KR20090084828A

KR20090084828A - 전기 발전기

Info

Publication number: KR20090084828A
Application number: KR1020097008533A
Authority: KR
Inventors: 2세 로버트 에이취. 버그너; 게리 엠. 렌런드
Original assignee: 티티아이 어소시에이츠, 엘엘씨
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-08-05
Also published as: CN102843073A; RU2446498C2; MX2009003225A; JP2013179825A; US20140252921A1; US20080246366A1; WO2008039780A2; US8736151B2; US20140252920A1; RU2009115661A; WO2008039780A3; JP2010505385A; CN101558510B; BRPI0717319A2; CN101558510A; CA2664724A1; EP2062308A2; AU2007300147A1

Abstract

전기 발생 방법, 조성 및 장치가 제공된다. 전기는 핵 자기 스핀 및 잔존 분극 전기 발생 메카니즘을 통하여 발생된다. 상기 장치는 극화된 강자성 재료과 결합된 높은 핵 자기 스핀 또는 높은 잔존 분극 재료을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 극화된 강자성 재료와 상기 높은 핵 자기 스핀 또는 높은 잔존 분극 재료과의 대향편 상에 배치되는 한 쌍의 전기적 접촉부를 포함할 수 있다. 또한, 자기장이 상기 높은 핵 자기 스핀 재료에 인가될 수 있다.

Description

전기 발전기{ELECTRIC GENERATOR}

본 발명은 전기 발생 방법, 조성 및 장치를 제공한다. 특히, 전기를 발생시키기 위한 핵 자기 스핀 발전(NMSG) 및/또는 잔존 분극 발전(RPEG)의 메카니즘을 이용하는 방법, 조성 및 장치에 관련된다.

용이하게 입수할 수 있고 휴대 가능한 전력 공급은 현대 생활의 거의 모든 면에서 중요하다. 전력은 현대 사회를 작동하게 하는 열쇄 역할을 하는 광범위한 장치를 구동한다. 이들 장치는 가정용 전기 조명 및 장치들로부터 의학, 제조, 군 및 과학 연구 등과 같은 분야에 이용되는 하이테크 장치에까지 이른다.

많은 장치에서 휴대가 가능한 전력원을 갖는다는 것은 중요하다. 이러한 수요는 일반적으로 다양한 유형의 배터리의 사용에 의하여 대처된다. 배터리는, 물론, 자동차 및 트럭을 시동하는 데에 이용되며, 또한 이동되어야 하는 전력 장치에도 이용된다. 이들 장치들은 손전등으로부터 휴대 전화기 및 랩톱 컴퓨터에 이른다.

전력은 크고 작은 응용 범위를 갖는다. 대규모로는, 대형 전기 발전기에 의하여 전기가 발생되어 궁극적인 사용자에게 분배 라인을 거쳐 분배된다. 소규모로는, 소형 전기 충전기가 현대 사회에서 어디에나 존재하는 전자 회로 및 메모리 장 치를 작동시키는 데에 관련된다.

휴대용 전자 장치에 관련한 기술적 주요 문제점 중 하나는 신뢰성 있고 일정한 휴대용 전원을 제공하는 것이다. 상술한 바와 같이, 이는 일반적으로 배터리의 사용으로 해결된다. 그러나, 배터리는 문제점이 많다. 배터리 파워는 항상 랩톱 컴퓨터와 같은 장치의 사용에 있어서 주요 문제가 되고 있다. 배터리 파워의 신뢰성과 마찬가지로 그 수명이 문제가 된다.

배터리 파워에 관련한 또 다른 문제점은 원거리에 배터리 공급을 충분히 제공하는 것이다. 이는, 예를 들면, 군 작전을 고려하여 예상할 수 있다. 군 작전은 막대한 전자 장치의 포진을 요한다. 이들 장치는 랩톱 컴퓨터 및 그 관련 장치로부터 휴대 전화기 및 기타 통신 시스템에 이른다. 이들은 또한 전자 부품을 이용하는 군 장비 및 무기류를 수반한다. 이러한 유형의 작전은 이러한 휴대 전자 장치에 크게 의존한다. 이러한 장치에 전력을 공급하기 위해서는 모든 장비가 일정하게 기능하도록 하기 위하여 배터리가 공급되어야 하며 또한 상기 배터리가 교체되어야 한다. 주요 군 작전에는 단순히 적당한 배터리 전력을 공급하는 것만도 주요 병참학적 문제가 됨을 알 수 있다. 공급원으로부터 현장에 대량의 배터리가 일정하게 공급되어야 하며 제거되어야 한다.

이러한 문제점은 사업, 의료, 및 연구 분야의 기타 작업에서도 마찬가지이다. 상술한 바와 같이, 이들 모든 분야는 휴대용 전자 장치에 크게 의존한다. 이들 모든 장치는 휴대용 전력 공급원을 요한다. 이러한 전력 공급은 주요 도전 과제가 되고 있다.

따라서, 본 발명은 전력을 발생시키고 필요에 따라 이 전력을 휴대형으로 공급하기 위한 전력 발생 방법, 장치 및 조성에 관한 것이다. 이는 아래에 간단히 설명되는 바의, 핵 자기 스핀 발전(NMSG) 및 잔존 분극 전기 발전(RPEG)을 사용함으로써 달성된다.

자기장 내에 위치된 비 영점 스핀 양자수를 갖는 핵이 전자기 방사선을 통하여 에너지를 흡수 및 방출할 수 있다는 것은 주지되어 있다. 이러한 방사선은 핵 자기 공명의 원리를 이용함으로써 검출가능하다. 수소 핵 또는 프로톤의 사용은 가장 일찍부터 사용된 가장 일반적인 NMR 방법이다; 근본적으로 유기 화합물을 조사하는 데에 사용된다. I = 1/2의 스핀을 갖는 수소의 핵은 그의 축 주위를 스핀하여 자기장을 발생시킨다. 이 핵이 외부 자기장 내에 위치되면, 상기 수소 핵은 상기 외부 자기장에 일직선으로 배열되는 경향이 있다. 상기 스핀은 세차운동(presession)이라는 용어로 알려진 바와 같이 축을 다소 벗어나 스핀하는 장난감 상부의 스핀과 같이 생각될 수 있는 것으로 , 이러한 배열은 상기 외부 자기장에 평행 또는 반평행으로 될 수도 있다. 상기 세차운동의 주파수는 라모 주파수(ω)로 불리운다. 상기 라모 주파수는 상기 외부 자기장의 강도 및 재료의 자성에 따라 달라진다. 이 경우, 수소 핵은 1 테슬라의 외부 자기장 강도 당 42.6 MHz의 라모 주파수를 갖는다. 자기장 강도로 변하는 무선 주파수는 상기 핵이 반평행 상태에서 평행 상태로 변하게 할 수 있으므로, 검출가능한 소량의 에너지를 방출한다. 상기 무선 주파수는 상기 수소 핵을 에워싸는 환경에 의하여 변화되어, 상기 수소 핵의 화학적 환경에 대한 정보를 제공한다.

상술한 바와 같이, 수소 핵은 I = 1/2의 스핀을 갖는다. 기타 원소들은 1/2보다 큰 스핀을 갖는다. 또한, 원자핵은 양전하, Ze를 갖는 것으로 알려져 있고, 여기에서 Z는 하나의 원소를 다른 원소로부터 식별하는 원자 번호이며, e는 전자 또는 프로톤의 전하 크기이다. 또한, 원소는 질량 M을 가지며, 이는 동위 원소에 따라 달라질 수 있다. 핵 또한 스핀을 가질 수 있으며, 자기 쌍극자 모멘트 μ, 전기 사중 극자 모멘트(electrical quadruple moment) 및 경우에 따라 더 높은 모멘트를 가질 수 있다. 고유 핵 각 운동량(intrinsic nuclear angular momenta)은 양자화되어 Iħ로 표현될 수 있고, 여기서 I는 정수 또는 반 정수(half-integer)이며 스핀 양자수로 불리운다. 예를 들면, I=3/2인 핵은 3/2의 스핀을 갖는다고 말한다. I는 상이한 동위 원소에 대하여 상이하게 될 수 있다. 핵이 갖는 스핀에 대해서는 제한이 있다. 짝수 질량수를 갖는 핵에 대하여, I는 양수 또는 0 으로 되어야 하며, 반면 홀수 질량수를 갖는 핵에 대하여, I는 반정수로 되어야 한다. 아래의 표 1은 선택된 동위 원소에 대한 스핀을 포함하여 일반적인 핵 특성을 나타낸다.

표 1 : 선택된 동위 원소의 스핀 특성

핵이 제로 스핀을 갖는 경우, 그의 모멘트 전체는 제로이며 핵 방향성 효과는 전혀 발생되지 않는다. 스핀이 1/2 이상이면, 핵은 자기 모멘트(μ)를 갖는다. 이 특성에서, 핵은 임의의 회전 전하와 유사하다. 상기 핵은 상기 스핀 축에 평행 하게 방향이 고정된 작은 자석을 갖는 것으로 생각될 수 있다. 음의 모멘트는 자기 모멘트 벡터가 스핀 벡터에 상반되는 것을 의미한다. 핵 모멘트를 표현하는 측정 단위는 핵 자자(nuclear magneton)이며, 이는 eħ//2πMc이다. 이 경우, M은 프로톤의 질량이다. 하나의 핵 자자는 5 x 10^-24 erg/Gauss와 같다. 1 이상의 스핀을 갖는 핵은 전기적 사중극자 모멘트를 갖는다. 핵의 각 운동량 벡터는 공간에서 2I+1의 방향성을 가질 수 있다. 공간 내에서 이러한 방향성은 종종 소정 방향을 따라 변화되는 각 운동량을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 변화되는 운동량은 MI에 의하여 부여되며, I, I-1, I-2,..., -I+1, -I의 값을 갖는다. I = 1/2 M_I= +1/2 또는 -1/2인 일반적인 경우, 전이(transitions)는 허용되나 에너지 차이가 너무 작아서 효과적으로 관찰되지 않는다. 그러나, 자기장에는 반드시 고려해야하는 추가 에너지가 있다. 이는 나침반 바늘을 그의 지시 방향으로부터 이동시키는 데에 필요한 에너지와 유사하다. 이 에너지는 -μHcosθ이며, 여기에서 H는 자기장의 크기이다. 자기장의 크기는 본 개시에서 제안하는 발전기로부터 추출 가능한 전기 에너지의 상한선으로 설정된다.

M₁ = -1/2 내지 +1/2 사이의 전이와 관련한 주파수가 있는데 이 주파수는 hv = -(μ/I)H(-1/2 -1/2)에 의하여 주어진다. 이 주파수는 스핀을 (+)로부터 (-)로 "반전(flip)"하는 데에 필요한 에너지에 관한 것으로, 더욱 정확히 말하자면, 방향성 위치 에너지는 쌍극자가 장에 평행할 때 (-)이고 상기 쌍극자가 장에 반평행할 때 (+)이다. 이 에너지는 상기 쌍극자 스핀의 크기에 대해 항상 2x이다. 이러한 계 산의 예는 아래와 같이 주어진다. 이 방정식은 자기회전비(magnetogyric ratio) γ로 표시할 수 있고, 여기에서 γ=μ/Iħ 또는 ω=2πμ=γH 라디안/초 이다. 표 1에서 세로칸은 1 에르스텟의 자기장에서 변이에 대한 공명 주파수(라모 주파수)를 나타낸다.

강유전성(ferroelectricity)은 전기적 현상으로서, 이에 의하여 어떤 물질들은 외부 전기장의 적용에 의하여 방향이 등가 상태 간에 교환될 수 있는 자연 쌍극자 모멘트를 나타낼 수 있다. 강유전성 재료의 내부 전기적 쌍극자는 물리적으로 재료 격자에 고정되므로, 이는 물리적 격자를 변화시키는 임의의 것이 캐패시터를 가로지르는 외부 전압의 존재 없이도 쌍극자의 강도를 변화시키고 전하로 하여금 상기 강유전성 재료 내외로 흐를 수 있도록 유도한다(아래 설명 참조). 재료의 격자 치수를 변화시키는 2가지 자극물은 힘 및 온도이다. 강유전성 재료에 힘을 인가함에 따른 전하의 발생을 피에조전기(peizoelectricity)라 한다. 온도 변화에 따른 전류의 발생은 초전기(pyroelectricity)라 한다.

강유전성이라는 용어는 강자성(ferromagnetism)과 유사하게 사용되며, 여기에서 재료는 영구적인 자성 모멘트를 보인다. 강유전성이 발견되었을 때는 이미 강자성이 주지되어 있었다. 그러므로, 철을 의미하는 "ferro"라는 접두사는 가장 강유전성인 재료가 그들의 격자에 철을 갖지 않는다는 사실에도 불구하고 그 특성을 설명하는 데에 사용되었다. 일부 강유전성 철은 강유전성 특성을 제한하는 오염물로서 작용한다.

2개의 도전성 판 사이에 강유전성 재료를 위치시킴으로써 강유전성 캐패시터 를 형성하게 된다. 강유전성 캐패시터는 비선형성 특성을 보이며 통상 매우 높은 유전 상수를 갖는다. 외부 전압의 인가로 인하여 내부 전기적 쌍극자가 그들의 방향성이 변경될 수 있다는 사실은 캐패시터의 "분극화(polarization) 대 전압" 특성에서 이력 현상(hysteresis)을 유발한다. 상기 자기 이력 현상 루프의 일반적인 형태에 대한 예에 대해서는 도 7을 참조한다. 이 경우, 분극화는 상기 판의 영역에 의하여 분할되는 캐패시터의 판 상에 저장되는 전체 전하로 정의된다. 결정 구조에 독립적으로, 강자성 도메인에서 보이는 바와 유사한 도메인이 강유전성 도메인에서도 보인다. 소정의 도메인 내에는 상기 쌍극자의 방향을 나타내는 벡터가 존재한다. 다수의 단일의 결정 입자를 포함하는 소정의 대용량 물질에는 방향성 벡터를 서로 분리시키는 강유전성 도메인 및 도메인 벽이 존재할 수 있다. 극화된 강유전성에서 상기 도메인 벡터의 대부분은 상기 외부 전기장에 의하여 부여되는 방향으로 배열된다.

이러한 이력 현상 및 강유전성 캐패시턴스은 컴퓨터 응용분야에서 메모리용으로 적용된다. 기타 응용은 현대 사회에서 가장 유용한 기술 장치들을 제작하기 위하여 메모리, 피에조 전기, 및 초전기의 복합 특성을 이용하는 장치들도 있다. 강유전성 캐패시터는 의료 초음파 기계(상기 캐패시터는 신체의 내부 기관을 이미지화하기 위하여 사용되는 초음파 “핑”소리를 발생시키고 이를 수신한다), 고급 적외선 카메라(적외선 이미지는 섭씨 100만분의 1도 정도로 작은 온도 차이를 검출할 수 있는 강유전성 캐패시터의 2차원 어레이 상에 투사된다), 화재 감지기, 수중 음파 탐지기, 진동 센서, 및 심지어는 디젤 엔진 상의 연료 분사기에도 사용된다. 기술자들은 작은 크기로 큰 값의 전하를 농축하기 위하여 강유전성 재료의 높은 유전 상수를 이용하며, 그 결과 매우 작은 표면 장착 캐패시터를 얻는다. 표면 장착 캐패시터에 의한 이러한 공간 절약 없이는 콤팩트한 랩톱 컴퓨커 및 휴대 전화기가 불가능해진다. 인터넷의 골격을 형성하는 전기 광학 변조기는 강유전성 재료로 이루어진다.

해당 분야에 보다 효과적으로 그리고 보다 효율적으로 전기를 생산하고자 하는 필요가 있음은 명백하다. 휴대가 가능한 전기 장치에 전력을 공급할 수 있도록 전기를 생산하는 데에 있어서 특별한 수요가 있다. 전기를 생산하기 위하여, 그리고 필요에 따라, 휴대 방식으로 이러한 전기를 생산하기 위하여 이하에 개시되는 방법, 장치 및 조성이 제공된다.

본 발명은 핵 자기 스핀 발전(NMSG) 및 잔존 분극 전기 발전(RPEG)과 같은 현상을 이용하여 전기를 발생하기 위한 방법, 장치 및 조성에 관한 것이다. 이러한 특성의 발전기는 반복적으로 그리고 신뢰성있게 전기를 충전하고 일정한 전기 출력을 제공하는 것으로 관찰된다. 이러한 발전기는 전기 분배 네트워크를 통하여 분배하기 위한 대량의 전력을 발생하도록 대규모로 이용될 수 있다. 이들은 또한 랩톱 컴퓨터 및 휴대 전화기와 같은 휴대용 전기 장치에 대한 전력원으로서 매우 작은 규모로도 이용될 수 있다. 이러한 발전기는 또한 전기 회로 내의 개별적인 회로 부품에 훨씬 작은 규모로 이용될 수 있다. 따라서, 이에 개시되는 발전기는 필요한 분야에 따라 규모가 조정될 수 있다.

자기장 내에서 이동 중인 전자가 전기적 발전기임을 알 수 있다. 이는 전기 발전기에 대한 종래의 정의이다. 본 발명은 2개의 교류 전원으로부터 전기를 발생시키기 위한 장치, 조성 및 방법을 제공한다.

상술한 바와 같이, 제 1은 전기를 발생시키기 위하여 많은 원소의 고유 특성인 핵 자기 스핀 발전(NMSG)을 이용한다. NMS이 큰 스핀 각 운동량을 초래하면, 외부 궤도에서 전자는 핵으로부터 방출되는 양의 쿨롱 힘으로 인하여 진동 운동으로 이동되도록 유도된다. 상기 전기 발전기는, 본 발명의 요지 내에서, 상기 원소의 NMS로부터 자연적으로 그리고 지속적으로 전하를 발생한다.

전기 에너지를 발생시키는 제 2 수단은 상기 제 1 방법과 매우 유사하나, 종전에 피에조 전기 효과에 의하여 전기를 발생시키는 것으로 주지된 납 지르코늄 티타네이트(lead zirconium titanate)와 같은 강유전성 결정에 결합된 외부 전자를 사용한다. 후술되는 상황에서, 이러한 재료는 자연적으로 그리고 지속적으로 전압 및 소량의 전류를 발생한다.

본 발명의 실시예는 주로 인터페이스 또는 영역 장치이다. 이는 큰 영역을 갖는 박층 내에서 전기가 보다 효율적으로 생산될 수 있음을 의미한다.

상술된 바의 핵 자기 스핀 특성을 이용하는 상기 제 1 방법은 분광학 및 이미지화의 분야에서 수십년 동안 지속적으로 이용되어 왔다. 핵 자기 공명(NMR)은 초기에 수소 핵의 스핀을 이용하는 유기 분자의 구조를 결정하는 데에 사용되었던 분광 기술이다. 이후, 이 기술은 산소 및 실리콘의 동위 원소, O¹⁷, ¹⁹F, ²³N, ³¹P, 및 Si²⁹의 스핀을 이용하여 비결정성 및 결정성 고체와 같은 무기 재료의 구조 또는 특정 방향성을 결정하는 데에 사용되었다. 이후, 상기 NMR 분광 기술은 현재 자기 공명 이미지화, MRI로 더욱 친숙한 바와 같이 이미지화 분야로 확대되었다.

일 실시예에서, NMS를 이용하는 전기 발전기는 서로 접촉부하는 2가지 재료의 조합을 이용한다. 상기 제 1 재료는 광범위한 다양한 원소로 될 수 있으나, 다음의 특성을 갖는 재료가 일반적으로 바람직하다: a) 높은 핵 자기 스핀, 또는 큰 쌍극자 모멘트; b) 핵에 큰 비구형 형상을 존재함을 의미하는 큰 전기적 사중극자 모멘트; c) 높은 정도의 자연존재비(natural abundance); d) 상업상, 상기 동위 원소는 방사성이 아니어야 하며, 공간에 기초하거나 군 장비용으로는 방사성에 대한 제한이 완화될 수 있음; e) 동위 원소에 관련한 세차운동 비율을 설명하는 자연 주파수 또는 라모 주파수; f) 쌍극자 모멘트, 사중극자 모멘트, 및 라모 주파수의 조합이 상기 동위 원소의 외부 전자와 쿨롱 상호 작용을 유발함. 이들 외부 전자는 핵의 비구형 형상에 반응하여 이동한다. 이들 외부 전자의 움직임이 클수록 상기 제 2 재료 상의 전기적 충격, 강유전성이 크다.

상기 제 2 재료는 핵 자기 재료의 이동 주파수에 반응하며, 마찬가지로 피에조 전기 재료는 전하를 부여되는 기계적 이동에 반응한다. 일반적으로, 이들 재료는 전하 축적을 위하여 높은 유전 상수를 갖는다. 이들 재료의 선택에 있어서 높은 피에조 전기 상수가 바람직하다.

상기 자기장은 라모 주파수로 가압되는 핵 자기 재료에 요구된다. 세차운동의 주파수는 자기장의 강도에 좌우된다.

핵 자기 재료와 강유전성 재료의 조합에 있어서, 상기 2가지 재료는 모두 자기장 내에서, 이러한 유형의 장치가 상기 2가지 재료의 접촉부 영역으로 인하여 확대될 것을 요한다. 상기 2가지 재료 사이의 접촉부 영역이 클수록, 상기 장치의 인터페이스에는 더 많은 전력이 발생될 수 있다.

RPEG의 원리로 작동되는 것으로 간주되는 장치 또한 제공될 수 있다. 잔존 강유전성 발전기의 효율은 아래와 같이 요약될 수 있다. 극화된 강유전성 결정은 재료를 상기 Tc 이상으로 1차 가열하고 다음으로 충분히 큰(강압적인 힘보다 큰) 외부 전기장을 인가하며 상기 강유전성 재료를 Tc 이하로 냉각하여 얻어진다. 상기 전기장이 제거되고 상기 재료가 상온에서 냉각될 때 최대 분극화가 실현된다. 시간이 지나면서 상기 분극화는 상기 재료의 안전성에 따라 쇠퇴되거나 쇠퇴되지 않을 수 있다. 이렇게 초래되는 분극화는 "잔존 분극"이라 한다. 도 8은 잔존 분극의 다이어그램이다.

일부 경우에는, 상기 잔존 분극이 자연스러운 분극화와 동일하게 남을 수 있다. 잔존 분극 발전기의 최대 출력을 위하여, 잔존 분극이 높고, 안정적이며, 예측 가능한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 전극 사이에 안정적인 강유전성 도메인을 보유함으로써 달성된다. 이 경우, 각 층의 두께는 중요한 변수가 될 수 있다. 이는 핵 자기 스핀 발전기에서 인터페이스에서 발생되는 상호 작용보다 3차원에 더 효율적으로 분포될 수 있는 강유전성 도메인 벡터의 배열 때문이다.

RPEG와 강유전성 메모리 사이의 중요한 차이 중 하나는 상기 강유전성 도메인에 스위칭이 필요하다는 것이다. 대부분의 메모리 재료가 >10⁶사이클의 많은 빠른 스위칭 및 안정성을 위하여 최적화된다. 온도에 따라 잔존 분극의 안정성은 한계에 달하게 되며, 이는 전자 장치가 겪기 쉬운 상황이다. 기타 중요 변수는 강유전성 결정의 성장 방향성 및 상기 재료가 강유전성인지 또는 반 강유전성인지를 포함한다.

반강유전성 상태는 결정 내 이온의 행이 자연스럽게 분극화되지만, 이웃하는 행들이 반평행 방향으로 분극화되는 것으로 정의된다. 단순한 입체 격자에서 반강유전성 상태는 강유전성 상태보다 더 안정적으로 되기 쉽다. 반강유전성 퀴리점 이상 및 이하의 유전 상수를 제 1 및 제 2-순서의 전이 모두에 대하여 연구한다. 어느 경우이든, 유전 상수가 매우 높을 필요는 없다; 그러나 전이가 제 2 순서이면, ε는 상기 퀴리점을 계속 교차한다. 반강유전성 상태는 피에조 전기가 되지 않는다. 상기 퀴리점 근처의 열적 이상은 강유전성에서와 같은 성질 및 크기로 된다. 스트론튬 티타네이트에서 발견되는 바와 같이 C/(T+θ)의 형태인 자화율 변이(susceptibility variation)는 반강자성(antiferromagnetism)에서의 상응하는 경우와 달리 반강유전성임(antiferroelectricity)을 나타내지는 않는다.

강유전성 재료의 선택은 2가지 범주의 재료로부터 이루어질 수 있는데, 보다 일반적인 것으로는 전치형이 있고 BaTiO₃가 원형적이다. 이온의 전치 이동 크기는 다른 곳에서 설명한다. 또한, 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같은 고분자와 같이, 큰 쌍극자 모멘트를 발생하기 위하여 극성 분자가 정렬되는 질서-무질서형이 있다.

상기 2가지 유형의 발전기 사이에는 차이점이 있으나, 2가지 유형의 장치 모두의 효율성을 개선할 수 있다는 유사점이 있다. 전기 발전 주기에서, 전하 공급은 지속적인 전자 공급에 의하여 강화될 수 있다. 전자 공급으로는 접지가 알려져 있다. 또한 2가지 장치는 모두 전류를 이동시키는 전자에 의존한다. 때때로, 예에서 나타낸 바와 같이, 활성 원소 또한 전극으로 사용될 수 있다. 상기 장치들의 작동은 높은 표면 영역 전극을 사용함으로써 강화된다. 종전에는 축적된 전하를 증가시키거나 상기 장치의 크기를 감소시키기 위하여 캐패시터의 제조에 탄소 및 산화루테늄을 이용하였다. 보다 효율적인 전극은 극성에 따라 n-형 또는 p-형 거동을 부여하는 것에서 선택될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 전기 발전기는 주지의 여러 기술을 이용함으로써 제조가능하다. 이들은 3 가지의 개별적인 그룹을 포함할 수 있는데, 즉, 박막 제조 방법; 후막 제조 방법; 및 대용량 처리이다. 박막 제조 방법은 CVD, MOCVD, 이온 보조 스퍼터링, 레이저 제거(laser ablation), MBE, 및 스핀-온 액체(spin-on liquids)가 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 후막 방법에는 스크린 인쇄, 테이프 캐스팅, 중합 코팅, 벌크 프로세싱, 프레싱, 및 열간 압축이 포함될 수 있고 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 범위 내에서 전기 발전기는 휴대 전화기, PDAs, 노트북 컴퓨터, GPS장치, 휴대용 음악 재생장치, 손전등, 원격 조절 장치, 무선 통신 장치 등과 같은 광범위하게 다양한 전자 장치에 전력을 공급하기 위한 "세류 충전(trickle charge)" 배터리 및 캐패시터에 일정한 전기 전류를 충분히 제공하는 데에 사용될 수 있다. 기타 전기 발전기는 개별적인 회로 보드 칩, 및 페이스메이커용 의료용 이식재 및 진통 제어용 전기 자극기와 같은 의료 용구에 전력을 제공할 수 있다.

본 발명의 범위 내에서 전기 발전기는 원거리 장소, 가정용, 사업용, 자동차, 선박,등에 독립형으로 전력을 공급하기 위한 충분한 규모로 제조가능하다. 군 장비들은 위성, 공간 탐촉자(space probes) 및 현장 설비들을 위한 전기 발전기를 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명 개시의 장점 및 기타 장점들은 발전 장치, 방법 및 조성에 결합될 수 있으며 후술되는 상세한 설명 및 첨부된 특허 청구의 범위로부터 명백하게 이해될 수 있고, 또는 본 발명 개시를 수행함으로써 명백히 이해될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명 개시에서 이에 결합되는 모든 특징들은 개개의 실시예에 반드시 결합되는 것은 아니며 또한 일부 특징들이 기타 특징들에 대하여 반드시 배타적으로 사용되지는 않는다. 본 발명의 범위 내에서 발전 장치, 조성 및 방법은 이에 설명된 특징들의 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명 개시의 상술된 바 및 기타 특징 및 장점들의 용이한 이해를 위하여, 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적인 설명을 아래에 제공한다. 이들 도면은 본 발명의 개시에 의한 혈관 접근 장치에 대한 예시적인 실시예에 관한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

도 1은 짝수-N, 홀수-Z 핵 및 홀수-N 및 짝수-Z 핵의 자기 쌍극자 모멘트를 측정한 그래프이다.

도 2는 좌측에는 짝수-N 및 홀수-Z를 갖는 핵 및, 우측에는 홀수-N 및 짝수-Z를 갖는 핵을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 3은 진동 핵의 기하학적 배열을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 4는 배열된 쌍극자를 갖는 강유전성 재료를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명 범위 내의 전기 발전기를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 6은 다층의 재료를 사용하는 본 발명 범위 내의 전기 발전기를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 7은 이력 현상 루프의 일반적인 형상을 도시하는 그래프이다.

도 8은 잔존 분극을 도시하는 그래프이다.

도 9(a) 및 도 9(b)는 본 발명 범위 내의 전기 발전기들을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 10은 본 발명 범위 내의 광역/멀티 스택 전기 발전기를 개략적으로 나타내는 도면이다.

개괄적으로 설명되고 첨부된 도면에 도시되는 바와 같이, 본 발명 개시의 구성 요소는 광범위하게 다양한 상이한 구조로 배열 및 설계될 수 있다. 따라서, 후술되는 상세한 설명은, 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명 개시의 범위를 한정하는 것이 아니며 상기 구성 요소의 예시적인 조합을 나타내는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 특징은 NMS의 적용으로 전기 발생 장치를 제공하는 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 핵의 스핀은 홀수 및 짝수 지정에 의하여 정의될 수 있다. 도 1의 상부 그래프는 짝수-N, 홀수-Z 핵의 자기 쌍극자 모멘트의 측정을 나타낸다. Z는 원자수이며, N은 원자 또는 동위 원소 내의 중성자 수이다. 상부 슈미트 선은 홀수 프로톤의 스핀 및 궤도 각 운동량이 서로 평행한 경우 예측되는 값이다. 하부 슈미트 선은 홀수 프로톤의 스핀 및 궤도 각 운동량이 서로 반평행한 경우 예측되는 값이다. 하부 그래프는 홀수-N, 짝수-Z 핵의 자기 쌍극자 모멘트의 측정을 나타낸다.

1 보다 큰( >1 ) 스핀을 갖는 핵 또한 전기 사중 극자 모멘트를 갖는데, 이는 스핀 축에 링크되고 전기장 기울기 내에 있을 때, 특히 원자가 전자로부터 추출되는 경우 에너지 조건이 증가하게 된다. 핵에 있어서, 전기적 쌍극자 모멘트는 0이며 1차 전기 조건은 그의 전하와는 별개로 전기적 사중극자 모멘트이다. 이는 핵의 비구형 형상을 설명하는 것으로 생각될 수 있다. 스핀 축은 반드시 원통형 대칭 축이지만, 핵은 극성 축을 따라 연장될 수 있으며, 이 경우 사중극자 모멘트는 양성이다. 반대로, 모멘트가 음성일 때, 일부 핵은 극에서 편평하게 되어 있고 연장된 적도축을 갖는다. 도 2는 이들 2가지의 기하학적 배열을 나타내는 다이어그램이다. 방정식 'Q=pr²(3cos²θ-1)dτ의 적분'은 사중극자 모멘트 Q의 정의이며, p는 단위 체적당 전하 밀도이고, r는 원점으로부터의 체적 요소의 거리(dt)이며, 세타는 반경 벡터와 스핀 양자화축 사이의 각도이다. Q는 길이 제곱의 치수를 갖는다.

핵의 사중극자 모멘트는 위치된 전기장(E)의 구배와 상호작용한다. 이들 구 배는 전기 전위(V)의 제 2 도함수이다. 이들 수는 공통으로 방향성을 나타내기 적당한 첨자로 q로 표시된다. 상기 z 방향은 최대 장 구배이다. 이는 전하 발생의 효율을 증가시키는 문제이다.

상기 짝수 스핀 수는 홀수 값과 비하여 더 큰 값을 갖는다. 상기 짝수 지정은 도 2에서 하부에 나타낸 바와 같이 표본화될 수 있다. 짝수-N 및 홀수-Z를 갖는 핵은 도 2의 좌측에 나타낸 바와 같고, 홀수-N 및 짝수-Z을 갖는 핵은 우측에 나타낸 바와 같다.

상기 핵 자기 스핀이 상기 핵의 비구형 기하학적 배열의 수치로 됨은 도 2로부터 알 수 있다. 스핀 값이 클수록 핵은 더 비구형으로 된다. 최대 각 운동량을 갖는 핵은 우측 다이어그램에 나타낸 바와 같은 특성으로부터 나오는 것으로 홀수-N 및 짝수- Z을 갖는 핵이다.

최대 각 운동량의 장점을 취하고 그 운동을 진동 전자로 변환하기 위해서는, 핵의 진동이 전자 상에 미치는 영향을 고려해야 한다. 도 3은 진동하는 핵의 기하학적 배열을 나타낸다.

시스템이 자기장에서 자기 쌍극자 모멘트에 대하여 방향성 위치 에너지(ΔE)를 소실시키기 위한 방법은 없다. 그러면 상기 자기 쌍극자 모멘트는 자기장과 함께 배열될 수 없다. 대신에, 자기 쌍극자 모멘트는 B 장축 주위로 진행한다. 세차 운동은 쌍극자에 작용하는 토크(T)의 결과이다. 다음의 방정식은 B에 대하여 μι의 세차운동의 각 주파수의 크기를 나타낸다.

...... 방정식 1

이러한 현상은 라모의 세차운동(Larmor precession)으로 알려져 있고 ω는 라모 주파수이다.

토크 T=μ_ix B. ...... 방정식 2

표기 중 일부는 앞서 언급한 바와 상이하다. 이는 참고 도서의 도면 및 표기 차이로부터 기인한다. 그러나, 표기가 변화한 곳을 식별할 수는 있다; 즉, 앞서 사용된 1은 참증 1로부터 나온 것이며 참증 2에 사용된 μ_ι에 상응한다.

보어 자자(Bohr magneton)는 다음의 방정식으로 주어진다.

..... 방정식 3

방정식 4는 자기 쌍극자 상에 작용하는 평균 힘을 나타낸다.

...... 방정식 4

이들 방정식의 순 효과(net effect)는 비구형(non-spherical) 형상을 갖는 핵의 세차 운동, 특히 연장된 “균분원(equator)"을 갖는 것이며, 핵 내에 양 전하가 비구형으로 분포된다. 이러한 양 전하 분포는 전자, 특히 원자가 전자 상에 쿨롱 효과를 가지며, 자기장 내에서 그의 운동은 강유전성 또는 캐패시터형 재료 상에 자연스러운, 지속적인 전하를 발생시킨다.

발생가능한 에너지의 크기는 대략 2μ_iB이다. 이 방정식은 자기장 내에서 B 장을 갖는 평행 방향으로부터 B 장을 갖는 반평행 방향으로 자기 쌍극자를 반전하 는 데에 필요한 에너지의 양에 상응한다. 자기장이 1 테슬라임을 가정하고 자기 스핀이 5/2인 프라세오디뮴 1몰을 사용하면, 이 예로부터 추출되는 에너지의 양은 약 27.8 주울이다.

쌍극자를 배열하는 에너지는 방정식 ΔE=μ_i·B에 의하여 주어지며; 여기에서 μ_i는 프라세오디뮴에 대한 핵의 자기 모멘트(5/2)이고 B는 1 테슬라가 된다고 가정한 자기장 강도이다. μ_i의 2배는 상기 자기장에 순행 및 역행하여 배열되는데 필요한 전체 에너지를 나타낸다. 그러면 에너지 E= 2(5/2)0.927x10^-23 amp-㎡ x 1주울/amp-㎡ 또는 4.635x10^-23주울/원자를 갖게 된다. 0.927x10^-23 amp·㎡^·는 보어자자의 값이다. 이제 우리는 프라세오디뮴 핵이 자기장에 평행한 방향으로부터 자기장에 반평행하게 그의 스핀을 변경할 때 작용하는 에너지를 갖게 된다. 원자 1몰에 대하여, 작용하는 에너지는 E = 4.635 x 10^-23 주울/ 원자 X 6.022 xlO²³ 원자/몰 = 27.9 주울/몰 이다. 주울 x 초는 와트이므로, 프라세오디뮴 1몰로부터 잠재적으로 작용할 수 있는 에너지의 양은 27.9 와트이다.

원자 및 분자 내에는 여러 진동 모드가 존재한다. 열적 진동 (상온에서 ~10¹³ Hz), 전자 운동 등과 같은 대부분의 진동 모드는 마이크로파 범위 및 그 이상이다.일부 진동은 메가헤르츠 범위 및 그 이하에서 측정된다. 이러한 진동은 전기의 발생에 유익할 수 있다. 이러한 유형의 장치에 대한 예는 점화기에서 볼 수 있는 바와 같이 피에조 전기 특성에 기초한 것; 및 전하를 발생시키기 위하여 온도 차이를 이용하는 피로전기 발전기가 있다. 상술한 바의 세차운동의 라모 주파수는 0.1 내지 20 메가헤르츠 범위에서 통상 측정된다. 기타 원자 진동의 경우에서와 같이, 이는 전하를 발생시키기 위하여 전자 부품의 주파수에 상응하므로 사용가능한 주파수이다. 이러한 주파수 범위의 장점은 종전에 개발된 바가 없었다는 것이다. 그리고 이 주파수 범위는 내부 조화 진동을 최적화하는 데에 외부 전자 회로를 사용할 수 있는 범위 내로 된다. 외부 회로의 사용은 피에조 전기 결정의 상호 작용으로 DC 전류로부터 AC 전류를 추출할 수 있게 해준다. 이 예로부터 장치를 제작하는 것은 하기의 방정식 및 설명에 의하여 주어지는 캐패시터 구조와 유사한 대역 장치를 구성할 수 있도록 한다. 캐패시턴스 방정식은 아래와 같다.

영역 / 두께 ..... 방정식 5

여기에서 C는 캐패시턴스, ε₀는 자유 공간의 유전율이며, k는 전극 사이에서 재료의 유전 상수이다.

또한,

C = q / V ...... 방정식 6

그리고, 얻게 되는 전압은 다음의 방정식으로 구한다.

영역 ...... 방정식 7

그리고

...... 방정식 8

이들 방정식은 장치 설계의 최적화에 관한 것이다. 상기 장치는 가능한 한 얇은 층을 가지며 상기 영역은 커야 한다. 양자택일적인 디자인으로 강유전성 수용자(host) 내에 높은 핵 자기 스핀 원자를 가질 수 있다. 이러한 디자인의 장점은 스핀 재료와 강유전성 재료 사이의 가장 근본적인 접촉부를 갖게 된다는 것이다.

강유전성은 결정 내의 영구적인 전기적 쌍극자 모멘트를 특징으로 한다. 강유전성 재료에서, 상기 쌍극자는 고체 구조 내에서 무작위로 된다. 극화를 통하여, 쌍극자가 배열된다. 극화된 강유전성 재료가 바람직하다. 도 4는 이러한 쌍극자 배열을개략적으로 나타낸다. 대체로, 본 발명 범위 내의 전기 발전기는 큰 표면 영역을 가져야 한다. 큰 표면 영역을 얻기 위한 방법 중 한 가지는 다층을 갖는 전기 발전기를 제조하는 것이며, 상기 층들은 가능한 한 얇게 되어야 한다. 상업적으로 가용한 여러 강유전성 재료는 페로브스카이트 구조를 갖는다.

강유전성 박막은 비휘발성 강유전성 랜덤 액세스 메모리(NV-FRAM) 장치에 사용되는 것으로 주지되어 있다. 강유전성 막을 제조하기 위한 다양한 기술이 주지되어 있다. 이러한 방법에는 비정질 막을 형성하며 이어서 어닐링하는 스퍼터링 또는 MOCVD와 같은 박막 도포 기술이 포함된다. 대체로, 결정화는 중간상을 통하여 진행된다. 예를 들면, 지르콘 티탄산 납(PZT)을 어닐링할 때, 피로클로로 상이 일차로 형성되며 이어서 페로브스카이트 상이 형성된다.

표 2는 일부 강유전성 재료의 특징을 열거한다. Ps는 강유전성 재료의 표면 전하 밀도의 측정 또는 그의 전하 축적 능력을 나타낸다.

표 2: 일부 강유전성 재료의 특성

a (10^- ²쿨롱/㎡) Ps의 값은 상온에서의 단일 결정에 대한 것이다.

b 상온에서의 반강유전성

c Tc 미만에서 용해

d 약 273K 에서 분해

e 100K에서

f 280K에서

전기 발전기 구조

도 5는 본 발명 범위 내에서 전기 발전기의 기본 구성 요소를 개략적으로 나타낸다. 상기 전기 발전기는 높은 핵 자기 스핀 또는 높은 잔존 분극을 갖는 제 1 재료, 및 상기 제 1 재료와 밀접하게 관련된 극화된 강자성 재료을 포함한다. 이에 사용된 바와 같이, 높은 핵 자기 스핀을 갖는 재료는 1/2 이상의 스핀을 갖게 된다. 이는 원자의 핵이 편평하게 되거나 연장됨을 의미한다. 높은 스핀 값을 갖는 재료는 더 큰 전력을 발생할 수 있게 된다. 스핀은 방사선이 발생할 만큼 너무 높으면 안된다. 단, 그러한 장치에서는 엄격히 통제된다. 도 1은 높은 핵 자기 스핀 재료의 예를 나타낸다. “홀수” 스핀 특성을 갖는 높은 자연 존재비를 갖는 높은 스핀 동위 원소가 바람직하다. Pr, Mn, 및 Mg 원소가 현재 바람직하다. 이에 사용된 바와 같이, "밀접히 관련된"이라는 용어는 인접 층 재료 및 혼합 재료를 포함한다.

높은 핵 자기 스핀 재료 및 강유전성 재료는 전기적 접촉부 사이에 배치된다. 상기 전기적 접촉부는 금속 재료로 될 수 있다. 바람직한 일 실시예에서, 하나의 전기적 접촉부는 금, 백금, 탄탈륨과 같은 수용체 재료 또는 기타 주지의 수용체 재료이다. 나머지 전기적 접촉부는 고일함수(high work function) 재료와 같은 도너(donor) 재료이다. 고일함수 재료의 예로는 은 (4.64 eV), 니켈 (5.22 eV), 알루미늄 (4.20 eV), 및 탄탈륨 (4.15 eV)이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다. 저일함수 금속의 예로는 나트륨 (2.36 eV)과 같은 알칼리 금속 또는 유로퓸(2.5 eV)과 같은 희토류 금속이 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.

자기장은 높은 핵 자기 스핀 재료에 인가된다. 자기장은 장치의 전체 조성에 자성 재료를 내적으로 첨가함에 의하여 도입될 수 있고 또는 외부적으로 인가될 수 있다. 자기장의 강도는 장치의 결합 효율에 영향을 미칠 수 있다. 바람직하기로는 자기장은 장치 성능을 최적화하기 위한 조화 공진에 맞게 조정될 수 있다. 본 발명에서 사용가능한 효과적인 자기장의 일반적인 강도는 0.01 테슬라와 10 테슬라 사이의 범위로 될 수 있다.

지속적으로 사용되는 본 발명 범위 내의 전기 발전기에는, 최적의 성능을 위하여 단시간에 전하를 축적하는 인덕터가 요구될 수 있다. 전하 축적 시간은 각 파워 요소의 캐패시턴스 및 인덕턴스에 의하여 결정된다. 캐패시턴스 및 인덕턴스의 조합은 LC 회로에 대표적인 시간 상수를 부여한다. 캐패시턴스 및 인덕턴스는 각각의 장치에 따라 변화된다. 간헐적인 사용에는 인덕터에 대한 필요성이 덜하다. 지속적인 사용을 위해서는 각각의 파워 요소에서 장치에 내장되거나 외적으로 일체화된 인덕터가 필요하다.

도 5에 나타낸 개략적인 장치는 박막 또는 후막 공정 또는 그 두가지의 조합을 이용하여 구성될 수 있다. 후막 공정의 예는 다음 단계에서 설명된다. 그러나, 박막 공정은 장치의 크기 및 성능을 최적화하도록 수행될 수 있다.

도 6은 본 발명 범위 내의 다층 장치를 개략적으로 나타낸 다이어그램이다. 여러층의 재료는 다른 층의 상부에 쌓아올려진다. 도 5에 도시된 장치에서와 같이, 이 장치는 높은 핵 자기 스핀 또는 높은 잔존 분극을 갖는 제 1 재료(1)의 층들 및 상기 제 1 재료와 밀접히 관련된 극화된 강자성 재료(2)를 포함한다. 도 6은 상기 극화된 강자성 재료 또는 제 1 재료의 층들 중 적어도 하나에 인접하여 배치되는 자기 재료(3)를 도시한다. 상기 다층 장치로부터 출력되는 전압을 수집하기 위하여 전기적 접촉부가 마련된다. 또한, 상술한 바와 같이, 인덕터가 도시된다.

도 9 및 도 10은 더 큰 “다층 스택” 장치를 개략적으로 나타내는 다이어그램이다. 마찬가지로, 이들 장치는 이에 설명된 여러 층의 재료로 이루어진다.

도 9a 및 도 9b는 산화루테늄과 같은 높은 표면 영역 전극을 이용하는 강유전성 전기 발전기를 개략적으로 나타낸다. 이 경우, 능동 소자는 실리콘 기판 상에 성장된다. 도 10은 도 9에 나타낸 단일 유니트의 반복적인 스택을 나타낸다. 가요성 전극 및 박막을 사용함으로써 이들 스택은 보다 효율적인 공간의 패킹 또는 활용을 위하여 압연가능하다.

다음은 강유전성 재료를 사용하는 입체 상태 전기 발전기의 가능한 구조에 대한 개요이다.

티탄산바륨은 대표적인 전치형 강유전성 재료이다. 분극화는 이온으로 하여금 그의 평형 위치로부터 위치가 다소 변경되도록 한다. 이는 평형 이온 위치에서 비대칭적인 이동을 유발하며 영구적인 쌍극자 모멘트의 형성을 유도한다. 질서형-무질서형 강유전성에서, 각 유니트 셀에는 쌍극자 모멘트가 존재한다. 고온에서, 상기 쌍극자 벡터는 임의의 방향을 지시한다. 강유전성 재료의 각 조성에는, 임계 온도로 불리우는 상 전이 온도(Tc)가 있다. Tc 보다 높은 온도에서 강유전성이 외적으로 인가되는 전기장에서 냉각되면, 상기 쌍극자는 동일한 방향을 지시하는 대부분의 쌍극자 벡터로 정렬된다.

강유전성 결정은 종종 강자성 결정과 마찬가지로 여러 전이 온도 및 도메인 구조 이력 현상을 보인다. 일부 강유전성 결정에서 상 전이의 성질은 아직 이해하기 쉽지 않다.

1921년에 로셸염 (NaKC₄H₄O₆·4H₂O)의 예외적인 유전 특성을 연구하는 동안, J. Valasek는 이 재료가 강유전성 특성을 보인다는 것을 나타내었다. 제 2 강유전성 재료인 KH₂PO₄는 1935년까지는 발견된 바 없던 것으로, 이후 그의 이종 동형체 일부가 발견되었다. 제 3 강유전성 재료인 BaTiO₃는 1944년에 A. von Hippel에 의하여 보고된 바 있다. 그 이후로, 약 250가지의 단일 상 재료들 및 여러 혼합 결정 시스템이 발견되었다.

결정이 결정 내에 쌍극자 벡터를 고정하는 강제적인 힘보다 큰 외부 전기장이 인가됨에 따라 배열가능한 내부 쌍극자를 갖는다면 상기 결정은 강유전성이다. Ps는 포화 분극화, 또는 쌍극자의 최대 배열 정도이다. 쌍극자의 반전은 스위칭으로 주지되어 있다. 각각의 방향성에 대한 결과 상태는 제로 외부 전기장 내에서 강력하고 대칭적인 상태에 상응한다. 결함 분포 및 도전성과 같은 결정 특성은 온도, 압력 및 전극 상태와 함께 강유전성 반전에 영향을 미칠 수 있다. 대부분의 강유전성 재료는 P_s 및 T_c의 특징값을 갖는다. Ps의 반전 또는 재 방향성은 항상 원자 변위의 결과이다.

대부분의 강유전성 결정 내의 자연스러운 분극화는 Tc 미만의 온도에서 최대이며 Tc에서 제로로 감소한다. 고온 상 또한 극성 특성을 보인다면, Ps는 Tc에서 최소로 통과되며; 마찬가지로, 더 낮은 온도에서 또 다른 상이 형성되면, Ps는 증가, 감소 또는 상기 전이 하에서 제로가 된다.

다중-도메인 강유전성 결정에서 일 방향을 따라 강제적인 힘보다 더 큰 dc 장이 인가되면 모든 Ps 벡터의 평행 방향성이 초래된다. 도메인 벽 이동에 요구되는 최소 dc 장은 강제적인 힘의 크기이다. 다중-도메인 결정에서 Ps의 초기 값은 상기 재료의 특성인 최대치로 dc 장을 증가시키면서 증가된다. 상기 장의 반전은 상이한 영역에서 Ps의 감지가 반전됨에 따라 도메인 벽을 재 도입한다. 외부적으로 인가되는 장이 없는 경우, 상기 결정은 자연스러운 분극화보다 크지 않은 잔존 분극을 갖게 되며, 이는 통상 Ps보다 작다. 전체 반전 장에서, 최종 Ps는 원래의 전체 Ps에 동일한 크기를 가지나 반대 부호로 된다. 그러므로 관찰되는 상기 이력 현상은 상기 도메인 벽을 변위시키는 데에 요구되는 일 함수이며, 상기 결정 내의 결함 분포 및 상이한 방향성 상태를 분리하는 에너지 장벽 모두에 밀접하게 관련된다.

단일-도메인 재료의 자연스러운 분극화는 통상 0.001C/㎡ 내지 10C/㎡의 범위 내로 된다. 수치값은 10^-2uC/㎠의 단위로 통상 주어진다. 단일 결정에서 Ps의 크기는 강유전성 반전에 발생되는 원자 변위에 직접적으로 관련되며, 단위 셀 내의 원자 위치를 알 수 있는 경우 이로부터 계산될 수 있다. D_i인 경우, 원자 변위 벡터의 성분이 Ps 방향을 따라 원래 및 반전 방향성에서 _i번째의 원자 위치에 결합되며, 효과적인 전하가 Z_i이고 단위 셀 부피가 V이므로, Ps = (1/2V) S_i Z_i D_i이다. 상기 자연스러운 분극화는 주의 깊은 x-레이 회절 구조 측정에 의하여 얻을 수 있는 전하 밀도로부터 직접적으로 실험적으로 추출가능하다.

전치 강유전성 결정에서 원자의 배열은 작은 변위, 통상 1Å보다 작은 변위가 안정 상태에서 초래되지만 Ps로 재방향되도록 이루어진다. 중간 위치 배열은 높은 대칭 구조에 상응한다. 이 상태에서의 쌍극자는 모두 제로가 아니거나 정확히 상쇄되므로, 쌍극자의 방향성은 반드시 임의적일 필요는 없다. 단순한 예로, "원형 형태(prototype)" 결정 구조가 입체형인 BaTiO₃는 코너에 바륨 원자를 가지며 몸체 중앙에는 티타늄 원자를 갖고 상기 입체 단위 셀의 면들의 중앙에는 산소 원자를 갖는다. 393 K의 퀴리 온도 미만에서, 바륨 원자 위치를 기준으로 상기 티타늄 원자가 c-방향을 따라 원형 형태의 위치로부터 약 0.05Å만큼 변위되고 산소 원자가 약 0.08Å만큼 반대측으로 변위됨에 따라, 상기 결정 구조는 4각형으로 된다. 그 결과 변위는 자연스러운 분극화를 유발한다. 상기 c 축을 따라 인가되는 전기장은 상기 축 및 Ps에 반대로 상기 티타늄 원자를 약 0.1Å만큼 그리고 O를 약 0.16Å만큼 변위시킬 수 있다.

결정에서 Ps의 상대적인 방향은 단일 도메인 결정이 Tc 미만에서 냉각되므로 극성 표면 상에 발전되는 전하에 의하여 주어진다. 이러한 방향은 x-레이 회절 실험에서 비정상 분산(anomalous scattering)을 이용함으로써 원자 배열에 관련될 수 있다. Ps의 절대 방향에 대한 주지의 실험 결정은 효과적인 점 전하 분포로부터 계산되는 바의 감각과 일치한다; 따라서, 사각형 BaTiO₃에서, 절대 방향은 상기 산 소층으로부터 가장 가까운 Ti 이온을 향한 방향성에 의하여 부여된다. 일단 전기장이 사라지고 도메인 변화가 없어지면, Ps은 잔존 분극과 동일해진다.

강유전성 재료는 Ps의 반전을 일으키는 변위 벡터 D의 성질에 기초하여 3개 군으로 나뉠 수 있다. 사각형 BaTiO₃의 경우에서와 마찬가지로, 1차원적 군은 상기 c-축에 평행한 모든 원자 변위를 유발한다. 이 경우, Ps는 약 0.25 C/㎡이다. 2-차원적인 군은 분극화된 축을 포함하는 평면에서 원자 변위를 유발한다. 예시적인 예를 BaCoF₄를 사용한다.

이러한 페로브스카이트는 0.1C/㎡ 내지 0.3C/㎡ 의 범위에 걸친 Ps 값의 범위를 갖는다. 상기 3-차원 군은 모든 3차원에서 유사한 크기의 원자 변위를 유발한다. 대표적인 예는 Tb₂(MoO₄)₃이다. 이 경우, Ps는 약 0.5C/㎡이다.

일부 강유전성 재료는 표 3에 열거된다. 인산이수소칼륨(KDP)은 사방정계 강유전성 상으로부터 비극성으로 변환되지만 123K에서 압전기 사각형 상으로 된다. 로셸염은 2가지 퀴리 온도를 갖는데, 255K에서 압전기 사방정계가 아닌 비극성으로부터 강유전성 단사정계로 변환되며 297K에서 다소간 구조가 변경되면서 사방정계로 되돌아간다. 티탄산바륨은 3가지 강유전성 상을 가지며 3가지 퀴리 온도를 갖는다: 183K 미만에서는 마름모계이고, 183와 278K 사이에서는 또 다른 사방정계 상이며, 278와 393K 사이에서는 사각형으로 되고; 393K 이상에서는 입방정으로 된다. 소듐 니오베이트는 73K에서 강유전성 삼각형으로부터 반강유전성 사방정계로 변환되고, 627K에서는 비극성 사방정계로, 그보다 고온에서는 4가지 추가 비극성 상으 로 변환된다.

표 3: 선택된 재료의 강유전성 특성

a. Ps의 값은 달리 규정되지 않는 한 25℃에서의 단일 결정에 대한 것이다.

b. 상온에서 반강유전성

c. Tc 이하에서 용해

d. 약 273 K에서 분해

e. 100 K에서 분해

극화된 강유전성 결정은 Tc 이상에서 상기 재료를 1차로 가열함으로써 얻을 수 있다. 충분히 큰(강제적인 힘보다 큰) 외적인 전기장을 가하고 Tc 이하에서 상기 강유전성 재료를 냉각한다. 상기 전기장이 제거되고 상기 재료가 상온에서 냉각될 때, 최대의 분극화가 이루어진다. 시간이 지남에 따라, 상기 분극화는 상기 재료의 안정성에 따라 붕괴될 수도 있고 아닐 수도 있다. 이렇게 초래되는 분극화는 “잔존 분극”이라고 불리운다. 경우에 따라, 상기 잔존 분극은 자연스러운 분극화와 동일하게 남을 수 있다. 상기 잔존 분극 발전기의 최대 출력을 위해서는, 높고, 안정적이며, 예측가능한 잔존 분극을 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 안정적인 강유전성 도메인을 보유함으로써 달성된다.

층상의 강유전성 장치에 의하여 얼마나 많은 전력이 발생되는지 예측하기 위해서, 캐패시터 개념으로부터 익숙한 방정식 및 용어를 사용한다. 이 경우, 최대 잔존 분극 재료 중 한 가지를 선택한다.

예를 들면, ZnO 상에 성장된 BiFeO₃는 약 0.90C/㎡의 Pr을 갖는다.

정의:

1 C = 쿨롱 = 1 암페어 x 초

2 C = I 패럿 (F) x 볼트 (V)

4 주울 /초 = 와트

5 주울 = 1/2(볼트)² x 쿨롱

6 주울 = (C x V)/2

이상으로부터, 우리는 BiFeO₃가 약 0.90C/㎡의 Pr을 갖는다고 말할 수 있다.

층마다 20볼트의 전위를 갖는다고 가정하면 그리고

정의 2로부터, 층마다 0.90C/m²/20 볼트=0.045 F가 존재함을 발견하게 된다.

정의 6으로부터, 층마다 발생되는 에너지가 에너지= [20V x 0.045 패럿] / 2 = 9.0 주울 임을 결정할 수 있다.

캐패시터에 대한 충전 시간(t)이 발전기의 충전 시간에 상응한다고 가정하면, 다음의 방정식이 적용된다고 가정한다;

t (초) = 옴(ohms) x 캐패시턴스

이제 일부 내부 손실을 가정하면, 내부 저항은 약 10 옴/㎡일 때: 10 옴 x 0.045 패럿 = 0.45 초이다. 그러면, 정의 4로부터, 전력이 연속적인 전력의 9.0 주울/0.45초 20 와트임을 발견하게 된다. 층마다 20와트로 1,000개의 층을 갖는 완전한 장치에서는 20,000와트가 생산된다.

따라서, 연속적인 발전기는 RPEG 메카니즘을 사용하여 생산가능하다.

표 4는 본 발명에서 사용하기 위한 후보로 선택된 원소들에 대한 참고 정보를 제공한다.

표 4: 참고 정보

실시예

본 발명 범위 내의 다양한 실시예들을 도시하기 위하여 다음의 예를 제공한다. 이는 예로써 제시된 것으로, 다음의 예들은 본 발명 범위 내의 많은 실시예들을 모두 철저히 이해하는 것은 아니다.

예 1. 프라세오디뮴 도핑 - NMSG

약 1.5인치의 폭, 약 8피트의 길이 및 약 0.002인치의 두께로 되는 탄탈륨 시트를 약 0.001인치의 두께로 되는 것 외에는 유사하게 이루어지는 알루미늄 시트와 함께 테이블 상에 배치하였다. 티탄산바륨 및 프라세오디뮴을 90:10 내지 50:50의 몰비로 서로 혼합한 활성 혼합물을 5% 증가시켰다. 이 혼합물은 Coltronics, Inc., NY사의 Resbond 907로 불리우는 운모계 시멘트와 섞었다. 활성 분말에 대한 운모의 비율은 중량비로 50:50이다. 철 분말 또한 프라세오디뮴 산화물을 사용하여 0.2몰비까지 임의의 혼합물에 첨가하였다. 이어서 상기 2가지 금속박 상에 페인팅되고 브러슁될 진한 슬러리 페이스트를 만들기 위하여 증류수를 첨가하였다. 상기 2가지 금속박을 서로의 상부에 위치시켜 1/2인치 굴대 상에서 압연하였다. 상기 알루미늄박은 음전극에 연결하고 상기 탄탈륨박은 양전극에 연결하였다. 결합된 코일을 진공 상태에서 460℃로 가열하고 약 1밀리암페어의 작은 전류에서 6,000 볼트로 극화하였다.

상기 코일을 극화한 후, 조립된 발전기는 3.5V의 전위를 제공하였다. 이 전류를 테스트하기 위하여, 상기 전극들 사이에 LED를 배치하여 계속 켜두었다. 상기 LED는 약 2.2볼트 및 약 10밀리암페어의 턴-온 전압을 필요로 하였다.

예 2. 망간 도핑 - NMSG

약 1.5인치의 폭, 약 8피트의 길이 및 약 0.002인치의 두께로 되는 탄탈륨 시트를 약 0.001인치의 두께로 되는 것 외에는 유사하게 이루어지는 알루미늄 시트와 함께 테이블 상에 배치한다. 티탄산바륨 및 망간 산화물의 활성 혼합물을 90:10 의 몰비로 함께 혼합하였다. 이 혼합물은 Coltronics, Inc., NY사의 Resbond 907로 불리우는 시멘트와 섞었다. 활성 분말에 대한 시멘트의 비율은 중량비로 50:50이었다. 철 분말 또한 망간 산화물을 사용하여 0.2몰비로 임의의 혼합물에 첨가하였다. 이어서 상기 2가지 금속박 상에 페인팅되고 브러슁될 진한 슬러리 페이스트를 만들기 위하여 증류수를 첨가하였다. 상기 2가지 금속박을 서로의 상부에 위치시켜 1/2인치 굴대 상에서 압연하였다. 상기 알루미늄박은 음전극에 연결하고 상기 탄탈륨박은 양전극에 연결하였다. 결합된 코일을 진공 상태에서 460℃로 가열하고 약 1밀리암페어의 작은 전류에서 6,000 볼트로 극화하였다.

상기 코일을 극화한 후, 조립된 발전기는 5V의 전위를 제공하였다. 이 전류를 테스트하기 위하여, 상기 전극들 사이에 LED를 배치하여 계속 켜두었다. 상기 LED는 약 2.2볼트 및 약 10밀리암페어의 턴-온 전압을 필요로 하였다.

예 3. 티탄산바륨 - RPEG

약 1.5인치의 폭, 약 8피트의 길이 및 약 0.002인치의 두께로 되는 탄탈륨 시트를 약 0.001인치의 두께로 되는 것 외에는 유사하게 이루어지는 알루미늄 시트와 함께 테이블 상에 배치한다. 티탄산바륨의 활성 혼합물을 50:50의 몰비로 함께 혼합하였다. 이 혼합물은 Coltronics, Inc., NY사의 Resbond 907로 불리우는 시멘트와 섞었다. 활성 분말에 대한 시멘트의 비율은 중량비로 50:50이었다. 이어서 상기 2가지 금속박 상에 페인팅되고 브러슁될 진한 슬러리 페이스트를 만들기 위하여 증류수를 첨가하였다. 상기 2가지 금속박을 서로의 상부에 위치시켜 1/2인치 굴대 상에서 압연하였다. 상기 알루미늄박은 음전극에 연결하고 상기 탄탈륨박은 양전극 에 연결하였다. 결합된 코일을 진공 상태에서 460℃로 가열하고 약 1밀리암페어의 작은 전류에서 6,000 볼트로 극화하였다.

상기 코일을 극화한 후, 조립된 발전기는 약 3V의 전위를 제공하였다. 이 전류를 테스트하기 위하여, 상기 전극들 사이에 LED를 배치하여 계속 켜두었다. 상기 LED는 약 2.2볼트 및 약 10밀리암페어의 턴-온 전압을 필요로 하였다.

예 4. 프라세오디뮴 도핑 - NMSG

약 1.5인치의 폭, 약 8피트의 길이 및 약 0.002인치의 두께로 되는 탄탈륨 시트를 약 0.001인치의 두께로 되는 것 외에는 유사하게 이루어지는 알루미늄 시트와 함께 테이블 상에 배치한다. 티탄산바륨 및 프라세오디뮴 산화물의 활성 혼합물을 90:10의 몰비로 함께 혼합하였다. 이 혼합물을 Coltronics, Inc., NY사의 Resbond 907로 불리우는 시멘트와 섞었다. 활성 분물에 대한 시멘트의 비율은 중량비로 50:50이었다. 철 분말 또한 프라세오디뮴 산화물을 사용하여 0.2몰비로 임의의 혼합물에 첨가하였다. 이어서 상기 2가지 금속박 상에 페인팅되고 브러슁될 진한 슬러리 페이스트를 만들기 위하여 증류수를 첨가하였다. 상기 2가지 금속박을 서로의 상부에 위치시켜 1/2인치 굴대 상에서 압연하였다. 상기 알루미늄박은 음전극에 연결하고 상기 탄탈륨박은 양전극에 연결하였다. 결합된 코일을 진공 상태에서 460℃로 가열하고 약 1밀리암페어의 작은 전류에서 6,000 볼트로 극화하였다.

상기 코일을 극화한 후, 조립된 발전기는 약 100V의 전위를 제공하였다. 이 전류를 테스트하기 위하여, 상기 전극들 사이에 LED를 배치하여 계속 켜두었다. 상기 LED는 약 2.2볼트 및 약 10밀리암페어의 턴-온 전압을 필요로 하였다.

예 5. 납 지르코늄 티타네이트 + 티탄산바륨 - RPEG

약 1.5인치의 폭, 약 8피트의 길이 및 약 0.002인치의 두께로 되는 탄탈륨 시트를 약 0.001인치의 두께로 되는 것 외에는 유사하게 이루어지는 알루미늄 시트와 함께 테이블 상에 배치한다. 티탄산바륨 및 납 지르코늄 티타네이트 산화물의 활성 혼합물을 50:50의 몰비로 함께 혼합하였다. 이 혼합물을 Coltronics, Inc., NY사의 Resbond 907로 불리우는 시멘트와 섞었다. 활성 혼합물에 대한 시멘트의 비율은 중량비로 50:50이었다. 이어서 상기 2가지 금속박 상에 페인팅되고 브러슁될 진한 슬러리 페이스트를 만들기 위하여 증류수를 첨가하였다. 상기 2가지 금속박을 서로의 상부에 위치시켜 1/2인치 굴대 상에서 압연하였다. 상기 알루미늄박은 음전극에 연결하고 상기 탄탈륨박은 양전극에 연결하였다. 결합된 코일을 진공 상태에서 460℃로 가열하고 약 1밀리암페어의 작은 전류에서 6,000 볼트로 극화하였다.

이 장치는 2주의 기간에 걸쳐 약 5볼트로 천천히 소진되는 50볼트의 전위를 제공하였다. 이러한 소진은 내부 저항의 감소를 유발하는 물의 흡수에 기인하였다.

예 6. 스퍼터링된 바나듐 -NMSG

무선 주파수(RF) 마그네트론 진공 챔버에서 유타주, 솔트레이트 시티, EDO 세라믹스로부터 얻어진 PZT 디스크 상에 바나듐 금속을 스퍼터링하였다. 상기 디스크는 약 0.020인치의 두께 및 약 1.5인치의 직경으로 하였다. 상기 디스크의 일면을 은으로 코팅하고 바나듐이 나머지 전극으로써 작용하였다. 상기 디스크를 0.5테슬라의 외부 자석 내에 위치시켰다. 다시, 상기 바나듐 층으로 된 장치는 예상되는 용량 효과 이외에 현저한 전압 또는 전류를 나타내지 않았다.

상기 디스크를 극화한 후, 상기 조립된 발전기는 아무런 전압 또는 전류가 발생되지 않는 부정적인 결과를 보였다. 이는 비록 상기 바나듐이 높은 핵 자기 스핀의 높은 자연 존재비를 갖더라도; 핵의 스핀이 “짝수” 구조로 되어 있다는 사실에 기인한다. 그러므로, “홀수” 스핀 핵만이 강유전성 재료 상에 보다 큰 충격을 유발하는 외부 전자와 충분한 쿨롱 상호작용을 제공한다는 결론을 얻었다.

예 7. 스퍼터링된 몰리브덴-NMSG

무선 주파수(RF) 마그네트론 진공 챔버에서 유타주, 솔트레이트 시티, EDO 세라믹스로부터 얻어진 PZT 디스크 상에 몰리브덴 금속을 스퍼터링하였다. 상기 디스크는 약 0.020인치의 두께 및 약 1.5인치의 직경으로 하였다. 상기 디스크의 일면을 은으로 코팅하고 몰리브덴이 나머지 전극으로써 작용하였다. 상기 은의 스퍼터링 두께는 약 200 nm으로 하였고, 상기 몰리브덴의 두께는 약 800 nm으로 하였다. 상기 디스크를 0.5테슬라의 외부 자석 내에 위치시켰다. 상기 몰리브덴 층으로 된 장치 상에서 약 0.5볼트의 전위가 얻어졌고 전류는 3 내지 6마이크로암페어로 측정되었다. 상기 전류 및 전압은 약 6개월 동안 일정하게 유지되었다. 이 장치는 성분의 침전 또는 확산을 위하여 상기 전극 PZT 인터페이스를 분석하기 위하여 구획하였다.

예 8. 중수소로 도핑된 마그네슘 -NMSG

무선 주파수(RF) 마그네트론 진공 챔버에서 유타주, 솔트레이트 시티, EDO 세라믹스로부터 얻어진 PZT 디스크 상에 두께 800nm의 마그네슘 층을 스퍼터링하였다. 상기 디스크는 약 0.020인치의 두께 및 약 1.5인치의 직경으로 하였다. 상기 디스크의 나머지 일면을 약 200 nm 두께의 은으로 스퍼터링하였다. 상기 코팅된 디스크를 중수소가 마그네슘 층 내로 반응적으로 스퍼터링하는 RF 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에 위치시켰다. 마그네슘으로 중수소화된 화합물을 형성하기 위하여 약 7%의 마그네슘을 반응시켰다. 상기 디스크를 0.5테슬라의 외부 자석 내에 위치시켰다. 몰리브덴으로 도핑된 중수소 상에서 얻어진 전위는 약 1볼트이었고 전류는 6마이크로암페어에서 측정하였다.

예 9. -RPEG

이 경우, 잔존 분극 전기 발전기를 제작하는 데에 사용되는 구성 부품들을 제거하기 위하여 간혹 의사캐패시터(pseudocapacitor)로도 불리우는 울트라캐패시터를 분해하였다. 이들 중 여럿은 분해된 20 내지 50 패럿 캐패시터를 사용하여 제작하였다. 활성 전해질 재료를 제거하여 폴리비닐리덴플루오라이드로 대체하였다. 이러한 고분자는 20/80의 부피 비율로 테트라히드로퓨란으로 용해된다. 산화루테늄으로 형성되는 2개의 전극층을 상기 용액 내에 담그었다. 60℃에서 이들 2개 전극층으로부터 상기 용액을 공기 중에서 건조시켰다. 코팅층을 압연을 통하여 장치로 제조하였고 2시간 동안 170℃에서 가열하였고, 여기에서 폴리비닐리덴플루오라이드가 용해되었다. 냉각 중에, 약 2메가-옴의 내부 저항으로 상기 2개 전극층을 서로 전기적으로 고립시켰다. 이러한 특별한 경우, 결정화 및 자기 분극화 공정을 발생되었으며, 충전된 관능기는 전기적 극화에서 보이는 바와 유사한 효과로 양극 및 음극 영역으로 조직되었다. 상기 장치는 자연스럽게 스스로 충전되었고 전류 및 전압은 상기 전극과의 적당한 연결로써 측정가능하였다. 측정된 상기 장치의 성능은 0.354 볼트로 나타났고 2밀리암페어의 전류가 발생되었다. 이 장치의 이들 전극은 장시간 동안, 2주간까지 수차례 짧아졌고, 모든 경우에 상기 장치를 상술한 바의 값으로 자연스럽게 그리고 지속적으로 재충전하였다. 충전 또는 방전 시간의 열화는 감지된 바 없었다.

상술한 소규모 실험의 결과에 기초하여, 다층 또는 압연 구조를 활용하는 기타 장치를 제조하여 실질적으로 더 높은 전기 전류 및 전압을 생산할 수 있다. 본 발명 범위 내의 전기 발전기는 휴대폰, PDA, 노트북 컴퓨터, GPS 장치, 휴대용 음악 재생장치, 손전등, 원격 조절 장치, 무선 및 통신 장치 등과 같이 광범위한 전자 장치에 전력을 공급하는 "세류 충전" 배터리 및 캐패시터에 충분한 정전기 전류를 공급하는 데에 사용할 수 있다. 기타 전기 발전기는 개별적인 회로 보드 칩 및 페이스메이커용 의료용 이식재 및 진통 제어용 전기 자극치료재와 같은 의료 용구에 전력을 제공할 수 있다.

본 발명 범위 내의 전기 발전기는 원거리 위치용, 가정용, 사업용, 자동차, 선박, 등에 독립형으로 전력을 공급하기 위한 충분한 규모로 제조가능하다. 군 장비들은 위성, 공간 탐촉자 및 현장 설비들을 위한 전기 발전기를 포함할 수 있다.

이상에 언급된 본 발명 개시는 독립적인 활용으로 여러 가지 명백한 본 발명을 포함한다. 이들 발명 각각은 그의 바람직한 형태로 개시되었으며, 이에 개시 및 도시된 그의 구체적인 실시예들은 제한적인 것이 아니므로 다양한 수정이 가능하다. 본 발명의 요지는 모든 신규하거나 신규하지 않은 조합 및 이에 개시된 다양한 요소, 특징, 기능 및/또는 특성의 부결합을 포함하다. 본 발명 개시, 현재 출원된 특허 청구의 범위 또는 후속적으로 출원된 특허 청구의 범위에서 “하나의” 또는 “제 1” 요소 또는 그의 등가물을 인용하는 경우, 이는 본 발명의 범위 내에서 그러한 개시 또는 청구의 범위가 하나 이상의 그러한 요소의 결합을 포함하는 것으로 이해될 수 있으며, 2개 이상의 그러한 요소를 필요로 하거나 이를 배제하는 것은 아닌 것으로 이해되어야 한다.

본 출원인들은 이에 특허 청구의 범위를 제출하며, 개시된 본 발명 중 하나에 관련되며 신규 및 비신규한 임의의 조합 및 부결합에 대한 특허 청구의 범위를 제출할 권리를 보유한다. 특징, 기능, 요소 및/또는 특성의 기타 조합 및 부조합에 구체화된 발명은 그 출원 또는 관련 출원에서 이들 특허 청구의 범위에 대한 보정 또는 신설 특허 청구의 범위의 제출이 가능하다. 이러한 보정 또는 신설 특허 청구의 범위는, 상이한 발명에 관한 것이거나 또는 동일한 발명에 관한 것이거나, 원래의 특허 청구의 범위와 상이하든, 더 광범위하든, 더 협소하든 또는 동일하든 간에 본 발명 개시의 요지 내에 포함되는 것으로 간주된다.

본 발명은 이에 광범위하게 설명되고 청구되는 바, 그의 구조, 방법, 또는 기타 본질적인 특징들로부터 벗어나지 않는 한 기타 구체적이 형태로 구체화될 수 있다. 상세히 설명된 실시예들은 예시적인 것으로서 제한적으로 고려되어서는 않된다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명이 아닌 첨부된 특허 청구의 범위에 의하여 지시된다. 특허 청구의 범위의 등가물의 의미 및 범위 내에 속하는 모든 변경은 그들의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims

높은 핵 자기 스핀을 갖는 재료;

상기 높은 핵 자기 스핀 재료와 밀접히 관련된 극화된 강자성 재료;

상기 극화된 강자성 재료와 상기 높은 핵 자기 스핀 재료의 대향측에 배치되는 한 쌍의 전기 접촉부; 및
청구항 1에 있어서, 상기 극화된 강자성 재료 및 상기 높은 핵 자기 스핀 재료는 인접한 층으로 되는 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 극화된 강자성 재료 및 상기 높은 핵 자기 스핀 재료는 혼합된 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 전기 접촉부는 금속 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 하나의 전기 접촉부는 수용체 재료이며 나머지 전기 접촉부는 도너 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 자기장은 약 0.01 테슬라 내지 약 10 테슬라의 범 위 내인 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 6에 있어서, 상기 수용체 재료는 탄탈륨, 금, 백금 및 p-형 반도체로부터 선택됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 6에 있어서, 상기 도너 재료는 높은 일 함수 재료 및 n-형 반도체로부터 선택됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 자기장은 자성 재료를 상기 높은 핵 자기 스핀 재료와 혼합하여 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 자기장은 외부 자석으로서 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 2에 있어서, 상기 외부 자기장은 극화된 강자성 재료 또는 높은 핵 자기 스핀 재료의 층들 중 적어도 하나에 인접하게 하나의 자성 재료층을 배치함으로써 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 자기장은 전기 에너지 발생을 최적화하기 위하여 조절되는 강도는 가짐을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 발전기는 전자 장치를 세류 충전하기에 충분한 전력을 제공함을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 발전기에 전기적으로 접속되는 인덕터 회로를 더 포함하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 복수의 높은 핵 자기 스핀 재료 층을 더 포함하며, 상기 높은 핵 자기 스핀 재료의 각 층은 한 쌍의 극화된 강자성 재료 층들 사이에 이격된 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 높은 핵 자기 스핀 재료는 +1/2 이상의 스핀을 가짐을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 높은 핵 자기 스핀 재료는 -1/2 이하의 스핀을 가짐을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 1에 있어서, 상기 높은 핵 자기 스핀 재료는 방사성임을 특징으로 하는 전기 발전기.
높은 잔존 분극을 갖는 재료;

상기 높은 잔존 분극 재료와 밀접히 관련된 극화된 강자성 재료;

상기 극화된 강자성 재료와 상기 높은 잔존 분극 재료의 대향측 상에 배치되는 한 쌍의 전기 접촉부; 및

상기 높은 잔존 분극 재료에 인가되는 자기장으로 구성되는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 극화된 강자성 재료 및 상기 높은 잔존 분극 재료는 인접한 층으로 되는 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 극화된 강자성 재료 및 상기 높은 잔존 분극 재료는 혼합된 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 전기 접촉부는 금속 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 하나의 상기 전기 접촉부는 수용체 재료이며 나머지 전기 접촉부는 도너 재료임을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 23에 있어서, 상기 수용체 재료는 탄탈륨, 금, 백금 및 p-형 반도체로부터 선택됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 23에 있어서, 상기 도너 재료는 높은 일 함수 재료 및 n-형 반도체로부터 선택됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 자기장은 자성 재료를 상기 높은 핵 자기 스핀 재료와 혼합하여 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 자기장은 외부 자석으로서 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 외부 자기장은 극화된 강자성 재료 또는 높은 핵 자기 스핀 재료의 층들 중 적어도 하나에 인접하게 하나의 자성 재료층을 위치시킴으로써 인가됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 자기장은 전기 에너지 발생을 최적화하기 위하여 조절되는 강도를 가짐을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 발전기는 전자 장치를 세류 충전하기에 충분한 전력을 제공함을 특징으로 하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 상기 발전기에 전기적으로 접속되는 인덕터 회로를 더 포함하는 전기 발전기.
청구항 19에 있어서, 복수의 높은 잔존 분극을 갖는 재료의 층들로 더 구성되며, 상기 높은 잔존 분극 재료의 각 층은 한 쌍의 극화된 강자성 재료의 층들 사이에서 이격됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
핵 자기 스핀 또는 잔존 분극의 메카니즘을 통하여 독립적으로 전기를 발생하는 재료와 접촉하는 한 쌍의 전기 접촉부로 구성되는 전기 발전기.
청구항 33에 있어서, 상기 재료는 프라세오디뮴, 망간, 티탄산바륨 및 지르콘 티탄산 납으로 구성되는 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 전기 발전기.
높은 핵 자기 스핀 재료 또는 높은 잔존 분극 재료인 제1재료를 얻고;

극화된 강자성 재료를 얻고 이를 상기 제1재료와 밀접히 관련시켜 배치하며;

상기 극화된 강자성 재료 및 상기 제1재료의 대향측에 한 쌍의 전기 접촉부를 배치시키고;

상기 제1재료에 자기장을 인가하는 단계로 구성되는 전기 발생 장치의 제조 방법.