属被覆して電極を実現することができる。優先的には、金属は酸化または腐食に対するその耐薬品性によって金であるか、または低価格であるニッケルもしくはアルミニウムである。

図４は、摩擦帯電発電機１２が、第１の変形可能な絶縁体接触層接触層２（例えば上述されるような）、および第２の絶縁体接触層１４を含むことを概略的な方法で例証する。第１の接触層の裏面２．１上に、第１の電極１６および、同様に第２の接触層１４の裏面１４．１に第２の電極１８が提供される。明らかなように、第１の接触層２は変形可能であり、外側で固定されるかまたは埋め込まれる。この固定されるまたは埋め込まれた高みは、上述したエンボス加工された膜のキャビティ４の外周に対応する。言い換えると、図４に例証される接触層２の１部分はエンボス加工された膜のキャビティ４のうちの１つの底壁に対応し、層の１部分の材料は単一であり、層のその他の部分と連続している。

接触層２の１部分は、反対の電荷（例えば、第１の層２の接触面２．２上の正電荷および第２の層１４の接触面１４．２上の負電荷）の蓄積により、外力の下でおよび引力の下で変形可能である。第２の層１４は剛性であると理解される。したがって半径ａは、キャビティ４の平均半径に対応する（図１〜３）。２つの接触層２および１４の間のギャップは、ｇ_０と記される。層２のピーク変形は、Ｗ_ｐｋと記される。発電機は、電気的に、直列の３つのコンデンサＣ１、Ｃ、およびＣ_２と理解される。キャパシタンスＣ_１およびＣ_２は、固定され、接触層２および１４とそれぞれ対応すると理解される。それらは従って、ジオメトリおよび２つの層のそれぞれの誘電率ε_１およびε_２によって決定される。キャパシタンスＣは、接触層２および１４の間の空気ギャップにより変動する。平衡での電荷補償効果によって、Ｑ_１＝Ｃ_１．Ｖ_１＝Ｑ_２＝Ｃ_２．Ｖ_２＝−Ｑの電荷Ｑに起因して２つの電極１６および１８の間の合計電圧Ｖ_{ｔｏｔａｌ}を測定することができる。また、層の変形に対応するキャパシタンスの変動は次のように表すことができる。

式中、π．ａ^２＝Ｓは、膜の表面積を表す。Ｉ．Ｏ．Ｗｙｇａｎｔ， Ｍ．Ｋｕｐｎｉｋ，Ｂ．Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ，“Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｌｙ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ Ｃｉｒｃｕｌａｒ ＣＭＵＴ Ｃｅｌｌ”，２００８ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐｐ．２１１１−２１１４，ＤＯｌ：１０．１１０９／ＵＬＴＳＹＭ．２００８．０５２２，ｌａｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎａｔｅｄ Ｗｙｇａｎｔが、本明細書で参照される。

また、Ｗｙｇａｎｔによると、プレート領域全体の偏差を平均化すると、平均プレート偏差はピーク偏差の１／３となることを以下のように示す。

アップデートされたキャパシタンスの発現では、

を得る。

異なる半径ａの値について、キャパシタンスＣおよび電圧Ｖ_{ｔｏｔａｌ}の変動対層２の変形は、図５および６のグラフにて例証される。

その一方で、摩擦によって絶縁体上に生成された電荷密度σは、誘電材料ε_１およびε_２の層２および１４の間の引力を引き起こす静電力を生成する。相対静電エネルギーは、次の式によって求められる。

対応する静電力と：

この力は、

の空気ギャップキャパシタンスの逆の一次導関数に依存する。

したがって、この静電引力を相殺する、同様に２つの誘電材料２および１４粘着（スティクション）を相殺するためには、粘着を防止するために接触層のジオメトリは、機械的な力を有する高機械的剛性が得られるように設計される。変形可能層の寸法は、２つの誘電材料の機械的接触による摩擦帯電性電荷密度を生成するためにその上に加えられた機械的圧力に対してソフト変形可能にするために設定される必要がある。このように、トレードオフを見出す必要がある。したがって、変形可能層の剛性を次のように表現することができる。Ｗｙｇａｎｔにしたがって、

Ｅ、ｔ、ｖ、はそれぞれ変形可能層のヤング率、厚さおよびポアソン比である。これによりススプリングの機械的エネルギーを得ることができる。

スプリングの関連する機械的な力では、つねに偏差Ｗ_ａｖｇの方向とは反対である。

システムの総エネルギーは次のように定義される：
Ｅ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｅ_ｅｌｅｃ＋Ｅ_ｍｅｃａ

そしてシステムの総力は：
Ｆ_{ｔｏｔａｌ}＝Ｆ_ｅｌｅｃ＋Ｆ_ｍｅｃａ

異なる半径ａの値について、力Ｆ_{ｔｏｔａｌ}およびエネルギーＥ_{ｔｏｔａｌ}対層２の変形に変動は図７および８のグラフにて例証される。偏差Ｗ_ａｖｇの平衡ポイントについて総力は０に等しい。もしこの平衡ポイントの第１の導関数（または勾配）が正であれば、偏差位置Ｗ_ａｖｇは安定であり、もし勾配が負であれば偏差位置Ｗ_ａｖｇ不安定である。これは図８における総エネルギーグラフに相当し、最小は偏差位置Ｗ_ａｖｇが安定であることを意味し、最高は偏差位置Ｗ_ａｖｇが不安定であることを意味する。

図８で見られるように、膜半径０．５ｍｍ≦ａ≦２ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ≦ａ≦１ｍｍ、より好ましくはａ＝１ｍｍについて機械的な力と静電引力との間におけるトレードオフが得られ、摩擦帯電電荷を生成するために２つの材料の間の接触面積を最大化する。エンボス加工された各キャビティのデザインは、１０以上スプリングの機械的な力Ｆ_ｍｅｃａの静電力Ｆ_ｅｌｅｃに対する比を得るために、深さおよび面積の点から決定される。

この例のトレードオフを計算する例について、電荷密度を５０μＣ／ｍ^２で固定し、これはここで検討される（ε_１にＦＥＰおよびε_２にポリイミド）材料で達成可能な最大閾値であり、文献のデータに従っている。

本発明の利点を論証するために、以下の４つの摩擦帯電発電機を作製した：
−構成（１）：「扁平」すなわち、ポリマー接触層にエンボス加工は無く、内面にプラズマ処理が無い。
−構成（２）：「扁平＋プラズマ処理」すなわち、ポリマー接触層にエンボス加工は無いが、２つの内面にプラズマ処理がある。
−構成（３）：「エンボス加工される」すなわち、ＦＥＰ接触層にエンボス加工はあるが、内面にプラズマ処理が無い。
−構成（４）：「エンボス加工＋プラズマ処理」すなわち、ＦＥＰ接触層にエンボス加工があり、２つの内面にプラズマ処理がある。

摩擦帯電発電機の各構成は、１０ＭＯｈｍ入力インピーダンスにてオシロスコープのプローブ１／１０と接続され、発電機の負荷電荷に対応する。

図９は、連続的接触モード（すなわち、断続的な指タップによって）で運転されている間の従来の平「扁平」摩擦帯電発電機の電圧出力を示す。１０回実施後に、電圧出力の振幅が有意に減少したことを記録することができる。実際、２つの絶縁体材料の連続的な接触は、摩擦による静電電荷を生成する。２つのポリマー接触層の内面におけるこれらの反対の電極各は、スティクションと呼ばれる２つの層が準静的凝集するまで、接触層の間の空気ギャップ距離を減少させ静電引力を生成する。この問題はエンボス加工されたポリマー接触層を使用する本発明で解決される。

図１０および１１は、上述される４つの摩擦帯電発電機の各構成についての出力電圧および瞬間出力電力をそれぞれ示す。電気出力は、指先で数回優しく機械的にタップし、数秒間のタッピングにおける振幅が安定した後に生成される。明確にするために、曲線はＹ軸に沿ってシフトする。構成１による「扁平」発電機について、２ボルトの最大振幅が計測された。構成２のプラズマ処理では、構成１と比較して電圧出力のこのレベルの向上はなかった。実際、特に電荷密度が高いため、２つの扁平な接触層間の引力による静的凝集が、この小さな振幅の原点にある。エンボス加工された発電機（構成３）について、エンボス加工されたポリマー接触層（ここではＦＥＰ）と扁平なポリマー接触層（ここではポリイミド）との間に維持された一定の空気ギャップのおかげで８ボルトの最大振幅に電圧出力が安定する改善が観察できる。

内面にプラズマ処理を追加することで、電荷密度σおよびその結果として出力電圧（１６ボルトの最大振幅まで）を前述した方程式に従って増加することができる。

図１２および１３は、図１０および１１と同様に、上述される４つの摩擦帯電発電機の各構成についての出力電圧および瞬間出力電力を例証しており、指の先端で優しく横に擦る摺動モードで運転されている。出力レベルは、接触モードを比較して一般的に低くはあるが、エンボス加工された構造がより高い出力電圧を安定する、特にポリマー接触層の内面をプラズマ処理した電荷密度σを改善するという同様の傾向を観察した。

Claims (28)

1. 摩擦帯電発電機のための接触帯電部材（２、１６）であって、前記接触帯電部材は、
   接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦帯電直列規格を有する誘電材料により作製された、接触面（２．２）および裏面（２．１）を有する接触層（２）、および
   前記接触層（２）の前記裏面（２．１）に沿って配置される電極層（１６）を含み、
   前記接触層（２）の前記接触面（２．２）は、連続したキャビティ（４）を示すためにパターン加工されており、各々のキャビティは、開口部および開口部にまで伸縮変形するために可撓性の底部を有することを特徴とする、接触帯電部材。
2. 前記キャビティ（４）が、円形、六角形、長方形のうちの少なくとも１つの形状を示す、請求項１に記載の接触帯電部材（２、１６）。
3. 前記裏面（２．１）は、ネガティブにパターン加工され、接触面（２．２）に対応している、請求項１または２に記載の接触帯電部材（２、１６）。
4. 前記接触面（２．２）および／または前記裏面（２．１）の前記パターン加工は、前記接触層（２）をエンボス加工することによる、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
5. 前記接触層（２）は、２０μｍ超および／または５０μｍ未満の厚さを有する、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
6. 前記接触層（２）の前記誘電材料は、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、ＰＶＤＦ、ＰＶＤＦ、ｔｒＦＥ等のフッ化炭素、ポリエーテルエーテルケトンＰＥＥＫ、ポリエーテルケトンＰＥＫ、ポリイミドＰＩ、ポリアミドイミドＰＡＩ、ポリアミドＰＡ、ポリエチレンＰＥ、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴマイラ、ポリエーテルスルホンＰＥＳ、ポリフェニレンサルファイドＰＰＳからなる群より選択され得る熱可塑性物質であり、好ましくは、ふっ素化エチレンプロピレンＦＥＰまたはポリイミドＰｌである、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
7. 前記キャビティ（４）が、２ｍｍ以下および／または０．５ｍｍ以上の平均半径ａを示す、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
8. 前記キャビティ（４）が、５０μｍ超および／または１４０μｍ未満の定深度を示す、請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
9. 前記パターン加工がハチの巣形状である、請求項１〜８のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
10. 前記キャビティ（４）の底部の前記接触面（２．２）が、サブミクロンまたはナノ構造を示し、それによって特定の接触面を増加する、請求項１〜９のうちいずれか一項に記載の接触帯電部材（２、１６）。
11. 摩擦帯電発電機（１２）であって、
    接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦帯電直列規格を有する誘電材料により作製された、接触面（２．２）および裏面（２．１）を有する接触層（２）、並びに接触層（２）の裏面（２．１）に沿って配置された電極層（１６）を含む、第１の接触帯電部材（２、１６）と、
    接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦帯電直列規格を有する誘電材料により作製された、接触面（１４．２）および裏面（１４．１）を有する接触層（１４）、並びに接触層（１４）の裏面（１４．１）に沿って配置された電極層（１８）を含む、第２の接触帯電部材（１４、１８）と、を備え、
    前記第１の接触帯電部材（２、１６）および前記第２の接触帯電部材（１４、１８）は、お互いの前にそれぞれの接触面（２．２、１４．２）を有し、前記接触面の間に押圧および／または摺動接触を可能にするように構成され、
    前記第１の触帯電部材（２、１６）が、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載されることを特徴とする、摩擦帯電発電機（１２）。
12. 前記第２の接触帯電部材（１４、１８）が、扁平な接触面（１４．２）を示し、好ましくは、サブミクロンおよび／またはナノ構造を有する、請求項１１に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
13. 前記第１の接触帯電部材（２、１６）の前記誘電材料は、ふっ素化エチレンプロピレンＦＥＰであり、前記第１の接触帯電部材（２、１６）の前記接触面（２．２）は、超疎水性の挙動を示し、前記第２の接触帯電部材（１４、１８）の前記誘電材料はポリイミドＰＩであり、前記第２の接触帯電部材（１４、１８）の接触面（１４．２）は、超親水性の挙動を示す、請求項１１または１２に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
14. 前記第１の接触帯電部材の前記接触層（２）の前記キャビティ（４）は、開口部にまで変形した場合の底部の機械的な力Ｆ_ｍｅｃａが、前記接触層（１４）と前記第２の接触帯電部材の前記接触層との間の静電力Ｆ_ｅｌｅｃよりも少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きくなるような平均半径ａを示す、請求項１１〜１３のうちいずれか一項に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
15. 前記機械的な力Ｆ_ｍｅｃａが、
    Ｆ_ｍｅｃａ＝＝−ｋ_１・Ｗ_ａｖｇ
    であり、式中、Ｋ_１は前記第１の接触帯電部材の前記接触層（２）の材料の剛性であり、Ｗ_ａｖｇは、底部の最大変形を３で割ったものである、請求項１４に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
16. 前記静電力Ｆ_ｅｌｅｃが、
    であり、式中、σは前記第１の接触帯電部材の前記接触層（２）の材料の最大電荷密度であり、Ｗ_ａｖｇは、底部の最大変形を３で割ったものであり、Ｃは前記第１および第２の接触帯電部材の前記接触層（２、１４）のキャパシタンスである、請求項１４または１５に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
17. σが５０μＣ／ｍ^２以下である、請求項１６に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
18. 前記キャパシタンスＣが、
    であり、式中εは空気の誘電率であり、ｇ_０は、前記第２の接触帯電部材の前記接触層（１４）の前記接触面（１４．２）と前記キャビティ（４）の底部との間の距離である、請求項１６または１７に記載の摩擦帯電発電機（１２）。
19. 接触イベントにより電子を交換する性質を示す摩擦帯電直列規格を有する誘電材料により作製された、接触面（２．２）および裏面（２．１）を含む接触層（２）を製造するプロセスであって、前記プロセスは、
    前記接触層（２）の前記接触面（２．２）をパターン加工する工程を含み、
    前記パターン加工する工程が、扁平な底部を有する連続した円形または６角形のキャビティ（４）を形成するために、接触層（２）をエンボス加工することを含むことを特徴とする、プロセス。
20. 前記接触層（２）の前記裏面（２．１）上に電極層（１６）を適用する工程をさらに含み、前記接触帯電部材（２，１６）は、請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載される、請求項１９に記載のプロセス。
21. 前記電極層（１６）を適用する工程が、前記接触層（２）の前記裏面（２．１）を金属被覆することを含み、好ましくは、物理蒸着スパッタリングによるものである、請求項２０に記載のプロセス。
22. 前記エンボス加工によるパターン加工工程が、以下のサブ工程：
    ポジティブ金型（６）とネガティブ金型（８）との間の接触層（２）を押圧する工程、
    少なくとも１つの金型（６、８）を、前記接触層（２）の熱可塑性誘電材料のガラス温度Ｔ_ｇよりも高い温度にまで加熱する工程、
    前記金型（６、８）および前記接触層（２）を、ガラス温度Ｔｇを下回る温度まで冷却する工程、
    前記金型（６、８）を分離し、エンボス加工された前記接触層（２）を離型する工程、を含む、請求項１９〜２１のうちいずれか一項に記載のプロセス。
23. 前記接触層（２）の前記接触面（２．２）上の前記キャビティ（４）の底部上にサブミクロンおよび／またはナノ構造を形成する工程をさらに含む、請求項１９〜２２のうちいずれか一項に記載のプロセス。
24. 前記サブミクロンおよび／または前記ナノ構造を形成する工程が、粒の付加製造堆積および／または原子層堆積による、請求項２３に記載のプロセス。
25. 堆積した材料は、圧電性の特性を表し、ｗｕｒｔｚｉｔｅ ＺｎＯ；ＡＩＮ、ＧａＮおよび／またはＣｄＳから選択される、請求項２４に記載のプロセス。
26. 前記サブミクロンおよび／または前記ナノ構造を形成する工程が、反応性イオンエッチングによる、請求項２３に記載のプロセス。
27. 請求項１９〜２６のいずれか１項に記載される前記エンボス加工によるパターン加工工程のための金型（６、８）を製造するためのプロセスであって、
    第１の金属板および第２の金属板を提供する工程であって、前記金属は、好ましくは、銅またはアルミニウムである工程、
    前記第１の金属板の主面をパターンのネガ型フォトレジストマスクでコーティングし、前記第２の金属板の主面をパターンのポジ型フォトレジストマスクでコーティングする工程、
    マスクが提供された前記第１の金属板および前記第２の金属板の主面にフォトリソグラフを適用する工程、
    前記第１の金属板および前記第２の金属板上の前記マスクを除去する工程、並びに
    前回フォトレジストマスクによってカバーされていなかった領域において金属板の深さで湿式化学エッチングによって金型の凹凸を構成する工程、を含むプロセス。
28. 請求項１１〜１８のいずれか１項に記載される摩擦帯電発電機（１２）の前記第１の接触帯電部材（２、１６）を寸法取りするプロセスであって、前記第１の接触帯電部材の前記接触層（２）の前記キャビティ（４）の平均半径ａは、開口部にまで変形した場合の底部の機械的な力Ｆ_ｍｅｃａが、前記接触層（１４）と前記第２の接触帯電部材の前記接触層との間の静電力Ｆ_ｅｌｅｃよりも少なくとも５倍、好ましくは１０倍大きくなるように選択される、プロセス。