JP5941229B2 - 液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、液体と接触する接触面の変化を利用したエネルギー変換装置に関し、より詳細には、電気湿潤（ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ）現象の反対現象を応用して機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する方法及び装置に関する。
従来の流体を利用して機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する技術は、誘電物質と当接している液体金属の接触面積を時間が経つにつれて変化させて、誘電物質の下方に位置する電極に電気静電容量を発生させる原理を利用する。
従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、米国特許第７，８９８，０９６号明細書（特許文献１）で開示されている。
図１は、従来の流体を利用したエネルギー変換装置の概念図である。図１を参照すると、従来の流体を利用したエネルギー変換装置は、細長い形状のチャネルの壁に一定のパターンで電極を形成し、電極の上部には、誘電物質層を形成する。また、チャネルの内部には、小さい水玉形状の伝導性液体と非伝導性液体を注入し、このような水玉形状の伝導性液体に外部電源から電圧を印加して伝導性液体を分極させる。
この状態でチャネルと連結されている所定の部分（図示せず）に物理的な圧力を加えるようになれば、分極された水玉形状の伝導性液体は、チャネルに沿って移動するようになり、この過程で一定のパターンで形成されている多数の電極は、移動する多数の伝導性液体滴と接触する面積が時間が経つにつれて継続的に変化するようになり、その結果、電気静電容量が変化し、電気エネルギーが生成される。
しかし、従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、実用化のためには多様な問題点を持っていた。
まず、細長いチャネル内で滴形態の液体金属が移動し、外部の力が消えれば、さらに元々の位置に戻る、可逆的な動きが難しくて、潤滑層が別に必要であるという限界点があり、チャネル目詰まり現象が発生やすくて、動作が不可能な場合が発生する。
また、従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、細長いチャネル構造を採用していて、対向する二つの電極がチャネルの壁に一定の形状にパターンされなければならず、このような構造によって、装置の構成が複雑になり、電気エネルギーを生産するモジュールの大きさが大きくなって、大量生産やコスト低減にも限界が多かった。
また、他の問題点としては、水銀またはガルリンスタン（ｇａｌｉｎｓｔａｎ）のような液体金属を使用することによって人体及び環境に有害であり、このような伝導性液体を分極させるためには、外部から別途の電源を印加することが必要であるという限界点がある。
また、従来の流体を利用したエネルギー変換方法及び装置は、チャネル構造で可逆的な動きを継続的に具現しなければならない点と、混ざらない異なる二つの種類の液体を使用しなければならないので、制御が困難であるという不都合がある。
本発明の目的は、流体を利用してエネルギーを変換する方法および装置を提供することにあり、特に、液体と装置の電極との間の接触面を変化させることによって電気エネルギーを生成する方法及び装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、エネルギー変換層を利用して、構造が簡単で且つ故障が少ない効率的なエネルギーを変換する方法及び装置を提供することにある。
前記目的を達成するために、液体と電極との間の接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、間隔をもって互いに対向するように位置する第１電極基板及び第２電極基板と、前記第１電極基板及び前記第２電極基板と接触するイオン性液体または水であって、各電極基板との間で接触面が変化する前記イオン性液体または水と、前記第１電極基板及び前記第２電極基板のうち少なくとも一つに形成されたエネルギー変換層であって、前記接触面の変化に従って電気エネルギーが発生する前記エネルギー変換層と、を備え、前記エネルギー変換層は、無機物層、有機物層および有機物と無機物の混合物層のうち少なくとも一つの層を含み、前記エネルギー変換層上に、前記浸漬の程度の変化に従って前記イオン性液体または水と接触する接触面の変化を容易にするための疎水性物質層が積層される。
好ましくは、前記エネルギー変換層には、前記イオン性液体または水と接触する前記接触面を広げるための構造物が形成されることを特徴とする。
好ましくは、複数の前記エネルギー変換装置がアレイ形態で連結されることを特徴とする。
好ましくは、前記複数のエネルギー変換装置を構成する複数の基板のうち少なくとも一部は、共通の支持構造によって支持されることを特徴とする。
好ましくは、前記電極基板の少なくとも一つは、前記イオン性液体または水への浸漬の程度が変化するように移動することによって、電気エネルギーを発生することを特徴とする。
好ましくは、前記疎水性物質層は、シラン系物質、フルオロ重合体物質、卜リクロロシラン、トリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、（ベンジルオキシ）アルキルトリメトキシシラン（ＢＳＭ−２２）、（ベンジルオキシ）アルキルトリクロロシラン（ＢＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）（ＢＣＢ）のうち少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする。
好ましくは、前記イオン性液体は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
また、本発明の液体と電極との間の接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、間隔をもって互いに対向するように位置する第１電極基板及び第２電極基板と；前記第１電極基板及び前記第２電極基板と接触する伝導性液体であって、各電極基板の接触面が変化する前記伝導性液体と；前記第１電極基板及び前記第２電極基板のうち少なくとも一つに形成されたエネルギー変換層であって、前記接触面の変化に従って電気エネルギーを発生する前記エネルギー変換層と、を備え、前記エネルギー変換層は、無機物層及び有機物層が積層されて構成されており、前記エネルギー変換層上に、前記伝導性液体が前記変化による前記接触面の変化を容易にするための親水性物質層が積層される。
好ましくは、前記有機物層または前記無機物層は、前記伝導性液体と接触する前記接触面を広げるための構造物を持つことを特徴とする。
好ましくは、複数の前記エネルギー変換装置がアレイ形態で連結されることを特徴とする。
好ましくは、前記複数のエネルギー変換装置を構成する複数の基板のうち少なくとも一部は、共通の支持構造によって支持されることを特徴とする。
好ましくは、前記電極基板の少なくとも一つは、前記伝導性液体への浸漬の程度が変化するように移動することによって、電気エネルギーを発生することを特徴とする。
好ましくは、前記親水性物質層は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩、エタクリレート（Ｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アミン作用性重合体、アミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコールまたは−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨおよびカルボキシル基−ＣＯＯＨの官能基のうち少なくとも一つを含む物質を含むことを特徴とする。
好ましくは、前記伝導性液体は、比抵抗範囲が１μΩｃｍ〜１０００μΩｃｍであり、比誘電率Ｋが５以下であることを特徴とする。
好ましくは、前記エネルギー変換層は、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ）またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（Ｃｙａｎｏｅｔｈｙｌｐｕｌｌｕｌａｎ；ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ（Ｐａｒｙｌｅｎｅ−Ｃ）、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（cross-linkedＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル）(ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド(ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド（ＰＧＬＡ）のうち少なくとも一つの物質を含む有機物層と；酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、灰チタン物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、または酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、アパタイト（Ａ１０（ＭＯ４）６（Ｘ）２）、水酸化燐灰石（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）、リン酸三灰石（Ｃａ３（ＰＯ４）２）、Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５）のうち少なくとも一つの物質を含む無機物層と；を含むことを特徴とする。
好ましくは、前記第１電極基板または前記第２電極基板は、電極を含み、前記電極は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ２およびＴｉＯ２のうち少なくとも一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくとも一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅ、ＰＰＶ）、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）のうち少なくとも一つを含む有機電極であることを特徴とする。
好ましくは、前記第１電極基板または前記第２電極基板のうち少なくとも一つは金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板であり、前記高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）および繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のうち少なくとも一つを含むプラスチック基板またはフィルムであり、前記セラミック基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素、ムライトおよびシリコンのうち少なくとも一つを含むセラミック材料を利用した基板であることを特徴とする。
好ましくは、前記第１電極基板と前記第２電極基板との間に配置された非伝導性ガス；をさらに含むことを特徴とする。
好ましくは、前記非伝導性ガスは、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
その他実施形態の具体的な事項は、詳細な説明及び図面に含まれている。
本発明は、一対の電極間で液体との接触面を変化させ、それによる電気エネルギー生成のための液体との接触面の変化を活用する。チャネル目詰まり現象を防止することや潤滑層、あるいはチャネル上に複雑にパターニングされた電極を不要にすることによって、装置の単純化、製造コストの節減とともに故障が少ないエネルギー変換装置を具現するという効果がある。
また、本発明は、別途の外部電源の印加無しに効率的な電気エネルギー変換が可能であるという長所がある。
また、本発明は、イオン性液体または水を使用することによって、人体及び環境に有害な問題点を解決するという効果がある。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる形態で具現され、但し、本実施形態は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇によって定義されるだけである。一方、本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。
図２は、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置の構造図である。図２を参照すると、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、間隔をもって互いに対向する第１電極基板２１０及び第２電極基板２２０を含み、電極基板と接触するイオン性液体または水２６０は、電極基板の間に配置されて、その接触面が変化する。
また、第１電極基板２１０または第２電極基板２２０上には、イオン性液体または水と接触する接触面の変化に従って電気エネルギーを生成する、エネルギー変換層２３０、２４０が積層されている。
本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、説明の便宜のために、イオン性液体または水２６０が第１電極基板２１０と第２電極基板２２０との間に位置するもので示したが、特定状態でそのような形態であればよく、このような位置を維持するためのどんな構造的形態に制限されて解釈されるものではない。
本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、エネルギー変換層２３０、２４０でイオン性液体または水との接触面の変化に従って第１電極基板２１０と第２電極基板２２０に含まれた電極の電気静電容量が変化することによって、電気エネルギーを発生する。
図３は、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置の動作原理を説明した概念図である。図３に示されたように、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、無機物層２３０、有機物層２４０及び疎水性物質層２５０が順に積層された第２電極基板２２０と、疎水性物質層２５０が積層された第１電極基板２１０との間を、前記第２電極基板２２０及び第１電極基板２１０に当接するようにイオン性液体または水２６０が移動することによって、電気エネルギーを発生する。
図４ａは、本発明の他の実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置の動作原理を説明した概念図である。図４ａは、一つの一実施形態として、説明の便宜のために、イオン性液体または水２６０が貯蔵された貯蔵空間４００に、エネルギー変換層が蒸着された第１電極基板２１０と第２電極基板２２０が浸漬されてから取り出されることを説明するものであるが、これに限定されて解釈されるものではない。
図４ａに示されたように、初期では、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、電気出力エネルギーが０である。その後、第１電極基板２１０と第２電極基板２２０よりなる構成部がイオン性液体または水２６０が貯蔵された貯蔵空間４００に浸漬され、第１電極基板２１０及び第２電極基板２２０に含まれた電極とイオン性液体または水２６０との間の接触面、接触面積または接触角のうち少なくとも一つが変化するようになり、一定の極性を有する電気エネルギーを発生する（Ｖ１、Ｖ２）。この際、さらに第１電極基板２１０と第２電極基板２２０よりなる構成部がイオン性液体または水２６０が貯蔵された貯蔵空間４００から抜け出ると、初期電気出力エネルギーが０の状態になる。これを繰り返すことによって、持続的なエネルギー発生を図ることができる。図４においては、一対の電極基板が同時に同一の速度で直線運動することによって、接触面積の変化が発生するもので示したが、本発明の実施形態は、これに制限されず、一対の電極基板が互いに異なる速度で移動するか、直線運動ではない運動によっても、液体に浸漬される面積、すなわち接触面積の変化が発生する場合に同一に適用されることができる。
図４ｂは、図４ａで説明している本発明の実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置の断面図である。図４ｂを参照すると、第１電極基板２１０または第２電極基板２２０は、 電極２２２が基板２２１を取り囲むように構成される。また、基板２２１を取り囲む電極２２２上に無機物層２３０、有機物層２４０及び疎水性物質層２５０が順に積層される。
このような場合、図４ａでは、一対の第１電極基板２１０、第２電極基板２２０で構成された例示を示したが、奇数の対で構成されてもよい。
さらに図２を参照すると、本発明の好ましい一実施形態によれば、エネルギー変換層は、無機物層２３０及び／又は有機物層２４０が積層されて構成される。好ましくは、このようなエネルギー変換層の形成は、パターニングや真空蒸着、またはスピンコーティングのような方法が利用されることができる。
無機物層２３０と有機物層２４０は、第１電極基板２１０または第２電極基板２２０上に積層されることに順序は構わないが、隣接して積層されなければならない。
好ましくは、無機物層２３０と有機物層２４０は、第１電極基板２１０または第２電極基板２２０上に積層されるとき、交互に繰り返して重畳されることができる。すなわち、エネルギー変換層は、無機物層２３０と有機物層２４０とを繰り返して積層することによって形成されることができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、無機物層２３０または有機物層２４０は、イオン性液体または水２６０と接触する接触面を広げるための構造物が形成されるように蒸着される。
図５ａ〜図５ｄは、本発明の一実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置のエネルギー変換層の実施形態を示す側面図である。図５ａ〜図５ｄを参照すると、本発明の一実施形態による液体と接触する接触面の変化を利用したエネルギー変換装置のエネルギー変換層として、第１電極基板５１０に含まれた電極５２０上に無機物層５３０が蒸着される。有機物層５４０は、無機物層５３０上に、凹凸形状（図５ａ）、尖った突起形状（図５ｂ）、半球形状（図５ｃ）、球体の穴形状（図５ｄ）の微細構造物が形成されるように積層される。好ましくは、有機物層５４０と無機物層５３０の手順が変わってもよく、構造物が形成されるように積層されるものが、必ず有機物層５４０である必要ない。
好ましくは、構造物が形成されるように積層された有機物層５４０上に、前記構造物形状が維持されるように、疎水性物質層５５０が積層される。
このような構造物の形状は、電極とイオン性液体または水の接触面積の変化を大きくなるようにして、電気エネルギーの発生効率を高める効果がある。
さらに図２を参照すると、本発明の好ましい一実施形態によれば、液体と接触する接触面の変化を利用した複数のエネルギー変換装置がアレイ形態で連結される。前述したように、電極とイオン性液体または水との間の接触面積の変化を大きくなるようにして、電気エネルギーの発生効率を高めるためである。
一方、このように本発明によるエネルギー変換装置が複数の形態で使用される場合、複数のエネルギー変換装置を構成する基板も、複数の対を成すようになり、このような複数の対の電極は、共通の支持構造（図示せず）によって支持されており、一定の外力などによってイオン性液体または水に浸漬されるか、接触面積が時間が経つにつれて変化できるように移動するようになる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、疎水性物質層２５０は、エネルギー変換層２３０、２４０上に、イオン性液体または水２６０と電極２１０、２２０との間の接触面の変化が容易になるように積層される。
好ましくは、疎水性物質層２５０は、エネルギー変換層が形成されていない第１電極基板２１０または第２電極基板２２０上に積層されることができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、有機物層２４０は、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ）またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（Ｃｙａｎｏｅｔｈｙｌｐｕｌｌｕｌａｎ；ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ（Ｐａｒｙｌｅｎｅ−Ｃ）、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル）（ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド(ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド(ＰＧＬＡ）のうち少なくとも一つの物質を含む。また、無機物層２３０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、灰チタン石物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、アパタイト（Ａ１０（ＭＯ４）６（Ｘ）２）、水酸化燐灰石（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）、リン酸三灰石（Ｃａ３（ＰＯ４）２）、Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５）のうち少なくとも一つの物質を含む。
好ましくは、有機物層２４０は、比誘電率（Ｋ）が４以下の物質を使用することができ、無機物層２３０は、比誘電率（Ｋ）が５以上の物質を使用することができる。
本発明の好ましい一実施形態によれば、疎水性物質層２５０は、シラン系物質、フルオロ重合体物質、卜リクロロシラン、トリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、（ベンジルオキシ）アルキルトリメトキシシラン（ＢＳＭ−２２）、（ベンジルオキシ）アルキルトリクロロシラン（ＢＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）（ＢＣＢ）のうち少なくとも一つを含む。
本発明の好ましい一実施形態によれば、第２電極基板２２０または第１電極基板２１０に使用される電極は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ２およびＴｉＯ２のうち少なくと一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくとも一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅ、ＰＰＶ）、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）のうち少なくとも一つを含む有機電極である。
また、本発明の好ましい一実施形態によれば、第２電極基板２２０または第１電極基板２１０は、金属基板、ガラス基板または高分子素材の基板である。ここで、高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアリレート（ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ、ＰＡＲ）、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）および繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のうち少なくとも一つを含むプラスチック基板またはフィルムである。また、前記セラミック基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素、ムライトおよびシリコンのうち少なくとも一つを含むセラミック材料を利用した基板である。
本発明の好ましい一実施形態によれば、イオン性液体２６０は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくとも一つを含む。
本発明の好ましい一実施形態によれば、第１電極基板２１０と第２電極基板２２０の間の空間は、非伝導性ガスで満たされるように構成される。一般的には、第１電極基板２１０と第２電極基板２２０の間の空間は、一般の空気環境でも可能である。
本発明の好ましい一実施形態によれば、非伝導性ガスは、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくとも一つを含む。
図６は、本発明の他の実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置の構造図である。図６を参照すると、本発明の他の実施形態による液体との接触面の変化を利用したエネルギー変換装置は、間隔をもって互いに対向する第１電極基板６１０と第２電極基板６２０を含み、電極基板と接触し、その接触面が変化する伝導性液体６６０が、電極基板の間に配置されている。
また、第１電極基板６１０または第２電極基板６２０上には、伝導性液体６６０と接触する接触面の変化に従って電気エネルギーを生成するエネルギー変換層６３０、６４０が積層されている。
本発明の好ましい一実施形態によれば、伝導性液体６６０は、水銀、リチウム、ガリウム、カリウム、ＮａＫ、ビスマス、スズ、ナトリウム、ナトリウム−カリウム合金などを使用することができ、比抵抗範囲が１μΩｃｍ〜１０００μΩｃｍであり、比誘電率（Ｋ）が５以下であることが好ましい。
本発明の好ましい一実施形態によれば、親水性物質層６５０は、エネルギー変換層６３０、６４０上に、伝導性液体６６０と電極基板６１０、６２０との間の接触面の変化を容易にするように積層される。
本発明の好ましい一実施形態によれば、親水性物質層６５０は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩（Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、エタクリレート（Ｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アミン作用性重合体、アミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコール、および−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨまたはカルボキシル基−ＣＯＯＨのうち少なくとも一つの官能基を含む物質を含む。
その他、伝導性液体を利用する前記実施形態において、第１電極基板６１０または第２電極基板６２０を構成する電極や基板の素材、無機物層６３０、有機物層６４０の特徴と構造、本発明のエネルギー変換装置を複数で使用することなどに関連した技術的事項は、先立ってイオン性液体または水を使用した実施形態あるいは図２、図３及び図４ａ〜図４ｂで説明された内容によって構成されることができるので、詳しい内容を省略する。
本発明は、前述したように、異種の液体を２種類以上使用する従来に比べて、チャネル内の目詰まり現象、混じり現象を防止することができ、また、潤滑層を必要とない。
また、従来の技術は、電極絶縁膜の構造を１層の自己集合分子単層（ｓｅｌｆ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）と１層の誘電層または２層以上の不導体層またはこれらの多様な組み合わせを提案しているが、本発明は、エネルギー変換効率最適のための構造を提案する。すなわち、イオン性液体を利用する場合、第１電極基板または第２電極基板のうち少なくとも一方の基板に（積層手順に従って）電極／無機物層／有機物層／疎水性物質層または電極／有機物層／無機物層／疎水性物質層の構成を有するようにし、伝導性液体を利用する場合、第１電極基板及び第２電極基板の両方に（積層手順に従って）電極／無機物層／有機物層／親水性物質層または電極／有機物層／無機物層／親水性物質層の構成を有するようにする。
なお、従来の技術によれば、伝導性液体を利用するに際して、分極のための外部電源の印加を必要としたが、本発明では、エネルギー変換層がイオン性液体を分極する役目を行うので、外部電源の印加が不要である。
以上では、本発明の好ましい実施形態及び応用例について図示して説明したが、本発明は、前述した特定の実施形態及び応用例に限定されず、請求範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能なことはもちろん、このような変形実施は、本発明の技術的思想や見込みから個別的に理解されるべきものではない。
２１０ 第１電極基板
２２０ 第２電極基板
２３０ 無機物層
２４０ 有機物層
２５０ 疎水性物質層
２６０ イオン性液体または水
２２０ 第２電極基板
２３０ 無機物層
２４０ 有機物層
２５０ 疎水性物質層
２６０ イオン性液体または水
Claims (19)
- 液体と接触する接触面の変化を利用したエネルギー変換装置であって、
間隔をもって互いに対向するように位置する第１電極基板及び第２電極基板と；
前記第１電極基板及び前記第２電極基板と接触するイオン性液体または水であって、各電極基板との間で接触面が変化する前記イオン性液体または水と；
前記第１電極基板及び前記第２電極基板のうち少なくとも一つに形成されたエネルギー変換層であって、前記接触面の変化に従って電気エネルギーを発生する前記エネルギー変換層と；を含み、
前記エネルギー変換層は、無機物層、有機物層、または有機物と無機物の混合物層のうち少なくとも一つの層を含み、
前記エネルギー変換層上に、前記イオン性液体または水と接触する前記接触面の変化を容易にするように疎水性物質層が積層されていることを特徴とするエネルギー変換装置。 - 前記有機物層及び／または前記無機物層は、前記イオン性液体または水と接触する前記接触面を広げるための構造物を持つことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
- 前記エネルギー変換装置が少なくとも１つの他のエネルギー変換装置にアレイ形態で連結されることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
- 前記エネルギー変換装置と前記少なくとも１つの他のエネルギー変換装置を含む複数のエネルギー変換装置を構成する複数の基板のうち少なくとも一部は、共通の支持構造によって支持されていることを特徴とする請求項３に記載のエネルギー変換装置。
- 前記電極基板の少なくとも一つは、前記イオン性液体または水への浸漬の程度が変化するように移動することによって、電気エネルギーを発生することを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
- 前記疎水性物質層は、シラン系物質、フルオロ重合体物質、卜リクロロシラン、トリメトキシシラン、ペンタフルオロフェニルプロピルトリクロロシラン、（ベンジルオキシ）アルキルトリメトキシシラン（ＢＳＭ−２２）、（ベンジルオキシ）アルキルトリクロロシラン（ＢＴＳ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）、ジビニルテトラメチルジシロキサン−ビス（ベンゾシクロブテン）（ＢＣＢ）のうち少なくとも一つの物質を含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
- 前記イオン性液体は、ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ、ＮａＮＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３、ＡｌＣｌ３−ＮａＣｌ、ＬｉＣｌ−ＫＣｌ、ＫＣｌ、Ｎａ、ＮａＯＨ Ｈ２ＳＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＨＦ、ＣｕＳＯ４、エチレングリコール、プロピレングリコールおよびＡｇＣｌのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換装置。
- 液体と接触する接触面の変化を利用したエネルギー変換装置であって、
間隔をもって互いに対向するように位置する第１電極基板及び第２電極基板と；
前記第１電極基板及び前記第２電極基板と接触する伝導性液体であって、各電極基板の接触面が変化する前記伝導性液体と；
前記第１電極基板および前記第２電極基板のうち少なくとも一つに形成されたエネルギー変換層であって、前記接触面の変化に従って電気エネルギーを発生する前記エネルギー変換層と；を含み、
前記エネルギー変換層は、無機物層、有機物層、および有機物と無機物の混合物層のうち少なくとも一つの層を含み、
前記エネルギー変換層上に、前記伝導性液体と接触する前記接触面の変化を容易にするような親水性物質層が積層されていることを特徴とするエネルギー変換装置。 - 前記有機物層または前記無機物層は、前記伝導性液体接触する前記接触面を広げるための構造物を持つことを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換装置。
- 前記エネルギー変換装置が少なくとも１つの他のエネルギー変換装置にアレイ形態で連結されることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換装置。
- 前記エネルギー変換装置と前記少なくとも１つの他のエネルギー変換装置を含む複数のエネルギー変換装置を構成する複数の基板のうち少なくとも一部は、共通の支持構造によって支持されていることを特徴とする請求項１０に記載のエネルギー変換装置。
- 前記電極基板の少なくとも一つは、前記伝導性液体への浸漬の程度が変化するように移動することによって、電気エネルギーを発生することを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換装置。
- 前記親水性物質層は、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）、アクリルアミド、無水マレイン酸共重合体、メタクリル酸塩、エタクリレート（Ｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、アミン作用性重合体、アミン−官能基を有する重合体、ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＳＳ）、ビニル酸、ビニルアルコールまたは−ＮＨ、−ＣＯ−、アミノ基−ＮＨ２、水酸基−ＯＨおよびカルボキシル基−ＣＯＯＨの官能基のうち少なくとも一つを含む物質を含むことを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換装置。
- 前記伝導性液体は、比抵抗範囲が１μΩｃｍ〜１０００μΩｃｍであり、比誘電率（Ｋ）が５以下であることを特徴とする請求項８に記載のエネルギー変換装置。
- 前記エネルギー変換層は、
メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ４ビニルフェノール（ＰＶＰ））またはポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリ（アクリル酸４−メトキシフェニル）（ＰＭＰＡ）、ポリ（アクリル酸フェニル）（ＰＰＡ）、ポリ（メタクリル酸２、２、２−トリフルオロエチル）（ＰＴＦＭＡ）、シアノエチルプルラン（Ｃｙａｎｏｅｔｈｙｌｐｕｌｌｕｌａｎ；ＣＹＥＰＬ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリ（パラバン酸）樹脂（ＰＰＡ）、ポリ（ｔ−ブチルスチレン）（ＰＴＢＳ）、ポリチエニレンビニレン（ＰＴＶ）、酢酸ポリビニル（ＰＶＡ）、ポリ（ビニルアルコール）（ＰＶＡ）、ポリ（Ｒメチルスチレン）（ＰＡＭＳ）、ポリ（ビニルアルコール）−コ−ポリ（酢酸ビニル）−コ−ポリ（イタコン酸）（ＰＶＡＩＡ）、ポリオレフィン、ポリアクリル酸エステル、パリレン−Ｃ（Ｐａｒｙｌｅｎｅ−Ｃ）、ポリイミド、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、ポリ（トリアリールアミン）（ＰＴＴＡ）、ポリ−３−ヘキシルチオフェン（Ｐ３ＨＴ）、橋かけポリ−４−ビニルフェノール（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄＰＶＰ）、ポリ（ペルフルオロアルケニルビニルエーテル）、ナイロン−６、ｎ−オクタデシルホスホン酸（ＯＤＰＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーン、ポリウレタン、ラテックス、酢酸セルロース、ポリ（メタクリル酸ヒドロキシエチル）（ＰＨＥＭＡ）、ポリラクチド（ＰＬＡ）、ポリグリコリド（ＰＧＡ）、およびポリグリコリド−コ−ラクチド（ＰＧＬＡ）のうち少なくとも一つの物質を含む有機物層と；
酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、五酸化タンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ Ｐｅｎｔｏｘｉｄｅ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、バリウムジルコネートチタネート（ＢＺＴ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ４）、ランタンアルミネート（ＬａＡｌＯ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、灰チタン石物質としては、ストロンチウムチタネート（ＳｒＴｉＯ３）、バリウムストロンチウムチタネート（ＢＳＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸カルシウム銅（ＣＣＴＯ）、または酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、アパタイト（Ａ１０（ＭＯ４）６（Ｘ）２）、水酸化燐灰石（Ｃａ１０（ＰＯ４）６（ＯＨ）２）、リン酸三灰石（Ｃａ３（ＰＯ４）２）、Ｎａ２Ｏ−ＣａＯ−ＳｉＯ２、およびバイオガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｐ２Ｏ５）のうち少なくとも一つの物質を含む無機物層と；
を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。 - 前記第１電極基板または前記第２電極基板は、電極を含み、
前記電極は、ＩＴＯ、ＩＧＯ、クロム、アルミニウム、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｇａｌｌｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＺｎＯ２およびＴｉＯ２のうち少なくとも一つを含む無機電極であるか、白金、金、銀、アルミニウム、鉄または銅のうち少なくとも一つを含む金属電極であるか、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラフェン（ｇｒａｐｈｅｎｅ）、ポリアセチレン、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリピロール、ポリパラフェニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅ、ＰＰＶ）、ポリアニリン、ポリ硫黄窒化物、ステンレススチール、クロムを１０％以上含有する鉄合金、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｔｉ合金、ニチノール（Ｎｉ−Ｔｉ）およびポリパラフェニレンビニレン（ｐｏｌｙｐａｒａｐｈｅｎｙｌｅｎｅｖｉｎｙｌｅｎｅ）のうち少なくとも一つを含む有機電極であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。 - 前記第１電極基板または前記第２電極基板のうち少なくとも一つは、金属基板、ガラス基板、セラミック基板または高分子素材の基板であり、
前記高分子素材の基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリアリレート（ｐｏｌｙａｒｙｌａｔｅ、ＰＡＲ）、メタクリル酸ポリメチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）および繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のうち少なくとも一つを含むプラスチック基板またはフィルムであり、
前記セラミック基板は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素、ムライトおよびシリコンのうち少なくとも一つを含むセラミック材料を利用した基板であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。 - 前記第１電極基板と前記第２電極基板との間に配置された非伝導性ガス；をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載のエネルギー変換装置。
- 前記非伝導性ガスは、空気、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンおよびラドンのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１８に記載のエネルギー変換装置。
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