JP5353865B2 - 発電装置及び発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置及び発電方法に関する。

従来、発電装置としては、筒形部材の内部に風力や水力による流体エネルギーを受けて起電力を発生する複数の振動板と圧電素子とからなる振動起電力発生部材を配置し、これらからの起電力を起電力集電装置によって集電することにより、集電された起電力が充電装置によって蓄電池に充電されるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。この装置では、筒形部材の内部を風や水力が通過するとき、流速が高まるとともに、乱気流が発生するため、振動起電力発生部材が比較的小さくても起電力を効率よく生じさせることができる。

特開２０１０−１６９０５４号公報

しかしながら、上述の特許文献１の発電装置では、圧電素子により発電するものである。圧電素子の発電は、結晶に歪みを与え分極現象を起こし、電力を取り出すことから、歪みを与えたあと反作用により結晶は機械振動するため、外部回路に取り出された電気信号はゼロボルトを中心に振動する。このため、整流回路などが必要であった。このような発電装置に対して、より構成の簡素化や小型化などを図るものが求められていた。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、新規な発電装置及び発電方法を提供することを主目的とする。

上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、半導体と金属とを摩擦させたり接触・離間するものとすると、発電することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の発電装置は、導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段と、を備えたものである。

また、本発明の発電方法は、導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、を動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出すものである。

本発明では、新規の発電装置及び発電方法を提供することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、以下のように推測される。例えば、２つの材料の仕事関数の差により、接触・離間時、又は摩擦時などの動的接触状態において、界面に電荷移動が起きる。他方の材料へ移動した電荷はそのまま外部回路へ輸送され、電力を取り出すことができるものと推察される。また、本発明では、仕事関数の差を駆動力にしていることから、電荷は一方向にしか流れず、整流回路など、より発電装置の簡素化を図ることが可能であるものと推察される。

本実施形態の発電装置２０の構成の概略を示す構成図。 カバー３２を装着する説明図。 発電装置２０の発電機構の概要を表す説明図。 ｎ型半導体と金属との接触・離間過程におけるバンドダイヤグラム。 他の実施形態の一例を示す発電装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図。 ドープ量の異なるｎ型Ｓｉウエハ、ｐ型Ｓｉウエハの発電結果。 本実施例の発電装置の抵抗、電圧及び電流に関する関係図。 電極の種類に対するＶ−ｔ特性の説明図。 各溶液中でのＶ−ｔ特性の説明図。 エタノール及びアセトンにより脱脂したｎ^-基板の摩擦初期の特性図。 ＶＦ回路の説明図。 導電性カンチレバーを用いたＡＦＭの測定結果。 カーボンナノチューブの熱振動のＴＥＭ写真。

次に本発明を具現化した一実施形態について図面を用いて説明する。図１は本実施形態の発電装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、カバー３２を装着する説明図である。発電装置２０は、第１の材質で形成された第１部材としてのカンチレバー２２と、半導体でありカンチレバー２２と異なる材質で形成された第２部材としての被接触部材２４と、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段としての動的発電部３０とを備えている。この発電装置２０は、カンチレバー２２と被接触部材２４とが固定部２８を介して固定されている発電素子１０（図１吹出参照）が、導電性を有する集電部２３によって集積された構造を有している。

カンチレバー２２は、一端が被接触部材２４に対して位置を固定する固定端２２ａであり、他端が自由端２２ｂとなっている可撓性を有する細長い板状体である。このカンチレバー２２は、他の複数の板状体と固定端２２ａ側で集電部２３に接続されており、自由端２２ｂ側が振動で上下左右に移動可能となっている。この発電装置２０では、カンチレバー２２が櫛歯形状の櫛歯を形成しており、更にこの櫛歯形状が複数集積された構造に形成されている。カンチレバー２２は、例えば、導電性及び可撓性を有する金属で形成されていることが好ましく、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの遷移金属、Ａｌ，Ｚｎなどの典型金属、Ｐｔ，Ａｕなどの貴金属、Ｎａ，Ｋなどのアルカリ金属、Ｍｇ，Ｃａなどのアルカリ土類金属など、どのような金属で形成されていてもよい。このうち、資源量や化学安定性、導電性の観点から、遷移金属が好ましい。なお、ここではカンチレバー２２は板状体に形成されているものとしたが、被接触部材２４に動的接触するものとすれば、特にこれに限定されず、棒状体、円柱状体、球状体など、どのような形状としてもよい。ここで、「動的接触」とは、一方が他方に対して動いて接触することをいい、例えば摩擦接触や、接触・離間の繰り返しなどを含む。集電部２３は、導電性を有する部材で形成されていればよく、カンチレバー２２と同じ部材で形成されていてもよいし、カンチレバー２２と異なる部材で形成されていてもよい。

被接触部材２４は、主として半導体により形成されており、カンチレバー２２が接触可能である接触面２５を有する、板状体の形状に形成されている。被接触部材２４は、例えば、ｎ型半導体、ｐ型半導体、不純物をドープしたものであってもよいし、真性半導体などであってもよい。半導体としては、例えば、Ｓｉ，ＧｅなどのIV族半導体、ＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯなどのII−VI族半導体、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどのIII−Ｖ族半導体、 ＳｉＣ、ＳｉＧｅなどのIV族化合物半導体、 ＣｕＩｎＳｅ₂（カルコパイライト系半導体）などのI-III-VI族半導体や、有機半導体などが挙げられる。なお、被接触部材２４は、板状体であるとしたが、カンチレバー２２に接触可能な接触部分を有していれば、特にこれに限定されず、例えば、柱状体としてもよいし、基板に形成された膜状体としてもよい。

動的発電部３０は、カンチレバー２２に接続された第１端子２６と、被接触部材２４に接続された第２端子２７と、カンチレバー２２と被接触部材２４とが接触可能な状態で各々を固定する固定部２８と、を備えている。第１端子２６は、カンチレバー２２の固定端２２ａ側に配設された集電部２３に接続されており、この第１端子２６を介して外部回路と電気的に接続する。なお、第１端子２６は、集電部２３に接合されていてもよいし、集電部２３と一体成形されていてもよい。第２端子２７は、被接触部材２４の表面に配設されており、この第２端子２７を介して外部回路と電気的に接続する。なお、第２端子２７は、被接触部材２４に接合されていてもよいし、被接触部材２４と一体成形されていてもよい。固定部２８は、絶縁体による板状体、あるいは膜状体に形成されており、その一方の面が被接触部材２４の表面に固定され、他方の面がカンチレバー２２の固定端２２ａ側に固定されている。この固定部２８は、カンチレバー２２と被接触部材２４の接触面２５とが摩擦接触可能、接触・離間可能なクリアランスを有する厚さ及び形状に形成されている。そして、この動的発電部３０により、カンチレバー２２の振動に伴う被接触部材２４との動的接触により生じた電力を外部回路へ取り出し可能となっている。

また、発電装置２０は、図２に示すように、カンチレバー２２などの保護と、カンチレバー２２への通風ガイドを兼ねた構造部としてのカバー３２を備えている。このカバー３２は、カンチレバー２２の上方を覆う部材であるが、その上面の中央に通風口３３が形成されると共に、その側面に通風口３４ａ，３４ｂ，３４ｃが形成されており、カンチレバー２２へ送風を供給可能となっている。この送風を受けたカンチレバー２２が被接触部材２４の表面を動的接触する。

次に、こうして構成された本実施形態の発電装置２０の発電動作について説明する。図３は発電装置２０の発電機構の概要を表す説明図であり、図４は、ｎ型半導体と金属との接触・離間過程におけるバンドダイヤグラムである。図３に示すように、発電装置２０は、音、液体、風及び熱のうち１以上を与えることによりカンチレバー２２などへ振動を与え、金属で形成されたカンチレバー２２と、半導体で形成された被接触部材２４とが動的接触することにより、発電するものである。発電装置２０は、例えば、モーターやエンジンなど動作の際に振動する装置の近傍、スピーカーなど音を発生する装置の近傍、走行風や自然風などを受ける装置の近傍、及び燃焼装置やエンジンなど発熱する装置の近傍に発電装置２０を配設することによって振動を受けるものとしてもよい。こうすれば、発電用ではない余剰のエネルギーなどを有効利用し、発電を行うことができる。なお、発電用の振動エネルギーを発電装置２０へ積極的に与えて発電するものとしてもよい。この発電方法において、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させるに際して、カンチレバー２２と被接触部材２４とを接触及び離間させるものとしてもよいし、カンチレバー２２と被接触部材２４とを摩擦させるものとしてもよい。

この発電機構の詳細は、明らかではないが、以下の機構が予想される。例えば、２つの材料の仕事関数の差により、接触・離間時、又は摩擦時などの動的接触状態において、２つの材料の界面に電荷移動が起き、一方の材料から他方の材料へ移動した電荷はそのまま外部回路へ輸送され、電力を取り出すことができるものと推察される。この発電機構では、仕事関数の差を駆動力にしていることから、電荷は一方向にしか流れない。例えば、図４に示すように、仕事関数φ_Mの金属と仕事関数φ_Sの半導体とが動的接触する場合、接触させる瞬間、仕事関数の違いにより半導体から金属へ電子が移動し、それぞれのフェルミ準位が一致する（図４のＥ_FSとＥ_FM参照）。結果的に、半導体表面、即ち金属−半導体界面には、高さφ_M−φ_Sのショットキー障壁が形成される。ダイオード応用などにはこのショットキー障壁を利用している。一方、接触を動的に繰り返した場合は、十分に検討されてはいないが、以下のように推察される。例えば、離間の瞬間、ショットキー障壁領域の空乏領域を埋めるように半導体の深い位置から表面へ電子が拡散し、電荷の空間分布が均一になる。外部負荷を無限大とすると、離間後は接触前と比べてフェルミ準位が下がった状態（イオン化状態）にある（図４のＥ_FS→Ｅ_FS’参照）。このポテンシャルが外部回路からキャリアを引っ張る駆動力となり、外部からキャリアがドリフトすることになる。したがって、接触・離間を繰り返すことにより、連続的にキャリアが外部回路を流れることになり、発電が起きるものと推察される。接触・離間と摩擦との違いについて考察すると、摩擦するときの互いの材料は常に接触しているが、上述と同様に離間過程が含まれているものと推察される。例えば、半導体を固定して金属を摩擦する場合を考える。この場合、初期接触位置Ａには接触点を中心に空乏領域が形成され、次の瞬間その空乏領域から離れた場所へ移動すると次の接触位置Ｂに空乏領域が形成される。この瞬間が離間過程と同等であると考えられる。また、接触位置Ａの空乏領域へその周辺からキャリアが拡散する。このように、接触位置Ａから接触位置Ｂへ、又は接触位置Ｂから接触位置Ａへの過程を繰り返すことにより、接触・離間を繰り返し行うことと等価になるものと推察される。このように、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させることによって、電荷は一方向に流れ、発電が起きるものと推察される。そして、発電電圧の正負は、動的接触する第１部材の材質と第２部材の材質とにより定められるものと推察される。

この発電方法では、例えば、カンチレバー２２と被接触部材２４とを動的接触させるに際して、カンチレバー２２及び被接触部材２４をガス雰囲気中、真空中、液体中のうちいずれか１つの環境内で動的接触させてもよい。仕事関数の差を駆動力にしていることから、発電環境に影響されないものと推察される。ガス雰囲気としては、たとえば、大気中や、Ｈｅ，Ａｒなどの不活性雰囲気中としてもよい。液体としては、例えば、水や、有機溶媒、油などとしてもよい。水としては、純水や水道水であってもよい。有機溶媒としては、例えば、ベンゼン、シクロヘキサンなどの炭化水素系の溶媒、メタノールやエタノールなどのアルコール、グリコールなどのジオール、アセトンなどのケトンなどとしてもよい。この発電方法によれば、例えば、従来なかったようなナノサイズなどの小型の発電装置を提供することができるものと推察される。また、電荷は一方向に流れて発電が起きるため、整流装置などをより簡素化することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば上述した実施形態では、カンチレバー２２と被接触部材２４とが接触面２５において動的接触するものとしたが、互いに異なる材質の部材が動的接触するものとすれば、特にこれに限定されない。例えば、図５は、他の実施形態の一例を示す発電装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。この発電装置２０Ｂは、金属製の棒状体２２Ｂと、棒状体２２Ｂが挿入される挿入孔２５Ｂが複数形成された半導体製の被接触部材２４Ｂと、棒状体２２Ｂと被接触部材２４Ｂとを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電部３０Ｂとを備えている。この動的発電部３０Ｂは、棒状体２２Ｂに電気的に接続された第１端子２６Ｂと、被接触部材２４Ｂに電気的に接続された第２端子２７と、図示しない筐体などに配設され挿入孔２５Ｂに棒状体２２Ｂが挿入された状態で棒状体２２Ｂを固定する絶縁性の固定部２８Ｂとを備えている。この固定部２８Ｂは、棒状体２２Ｂと被接触部材２４Ｂとが動的接触する位置で棒状体２２Ｂを固定する。この発電装置２０Ｂにおいても、棒状体２２Ｂが挿入孔２５Ｂの内周面に動的接触することにより、発電することができる。なお、棒状体２２Ｂの長さを調節し、棒状体２２Ｂの振動周波数を調節するものとしてもよい。

上述した実施形態では、第１部材としてのカンチレバー２２が金属で形成され、第２部材としての被接触部材２４が半導体で形成されているものとしたが、各々の材質が異なるものとすれば特に限定されず、第１部材（カンチレバー）が導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成されていてもよい。また、カンチレバー２２は、金属で形成されているものとしたが、これに限らず、導電性を有する材質、例えば、カーボンなどによって形成されていてもよい。更に、第１部材及び第２部材は、材料の仕事関数に差があればよく、例えば、第１部材が半導体で形成され、第２部材が第１部材と異なる半導体で形成されているものとしてもよい。このとき、第１部材（カンチレバー）の半導体は、被接触部材２４の説明で挙げた種々の半導体のうちいずれかを用いることができる。あるいは、カンチレバーを半導体で形成し、被接触部材を導体で形成するものとしてもよい。即ち、カンチレバーを第２部材とし、被接触部材を第１部材としてもよい。

上述した実施形態では、「動的発電手段」を第１端子２６，第２端子２７及び固定部２８により構成するものとして説明したが、これに加えて、第１部材（カンチレバー２２）と第２部材（被接触部材２４）とに振動を与える振動付加装置を含むものとしてもよい。この振動付加装置としては、例えば、振動や送風を与えるモーターや、熱を与えるヒーター、送風を導くフードなどが挙げられる。

以下には、本発明の発電装置を具体的に検討した内容を実験例として説明する。ここでは、オシロスコープを用いたマクロ領域での測定と、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いたナノ領域での測定を主として行った。

［マクロ領域での測定］
Ｓｉウエハと金属とを摩擦し、発生電圧の時間変化を観察した。使用した装置は、オシロスコープ（テクトロニクス社製ＴＤＳ−２１０）、プローブ（オシロスコープに付属のＮｉ材）、鰐口クリップ（Ａｌ又はＮｉ）、デジタルマルチメータ、アナログテスタである。これらを用いて、プローブに負荷抵抗Ｒ_Lを接続し、オシロスコープで電圧の時間変化を観察した。オシロスコープは、ＧＰＩＢインターフェイス経由でコンピュータへ出力した。ここでは、表１に示すウエハを試料として用いた。各ウエハは、ドープ量が多いものを「ｐ⁺，ｎ⁺」とし、ドープ量が普通であるものを「ｐ，ｎ」とし、ドープ量の少ないものを「ｐ^-，ｎ^-」と便宜的に称するものとした。

＜半導体のキャリアタイプ及びドープ量に対する発電特性＞
購入した状態の各種Ｓｉウエハを表面処理無しでＮｉプローブで摩擦し、起電力を測定した。図６は、ドープ量の異なるｎ型Ｓｉウエハ、ｐ型Ｓｉウエハの発電結果である。このときの負荷抵抗Ｒ_Lを５００ｋΩとし、摩擦速度はおおよそ１×１０¹ｃｍ／ｓであった。図６に示すように、キャリアタイプとキャリア濃度にかかわらず１００〜２００ｍＶの正電圧が得られた。一方、ｎ型及びｐ型と、ｎ^-及びｐ^-とを比較すると、ｐ型の方が電圧が高い傾向を示した。また、ｎ型，ｐ型共にドープ量が高くなるほど（ｎ^-→ｎ→ｎ⁺）、摩擦時の電圧変化が敏感に起きているようにみえた。ｎ⁺型では、スパイク状の特性であり、ｎ^-型では矩形状に近い特性が観察された。これは、界面での電荷移動及び半導体中での電荷輸送速度がドープ量に依存することに起因する可能性を示唆している。

＜負荷抵抗依存性＞
図７は、本実施例の発電装置の抵抗、電圧及び電流に関する関係図である。図７（ａ）は、負荷抵抗Ｒ_Lと発生電圧との関係図であり、図７（ｂ）は、全抵抗Ｒ_totalとピーク電圧Ｖ_pとの関係図であり、図７（ｃ）は、ピーク電圧Ｖ_pと発生電流Ｉとの関係図である。ここでは、試料はｎ型のＳｉウエハの表面処理無しのものを用い、負荷抵抗Ｒ_L（ｋΩ）に対する発生電圧のピーク電圧Ｖ_p（ｍＶ）の関係を求めた。また、全抵抗Ｒ_total（ｋΩ）は、オシロスコープの入力インピーダンスＲ_in＝１ＭΩを考慮し、全抵抗Ｒ_total（ｋΩ）＝（Ｒ_in・Ｒ_L）／（Ｒ_in＋Ｒ_L）の式から求めた。図７（ａ）は、約２．８ｓから摩擦を始めた特性を示している。この結果、負荷抵抗Ｒ_Lの増加に伴い発生電圧が増加する傾向を示した。また、図７（ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖ_pと負荷抵抗Ｒ_Lとの関係はおおよそ直線的になっており、また、図７（ｃ）に示すように、発生電流Ｉ（μＡ）は電圧に対して略一定であるものと考えられた。この結果から、本実施例の発電装置では、負荷抵抗Ｒ_Lが１００ｋΩ以上５００ｋΩの範囲において、定電流が発生していることを示唆している。即ち、一次電池や二次電池は定電圧源であるが、この発電装置は定電流源として機能するものと推察された。

＜電極種類に対する発電特性＞
図８は、電極の種類に対するＶ−ｔ特性の説明図である。図８（ａ）の中の＋と−は、それぞれオシロスコープの＋側とＧＮＤ側とに対応する。＋側のＮｉプローブを動かした場合、正電圧が観察された。一方、ＧＮＤ側のＮｉクリップを動かした場合、Ｎｉプローブとは逆の負電圧が観察された。また、ＧＮＤ側をＡｌプローブとして動かした場合、Ｎｉプローブとは逆の正電圧が観察された。つまり、金属の種類によって発生電圧の向きが異なることがわかった。＋側を動かした場合、正電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への電子移動であると推察された。同様に、ＧＮＤ側を動かした場合、負電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への電子移動を意味している。一方、ＧＮＤ側を動かした場合、正電圧の発生が意味するのは、Ｓｉウエハから可動金属への正孔移動を意味していると推察された。図８（ｂ）に示すように、金属−半導体接触の際に形成されるショットキー障壁の高さや方向は、仕事関数によって決定される。図８（ｂ）において、上下矢印は摩擦を意味する。Ｎｉ，Ａｌの仕事関数は、それぞれ５．２ｅＶ，４．１ｅＶである。Ｓｉの電子親和力（真空準位から伝導帯下端）は、４．１ｅＶ、バンドギャップが１．１ｅＶであるので、イオン化ポテンシャル（真空準位から価電子帯上端）は５．３ｅＶである。なお、これらはバルク値なので、表面の接触を見ている本現象にそのまま当てはまるかについては疑義があるが、相対的な大小は合っていると考えても差し支えないと思われる。Ｎｉを摩擦したとき、仕事関数の関係から、例えばキャリア濃度が高すぎてフェルミ準位がバンド端を大幅に超えない範囲以下では、どのようなドープ量、キャリアタイプであっても、図８（ｂ）に示す方向にショットキー障壁が形成されると考えられる。したがって、Ｎｉを摩擦することでＳｉ表面からＮｉへ電子が移動すると考えられる。一方、Ａｌは、ホールに対するショットキー障壁を形成する。したがって、Ａｌの摩擦によってＳｉ表面からＡｌへホールが移動すると考えられる。

＜表面処理の効果と溶液中の発電＞
Ｓｉウエハの表面処理として、フッ酸処理による水素終端清浄表面、フッ酸処理無しでアセトン及びエタノールの脱脂処理による清浄表面、処理なし、素手で触ることによる汚染表面、の４種類の表面状態を形成し、発電特性を調べた。測定結果を表２に示す。表面処理後直ちに摩擦したときの特性を「摩擦初期」に、そのまま摩擦を続けて１分ほど経過したときの特性を「１分後」に、その後、十分時間が経過したあと摩擦を再開したときの特性を「再度摩擦」に示した。フッ酸処理や脱脂処理をした試料は、摩擦初期には発電しなかった。しかし、摩擦を継続するうちに電圧が発生し、ひとたび電圧が発生すると、あとは長時間経過したときの再摩擦でも発電した。無処理や汚染処理を行ったウエハは、摩擦初期から電圧が発生した。この結果より、発電特性は表面状態に応じて変わることがわかった。特に、清浄表面や脱脂表面では発電せず、むしろ汚れた表面や水分油分がついた表面の方が初期特性にはよいことがわかった。

次に、表３に各種溶液中での発電の有無の結果をまとめた。試料は、ｎ⁺−Ｓｉウエハであり、表面処理無しのものである。用いた溶液は、水道水、エタノール、アセトン及び機械油である。その結果、これらどの溶液中であっても発電することがわかった。図９は、各溶液中でのＶ−ｔ特性の説明図である。発生電圧の大小は溶液により差があり、その原因は不明であるが、エタノールでやや低い結果となった。どの溶液中でも発電可能であることから、応用範囲が広いものと考えられた。

＜測定装置由来のアーティファクトの排除＞
測定値が比較的小さいことから、ノイズの影響、動的接触以外の効果、装置由来のアーティファクトが含まれる可能性がある。ノイズに関しては、配線に同軸ケーブルを用いるとある程度除去可能であったので、特に問題はないものと考えられる。以下に、動的接触以外の影響と装置由来のアーティファクトについて考察した。

まず、光電効果の影響を検討した。金属−半導体接触によりショットキー障壁を形成すると、界面の内部電界によってキャリアが分離する。実際に、ショットキー障壁を利用した太陽電池が報告されている。本発明の発電には、光起電力の効果が含まれている可能性があることから、その影響がどの程度であるのかを検討した。図１０は、エタノール及びアセトンにより脱脂したｎ^-基板の摩擦初期の特性図である。摩擦初期では発電電圧は高くないが観察された。接触時には、負電圧が生じたが、光起電力に起因すると推察され、摩擦しなくても一定の電圧が観察された。その後、摩擦を開始すると、光起電力の電圧から２〜５ｍＶ正方向に電圧が生じた。これが動的接触の発電によるものであると考えられた。暗室で接触発電を確かめたところ、発電が確認された。ドープ量が多いウエハを用いると、光起電力の影響は小さく、光照射下と暗状態との差はほとんど見られなかった。これらの結果より、本実験で得られた発電は光起電力によるものではないことがわかった。

次に、摩擦熱による熱電効果の影響を検討した。物質は摩擦により熱が発生することから、熱電効果を考慮しなければならない。半導体内の温度分布に差があると、キャリアの輸送が起きる。実験では、半導体ウエハを金属で摩擦している。もし、熱電効果が観察されるなら、ウエハの多数キャリアが、摩擦しているところから半導体内部へ拡散することになる。即ち、キャリアタイプによって発電方向が異なるはずである。しかし、図６に示したように、電圧方向はキャリアタイプに依存していない。そして、電圧方向は、摩擦する金属材料に依存することが明らかである（図８参照）。したがって、温度分布差によるキャリア拡散は、支配的ではなく、材料固有の物性が大きく影響しているといえる。よって、摩擦熱による熱電効果の影響は無視できるくらい小さいと推察された。

続いて、装置由来の特性の影響を検討した。上述した測定結果は、デジタルオシロスコープを用いたものである。上述したものと同様の結果が、デジタルマルチメータによっても確認された。これらの装置において、入力端子に最も近い回路はプリアンプであるが、通常はバッファとしてボルテージフォロワ（ＶＦ）回路が組まれている。図１１は、ＶＦ回路の説明図である。図１１に示すように、ＶＦ回路ではオペアンプが使用される。ここで注意しなければならないのは、実際のオペアンプは、ごくわずかな（数ｐＡ〜ｎＡ）入力バイアス電流Ｉbが存在するため、入力負荷ＲにはＶi＝Ｉb×Ｒの電位差が発生する。ＶＦ回路の出力電圧Ｖ0は入力電圧Ｖiに等しいので、入力負荷Ｒが大きい場合はあたかも負荷が電池のようにみえてしまう場合がある。本実験の場合、Ｒは金属・半導体間の抵抗を意味し、入力負荷Ｒに応じた電圧が入力バイアス電流Ｉbによって発生する可能性を考慮する必要がある。もし、入力バイアス電流Ｉbによる電圧を観察しているならば、＋側でもＧＮＤ側でも摩擦する電極にかかわらず同じ方向に電圧が生じるはずである、しかし、図８（ａ）に示すように、摩擦する側の材料をＮｉに固定した場合、摩擦の極によって発生電圧の方向が異なることがわかった。また、アナログテスタは、入力回路にオペアンプを使用していないので、入力バイアス電流は存在しない。摩擦をアナログテスタでも行ったところ、デジタルテスタほど大きくはないが電圧の発生が観察された図８（ａ）のように、摩擦側の極性を変えた場合と同様の傾向が得られた。したがって、本実験で得られた摩擦による電圧は、入力バイアス電流Ｉbによるものではないことが明らかとなった。

＜マクロ領域の結果考察＞
以上の実験より明らかになったことを以下にまとめる。まず、Ｓｉウエハのキャリアタイプによらず同一方向に電圧が発生する。また、Ｓｉウエハのドープ量に応じて発生電圧の応答時間が異なる。負荷抵抗と発生電圧は直線的で、測定領域内では、定電流が発生する。摩擦する金属の種類によって発生電圧方向が異なる。Ｓｉウエハの表面を洗浄（フッ酸処理、有機溶剤処理）すると、摩擦初期は発電しない。水、エタノール、アセトン及び機械油の中で摩擦しても発電することができる。光起電力、熱起電力、装置から来るバイアス電流による影響は無視できる。以上のことが明らかとなった。

［ナノ領域の測定］
導電性カンチレバーを用いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ｖｅｅｃｏ社製Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ）を利用して、トポグラフと電気伝導特性とを同時に測定した。導電性カンチレバーとしては、ダイヤモンドライクカーボンを被覆したＳｉ製カンチレバーを用いた。試料には、表面をフッ酸処理したＳｉウエハを用いた。

＜ＡＦＭ測定結果＞
図１２は、導電性カンチレバーを用いたＡＦＭの測定結果である。凹凸像と電流像とは、同じ領域の測定結果である。凹凸像の溝の位置を反映して負電流が流れた。特に、溝のふち部分で電流が流れた。したがって、ナノ領域の解析から、ナノ凹凸のエッジ部分が発電サイトになっていることがわかった。

［発電メカニズムの提案］
図４に示すように、金属の仕事関数φ_M及び半導体の仕事関数φ_Sが動的接触する場合、接触させる瞬間、仕事関数の違いにより半導体から金属へ電子が移動し、それぞれのフェルミ準位が一致する。結果的に、半導体表面、即ち金属−半導体界面には、高さφ_M−φ_Sのショットキー障壁が形成される。一方、接触を動的に繰り返した場合は、例えば、接触状態、離間の瞬間、ショットキー障壁領域の空乏領域を埋めるように半導体の深い位置から表面へ電子が拡散し、フェルミ準位が下がった状態となる。このポテンシャルが外部回路からキャリアを引っ張る駆動力となり、外部からキャリアがドリフトすることにより、連続的にキャリアが外部回路を流れ、発電が起きるものと推察される。２つの材料を摩擦する際にも、接触位置が変更されることにより、接触・離間を繰り返し行うことと等価になるものと推察される。このような発電機構であるものと推察された。

図１３は、カーボンナノチューブの熱振動のＴＥＭ写真である。このように、ナノサイズの微小な部材では、熱振動することから、この熱振動の特性を用いて、発電装置を構成し、発電を行うことができると予想される。

本発明は、電力の供給を行う発電分野に利用可能である。

１０ 発電素子、２０，２０Ｂ 発電装置、２２ カンチレバー、２２ｂ 自由端、２２Ｂ 棒状体、２２ａ 固定端、２３ 集電部、２４、２４Ｂ 被接触部材、２５ 接触面、２５Ｂ 挿入孔、２６，２６Ｂ 第１端子、２７，２７Ｂ 第２端子、２８，２８Ｂ 固定部、３０，３０Ｂ 動的発電部、３２ カバー、３３，３４ａ〜３４ｃ 通風口。

Claims (10)

1. 導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、
   半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出す動的発電手段と、を備え、
   前記第１部材は、振動可能な板状体又は棒状体の形状に形成され、前記第２部材は、前記第１部材が接触可能である接触面を有する板状体の形状に形成されているか、
   前記第２部材には１以上の前記第１部材の各々が挿入される１以上の挿入孔が形成されており、前記動的発電手段は、前記挿入孔に前記第１部材が挿入された状態で該第１部材を固定する固定部、を備えており、前記第１部材と前記挿入孔の内壁とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出すか、
   の少なくとも一方を満たす、発電装置。
2. 前記第１部材は、金属で形成され、
   前記第２部材は、半導体で形成されている、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記動的発電手段は、前記第１部材と前記第２部材とを固定する固定部と、前記第１部材に接続された第１端子と、前記第２部材に接続された第２端子と、を備えており、前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の振動に伴う動的接触により生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置であって、
   前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方へ、音、液体、風及び熱のうち１以上を与える構造部、を備えた、発電装置。
5. 導体及び半導体の少なくとも一方の材質で形成された第１部材と、半導体であり前記第１部材と異なる材質で形成された第２部材と、を動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出し、
   前記第１部材は、振動可能な板状体又は棒状体の形状に形成され、前記第２部材は、前記第１部材が接触可能である接触面を有する板状体の形状に形成されているか、
   前記第２部材には１以上の前記第１部材の各々が挿入される１以上の挿入孔が形成されており、前記第１部材と前記挿入孔の内壁とを動的接触させることにより生じた電力を外部回路へ取り出すか、
   の少なくとも一方を満たす、発電方法。
6. 前記第１部材は、金属で形成され、
   前記第２部材は、半導体で形成されている、請求項５に記載の発電方法。
7. 前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方の振動に伴う動的接触により生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項５又は６に記載の発電方法。
8. 前記第１部材及び前記第２部材の少なくとも一方へ、音、液体、風及び熱のうち１以上を与えることにより生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項５〜７のいずれか１項に記載の発電方法。
9. 前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させるに際して、前記第１部材及び前記第２部材をガス雰囲気中、真空中、液体中のうちいずれか１つの環境内で動的接触させて生じた電力を外部回路へ取り出す、請求項５〜８のいずれか１項に記載の発電方法。
10. 前記第１部材と前記第２部材とを動的接触させるに際して、前記第１部材と前記第２部材とを接触及び離間させるか、前記第１部材と前記第２部材とを摩擦させる、請求項５〜９のいずれか１項に記載の発電方法。