JP6824553B2 - 摩擦電気発電機 - Google Patents

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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、ＮＯ２ＢＦ４、ＮＯＢＦ４、ＮＯ２ＳｂＦ６などのイオン性液体（ｉｏｎｉｃ ｌｉｑｕｉｄ）；ＨＣｌ、Ｈ２ＰＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３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、ＨＰｔＣｌ４、ＡｕＣｌ３、ＨＡｕＣｌ４、ＡｇＯＴｆ（ｓｉｌｖｅｒ ｔｒｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ）、ＡｇＮＯ３、Ｈ２ＰｄＣｌ６、Ｐｄ（ＯＡｃ）２、Ｃｕ（ＣＮ）２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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