KR20120085717A - 강화된 전기장으로 에너지를 변환하는 시스템 - Google Patents

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채플, 챈탈
필립 알론소
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장-마르크 플뢰리
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Abstract

본 발명은 제 1 전극(106), 제 2 전극(107), 및 이들 사이에 있고 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111)을 포함하는 에너지 변환 시스템에 관한 것으로서, 제 1 전극(106, 306)은 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단으로 구성되고, 장형 전기 전도성 수단은 총 길이 L, 곡선형 단면, 및 곡률 반경 R을 가지며, 다소의 개방형 패턴을 갖는 견고한 어셈블리 내에 배열되고, 임의의 위치에서 동일한 전기 전위를 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 전극(106)을 구성할 수 있다. 시스템은, R이 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작고, 전극간 간극이 1×10-9 m 및 5×10-3 m (1 나노미터 및 5 밀리미터) 사이의 두께를 가지며, 제 1 전극(106)의 상기 적어도 하나의 전기 전도성 수단의 상기 총 길이 L이 1×103 m (1 킬로미터)보다 크고, L/R 비는 제 1 전극(106, 306)이 제 2 전극(107)에 의해 인지되는 전기장에서의 나노미터 레벨에서 밀리미터 레벨로의 현저한 증가를 생성하도록 106 (백만)보다 큰 것을 특징으로 한다.

Description

강화된 전기장으로 에너지를 변환하는 시스템{SYSTEM FOR CONVERTING ENERGY WITH AN ENHANCED ELECTRIC FIELD}
본 발명은 에너지 변환에 관한 것으로, 보다 구체적으로 에너지 변환 시스템의 2개의 전극들 중 적어도 하나의 전극 주위에서 강화된 전기장을 갖는 에너지 변환 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 시스템을 갖춘 다양한 에너지 변환 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 시스템의 2개의 전극들 중 적어도 하나의 전극을 생성하여 다른 전극에 의해 수신된 전기장의 현저한 증가를 생성하는 전기 전도성 수단의 응용에 관한 것이다.
제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질 또는 유전체와 같은 기능 매질을 포함하는 전극간 간극을 포함하는 에너지 변환 시스템들이 공지되어 있다. 이러한 시스템들의 유효성은, 특히, 2개의 파라미터들, 즉 시스템 효율성 및 그것의 비용에 의존한다. 그들의 최적화는, 일반적으로, 그 시스템을 정의하는 다양한 파라미터들을 조절하는 데 있는 실증적 접근법에 기초한다.
전문 문헌(Techniques de l'ingenieur, Encyclopedia of Electrochemistry, Ed. Wiley 2007; Handbook of Electrochemistry, 1st Ed., Cynthia G. Zoski, Ed. Elsevier 2007)은 전기화학적 반응기의 효율성 및 전체적인 관련 비용들을 최적화하기 위한 다양한 전략들을 교시한다. 특히, 이 문헌에는, 중요한 파라미터들은 주로 전극간 간극과, 한편으로 효율성을 강화하는 것과 관련된 양태들에 대한 촉매(catalyst) 및 전해질(electrolyte)과, 다른 한편으로 투자 비용과 관련된 양태들에 대한 전극 표면 면적 대 체적의 비(전기전류의 증가 및 그에 따라 소정 체적에 대한 생산 효율성의 증가)라는 것이 나타난다.
문헌 GB-A-2018826은, 전극이 최대 가능 표면 면적을 전해질에 제공해야 하며, 이는 전극 표면이 미세 조도(microroughnesses)를 갖게 하거나 또는 전극 어셈블리 구조가 그러한 높은 표면 면적을 구하게 함으로써 달성될 수 있다는 것을 교시한다.
문헌 US 4046664는, 또한, 전기화학적 반응기의 효율성이, 작동 전극의 표면 면적에 의존하며, 이러한 작동 전극의 표면 면적은 최대화되어야 하고 전해질에 완전히 노출되어야 한다는 것을 교시한다. 이를 위해, 상기 문헌은, 작동 전극이 다수의 유사한 필라멘트들로부터 제조된 토우(tow)로 구성되는데, 그 필라멘트들은 동일한 길이를 가지며, 구리 또는 금속-코팅된 탄소 섬유들로 제조되고, 서로에게 병렬로 배열되며, 토우의 모든 필라멘트들과 전기 접촉할 수 있는 전기 접속 부재 및 어셈블리로부터 그것의 상측 말단부에 의해 부유된다는 것을 설명한다. 필라멘트들의 단면은 다음과 같은 2개의 기능들, 즉 작동 전극과 전해질의 접촉 면적을 증가시키도록 하는 기능 및 전해질이 필라멘트 토우를 통과하게 하는 기능을 수행하도록 하기 위해 가능한 한 작다. 반응기는, 비전도성 인도 부재(nonconductive guide member)에 배치된 전술한 바와 같은 작동 전극 및 종래의 대향 전극을 포함한다. 작동 전극의 필라멘트들은 필라멘트들 주위의 전해질 때문에 전해질에서 개별적으로 배열되는 경향이 있다. 필라멘트들은 서로 얽히지 않도록 하여 전해질의 통과를 방지하도록 하기 위해 원형 단면을 갖는다.
문헌 US 4108755는 문헌 US 4046664에서 설명된 타입의 반응기를 설명하는데, 이 문헌에서 작동 전극은 다수의 금속 필라멘트들로부터 제조된 토우이다.
문헌 US 5294319는, 254 10-6 m (10 밀(mils))보다 작은 단위 직경을 가지며 또한 토우 또는 스트립의 형태인 섬유들 또는 필라멘트들로 이루어진 기판으로부터 적어도 하나의 전극이 제조되고, 상기 기판은 마지막 전극을 생산하도록 하는 연속적인 동작들(촉매 성막, 어닐링, 압축)로 처리되는 전기화학적 반응기를 설명한다.
문헌 US 4108754는 문헌 US 4046664로부터 도출된 반응기를 설명하는데, 그 반응기에서 작동 전극은 상부에 전해질 주입부를 포함하고 하부에 전해질 방출 오리피스들을 포함하는 리세스에 배치된다. 작동 전극은, 조밀하게 어셈블리되고 서로 압착되어 서로에게 전기 접촉하는 다수의 탄소 섬유들로부터 제조된다. 5000 내지 10000 개 정도의 섬유들이 제공될 수 있는데, 각각의 섬유는 5 마이크론과 15 마이크론 사이(5×10-6m 내지 15×10-6m)의 직경을 가지며, 이 범위는 다른 직경들이 실현 가능하다는 것이 교시되기 때문에 순수하게 예시적인 것이다.
문헌 US 4108757은 문헌 US 4108754에서 설명된 타입의 반응기에 대한 전극을 설명하는데, 그 전극은 탄소 섬유들 및 그 섬유들의 길이 중 적어도 제한된 부분 위에 배치되는 섬유 결합 수단을 포함한다.
결과적으로, 이러한 다양한 문헌들의 교시사항은, 단지, 최대화되고 전해질에 노출되는, 바람직한 작동 전극의 표면에 관한 것일 뿐이다. 전극 마이크로구조로부터, 특히 필라멘트들의 곡률 반경으로부터는 실제로 어떠한 정전 이점도 도출되지 않는데, 이는 여러 필라멘트들로 구성된 토우들의 사용이 전기장에 대한 구조와 관련하여 대략 토우의 필라멘트들의 개수의 제곱근에 의해 승산되는 단위 필라멘트의 직경과 같은 직경을 갖는 필라멘트와 등가이기 때문이다.
또한, 문헌 US 4337138은 에너지 변환 시스템들의 효율성을 강화하는 문제를 제기한다. 그 목적을 위해, 이 문헌은 전기 전도성 콜렉터를 포함하는 전극 및 비전도성 매트릭스에 복수의 전도성 아일랜드들을 포함하는 작동 표면을 설명한다.
문헌 US 4369104는 동일한 문제를 언급하며, 이를 위해, 30 마이크론(30×10-6 m)보다 작은 직경을 갖는 그래파이트 섬유들이 열가소성 수지 매트릭스에 산포되고 서로에게 평행하며 매트릭스 표면에 수직하도록 배열되는 개선된 그래파이트 조성 전극을 설명한다.
이러한 2 개의 구성들에 있어서, 매트릭스에 내장된 전도성 부품들로부터는 어떠한 이점도 도출되지 않는다.
문헌 WO 2008/012403은 또한 효율성 강화 문제를 언급하며, 캐소드 구획, 애노드 구획, 및 이들 2개의 구획을 연결하는 엘리먼트를 포함하되, 캐소드 구획이 적어도 하나의 약산을 포함하는 전기 분해 장치를 설명한다. 이러한 장치는 이온 교환 멤브레인들의 사용을 요구하여, 그 비용을 엄두도 내지 못하게 한다.
문헌 US-A-2008/027787은 동일한 문제를 언급하며, 공극들에서 부유하는 니켈 나노입자들을 갖는 다공성 전극을 설명한다. 이러한 구성은 복잡하고 고가이다.
결과적으로, 이 두 번째 시리즈의 문헌들의 교시사항은 에너지 변환 시스템들의 효율성을 증가시키는 이점과, 이 문제가 많은 상이한 기술적 솔루션들을 갖는다는 사실을 지적한다. 그러나, 산업 운용의 관점에서 보면, 이러한 기술적 솔루션들은 허용 가능한 비용 조건들 하에서 실현 가능하고 동작 가능해야 하는데, 이는 이 상황의 경우인 것으로 보이지 않는다.
따라서, 본 발명의 근간을 이루는 문제는, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질 또는 유전체와 같은 기능 매질을 포함하는 전극간 간극을 포함하되, 산업 스케일에서의 합당한 생산 비용 및 합당한 동작 비용들을 구하여 상업적 사용을 허용하도록 최적화된 타입의 에너지 변환 시스템을 갖는 것이다.
본 발명의 목적은 이 문제에 대한 해결책을 제공하되, 구현하기에 더 간단하고 또한 재현가능하며 신뢰할 수 있는 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명은, 우선적이고 가장 중요하게, 중간 매질을 포함하는 전극간 간극 및 제 2 전극을 더 포함하는 에너지 변환 시스템의 적어도 제 1 전극을 구성하도록 배열된 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형(elongate) 전기 전도성 수단이, 그에 의해 구성된 제 1 전극 주위에서 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 전기장을 현저히 증가시킬 수 있다는, 본 발명의 상황에서 지금까지 인식되지 않은 효과의 입증에 기초한다.
이 효과는 본원에서 코로나 효과(corona effect)라고 지칭되는데, 이는 높은 전기 전압인 약 수십 킬로볼트 하에서, 약 수 센티미터의 직경을 갖는 전기 케이블들의 경우에 공지된 종래의 코로나 효과와의 유사성에 의한 것이다.
본 발명에서, 소위 "코로나 효과"는, 매우 작은(40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은) 공지된 곡률 반경 R과, 그 공지된 곡률 반경에 비해 매우 낮은 전기 전압 및 종래의 코로나 효과의 경우에서의 전압을 이용하여 획득된다.
본 발명은, 또한, 1×10-9 m와 5×10-3 m (1 나노미터와 5 밀리미터) 사이의 두께를 갖는 전극간 간극과 결합된 제 1 전극이 그에 의해 강화된 전기장을 제 2 전극이 인지할 수 있도록 하게 하여, 에너지 변환 시스템이 이 코로나 효과로부터 이점을 얻게 하도록 한다는 결론에 기초한다.
본 발명은, 또한, 작은 필라멘트 길이들에 대해 측정가능하지 않아도 존재해야 하는 이 코로나 효과가, 일단 구성 필라멘트의 길이가 그 반경의 106 (일백만) 배를 초과하고, 바람직하게는 그 반경의 2.5×107 (25 백만)을 초과하면, 효율성의 관점에서 유리하게 된다는 결론에도 기초한다.
본 발명은, 또한, 제 1 전극의 구조와의 계면 면적이 높도록 결합되는 그러한 구조(제 1 전극 및 전극간 간극)가 에너지 변환 효율성의 관점에서 놀라운 결과들을 구한다는 결론에도 기초한다.
본 발명은, 또한, 전술한 배열물들이 일반적인 범주 내의 것이고 다수의 응용들을 제공하는 많은 상이한 구현물들의 주제일 수 있다는 결론에도 기초한다.
제 1 양태에 따르면, 본 발명은 에너지 변환 시스템으로 구성되는데, 이 시스템은 제 1 전극, 제 2 전극, 및 이들 사이에 있으며 기능 매질을 포함하는 전극간 간극을 포함하되, 제 1 전극은 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단으로 구성되고, 이 전기 전도성 수단은 총 길이 L, 곡선형 단면, 및 곡률 반경 R을 가지며, 다소의 개방형 패턴을 갖는 견고한 어셈블리 구조 내에 배열되고, 어떠한 위치에서든 동일한 전기 전위를 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 전극을 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 에너지 변환 시스템은:
- R이 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작고,
- 전극간 간극이 1×10-9 m와 5×10-3 m (1 나노미터와 5 밀리미터) 사이의 두께를 가지며,
- 제 1 전극의 적어도 하나의 전기 전도성 수단의 총 길이 L이 1×103 m (1 킬로미터)보다 크고,
- L/R 비는, 제 1 전극이 나노미터 레벨에서 밀리미터 레벨로 제 2 전극에 의해 인지되는 전기장에서의 현저한 증가를 생성하도록 106 (일백만)보다 큰 것을 특징으로 한다.
제 2 양태에 따르면, 본 발명은 또한 에너지 변환 시스템에 관한 것으로서, 이 시스템은 제 1 전극, 제 2 전극, 및 이들 사이에 있으며 기능 매질을 포함하는 전극간 간극을 포함하되, 제 1 전극은 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단으로 구성되고, 이 전기 전도성 수단은 총 길이 L, 곡선형 단면, 및 곡률 반경 R을 가지며, 다소의 개방형 패턴을 갖는 견고한 어셈블리 구조 내에 배열되고, 어떠한 위치에서든 동일한 전기 전위를 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 전극을 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 에너지 변환 시스템은:
- R이 50×10-6 m (50 마이크론)보다 작고,
- 전극간 간극이 1×10-9 m와 2×10-2 m (1 나노미터와 2 센티미터) 사이의 두께를 가지며,
- L/R 비는, 제 1 전극(106, 306)이 나노미터 레벨에서 밀리미터 레벨로 제 2 전극(107, 307)에 의해 인지되는 전기장에서의 현저한 증가를 생성하도록 3×106 (삼백만)보다 높은 것을 특징으로 한다.
실현 가능한 실시예들에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단은 전기 컨덕터로 구성되거나 또는 전기 전도성 외부 구조로 덮이는 전기 절연성 내부 구조를 포함하며, 상기 외부 구조는 가능하게는 층의 형태이다.
일 실시예에 따르면, 외부 구조는 층의 형태이다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단은 탄소, 그래파이트, 니켈 또는 티켈 포함 합금, 스틸들 및 철 포함 합금들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 제조되거나 이를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단은 자립적(self-supporting) 또는 비자립적이며, 제 1 전극은 기계적 보강부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전극(106, 306)의 전기 전도성 수단은 필라멘트, 섬유, 또는 포인트의 형태를 갖는다.
실시예에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단의 어셈블리 구조는 비조직적 벌크 구조 또는 조직화된 구조이며, 특히 시트, 플레이트, 스트립 또는 코일의 형태를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단은 그 자체가 닫힌 회로로 루프를 형성한다.
일 실시예에 따르면, 제 1 전극의 전기 전도성 수단은 자체로 루핑되지 않고, 개방 회로에 있다.
제 1 실시예에 따르면, 변환 시스템은 대칭형 또는 의사-대칭형 구조를 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 제 2의 대안적인 실시예에 따르면, 변환 시스템은 비대칭형 구조를 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다.
본 발명은 또한 전술한 제 1 실시예에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 에너지 변환 장치에 관한 것으로, 이 장치는 전기분해, 광분해 또는 전기합성용 장치, 역 전기분해에 의해 전기를 생성하는 장치, 연료 전지, 전기 배터리 또는 오존 발생기용 장치, 또는 전기투석용 장치로 구성된다.
본 발명은 또한 전술한 제 2 실시예에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 에너지 변환 장치에 관한 것으로, 이 장치는 커패시터, 방전 램프, 광전압 발생기, 광능동 컨덕터를 구비한 태양 전지로 구성된다.
본 발명은, 또한, 기능 매질을 포함하는 전극간 간극 및 제 2 전극을 더 포함하는 에너지 변환 시스템의 제 1 전극을 구성하기 위해, L/R 비가 106 (일백만)보다 크도록 하는 1×103 m (1 킬로미터)보다 큰 길이 L 및 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형 전기 전도성 수단의 응용으로서, 제 1 전극은 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 전기장에서의 현저한 증가를 생성하는 응용에 관한 것이다.
본 발명은, 또한, 기능 매질을 포함하는 전극간 간극 및 제 2 전극을 더 포함하는 에너지 변환 시스템의 제 1 전극을 구성하기 위해, L/R 비가 106 (일백만)보다 크도록 하는 1×103 m (1 킬로미터)보다 큰 길이 L 및 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형 전기 전도성 수단의 응용으로서, 제 1 전극은 제 2 전극에 의해 인지되는 전기장에서의 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로의 현저한 증가를 생성하고, 전극간 간극은 1×10-9 m와 5×10-3 m (1 나노미터와 5 밀리미터) 사이의 두께를 갖는 응용에 관한 것이다.
본 발명은 또한 나노미터 내지 밀리미터 분말들을 생성하기 위한 본 발명의 에너지 변환 시스템의 응용에 관한 것이다.
이제, 비제한적인 본 발명의 다양한 실시예들이 첨부한 도면들과 관련하여 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 장치, 즉 전기 분해 장치로서, 제 1 전극 및 제 2 전극이 대칭형 구조 또는 의사-대칭형 구조를 갖는 시스템의 제 1의 특정한 실현가능 실시예의 사시도이다.
도 1a는 수행되는 모든 실험들에 대해, 필라멘트의 반경에 대한 길이의 비율(x-축)의 함수로서 전기분해 장치의 효율성 변화(y-축)를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 장치, 즉 커패시터로서, 2개의 전극들이 또한 비대칭형 구조를 갖는 제 2의 특정 실시예의 사시도이다.
도 3은 전기 전도성 수단이 섬유의 형태이며, 비조직적인 벌크 어셈블리 구조를 갖는, 에너지 변환 시스템의 전극의 제 1의 실현 가능한 실시예를 도시한 마이크로-스케일 다이어그램이다.
도 4는 전기 전도성 수단이 필라멘트의 형태이며, 패브릭 또는 네트워크와 같은 어셈블리 구조를 갖는, 에너지 변환 시스템의 전극의 제 2의 실현 가능한 실시예를 도시한 마이크로-스케일 다이어그램이다.
도 5는 전기 전도성 수단이 네트워크에서 조직된 어셈블리 구조에서 포인트의 형태인 에너지 변환 시스템의 전극의 제 3의 실현 가능한 실시예를 도시한 마이크로-스케일 다이어그램이다.
이제, 보다 구체적으로, 공전 축(102)을 갖는 전기 분해 장치(101)를 도시한 도 1을 참조한다.
이 전기 분해 장치(101)는 여기에서 원통형 형상을 갖는 중공 외부 챔버(103)를 포함한다.
중공 외부 챔버(103)는 애노드 구획(104) 및 캐소드 구획(105)을 포함한다. 이러한 2개의 구획들(104, 105)은 축(102)과 동축인 전반적으로 원통형인 형상을 갖는다. 그들은 하나의 구획 내부에 다른 구획이 배치되는데, 여기에서는 애노드 구획(104)이 외측에서 캐소드 구획(105)을 둘러싼다.
애노드 구획(104)은 애노드(106)를 형성하는 전극을 포함하고, 캐소드 구획(105)은 캐소드(107)를 형성하는 전극을 포함한다.
애노드(106)와 캐소드(107) 사이의 도면번호 108 부분에 전위차가 인가된다.
애노드(106)의 내표면(109) 및 캐소드(107)의 외표면(110)은 서로 대향하도록 배치되고, 그들 사이에 전극간 간극(111)을 정의한다.
전극간 간극(111)에 배치된 필터(112)는 애노드(106)를 캐소드(107)로부터 분리시키고, 그들 사이에 전해질의 존재를 허용한다. 실행되는 테스트의 경우, 전해질은 약간 이온화된 도시 용수(수돗물)이며, 네오듐 자석(NdFeB magnet)과 같은 원통형 자석(113)으로 구성된 패시브 시스템이, 그 목적을 위해 중앙 공극에 제공된 캐소드 구획(105)의 중앙에 배치된다.
애노드(106) 및 캐소드(107)는, 여기에서 고려되는 실시예에서, 반드시 동일한 표면 면적을 가질 필요 없이, 동일하거나 유사한 구조를 가져서, 이 구조를 대칭형 또는 의사-대칭형으로서 얻는 데 도움을 준다.
실현 가능한 실시예에 따르면, 애노드(106) 및 캐소드(107)를 각각 형성하도록 하기 위해, 25×10-6 m (25 마이크론)의 기공들을 갖는 일반적인 형상의 중공 원통을 갖는 필터로 구성되는 구조가 제공된다. 이 구조와 관련하여 외적 및 내적으로, 9×10-6m (9 마이크론)의 작은 곡률 반경 R을 갖는 스틸 울(steel wool)은 70%보다 높은 공극 함유율로 중간-패킹(medium-packed)되는데, 각 스틸 울 전극의 총 길이는 10×103 m (10 킬로미터)이다.
수행된 테스트들은, 그러한 전기 분해 장치(101)로 아주 약간 이온화된 도시 용수를 이용하여, 88%로 측정된 수소 생성 수율을 갖도록 약 0.8 내지 1 V (0.8 내지 1 볼트)의 전압에서 전해질의 물 분자를 해리시키는 것이 가능하다는 것을 입증했는데, 수집된 수소는 순수하고, 이산화탄소나 수증기 중 어떤 것도 함유하지 않으며, 그 장치는 대기 온도에서 동작한다.
수행된 테스트들은, 전해질로서 염수를 사용하여 수율이 97%까지 상승할 수 있다는 것을 입증했는데, 이 경우에 시스템은 자석(113)이 없다.
따라서, 전술한 전기 분해 장치(101)는 그의 높은 효율성을 특징으로 한다.
이 높은 효율성은 다수의 인자들에 의해 설명될 수 있는 것으로 보인다.
첫째, 본원에서 "코로나 효과"라고 지칭되는 효과는, L/R 비가 106 (이 경우, 1.1×109)보다 높도록 하는 1×103m (10 킬로미터)의 길이 및 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 매우 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형 전기 전도성 수단(스틸 울 섬유들 또는 필라멘트들)으로부터 마련된 애노드(106) 및 캐소드(107)와, 하나의 전극 주위에서 전기장이 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 현저히 증가하고 다른 전극에 의해 인지되도록 하는 1×10-9 m와 5×10-3 m(1 나노미터 및 1 밀리미터) 사이의 두께를 갖는 전극간 간극(111)의 조합으로부터 비롯된다.
둘째, 애노드(106)의 구조 및 캐소드(107)의 구조는 그들의 계면 면적을 높여서 시스템의 효율성을 강화하는 데 기여한다.
도시 용수(수돗물)로 구성된 기능 매체에 대해 스틸 울이 불활성이도록 스트레스되어야 했다. 그것은 반응기의 전기화학적 동작 동안에 급속하게 파괴된다. 따라서, 니켈과 같이, 통상적으로 비교적 불활성인 것으로 간주되는 물질들로 추가 테스트들이 수행되었다. 애노드 및 캐소드에서의 니켈 전극들의 분해가 급속하게 나타났으며, 마이크로 사이즈의 분말 형태인 산화된 니켈 화합물이 나타났다.
순수 니켈 패브릭 캐소드 및 골드 애노드를 포함하는 전해조의 구성도 양쪽 전극들의 분해를 가져오며, 니켈 캐소드는 흑색 분말로 나타난 반면, 골드 애노드는 골드 마이크로입자들로 분해되었다.
따라서, 이러한 일련의 테스트들에 있어서, 증가하는 전기장으로 인한 정전 효과인 코로나 효과의 세기는 전기분해와 관련되어 물질의 관성보다 컸다.
또한, 추가 실험들은, 아연 및 알루미늄 전극들에 대한 패시베이션 층의 생성의 부재를 입증하였는데, 전자의 경우에는 아연 산화물 분말이 생성되고, 제 2 경우에는 알루미늄 산화물 또는 수산화물 분말이 전해조 단자들에 인가되는 전류의 세기에 직접적으로 의존하는 직경을 갖는다는 것을 입증했다. 저전류들의 경우, 분말 크기 측정치들은 마이크론 이하 직경을 갖는 파퓰레이션의 존재를 나타내었다.
전해조의 대안적인 실시예로 다른 테스트들이 수행되었다.
이 실시예에 따르면, 나트륨 규산염 및 나트륨 수산화물로 이루어진 기능 매체가 사용되었고, 또한 필라멘트 전극의 곡률 반경 및 L/R 비의 직접적인 효과를 입증하도록 하는 측정치들이 취해졌다.
기본적인 전해조는, 애노드 구획과 캐소드 구획 사이에 어떠한 분리 벽(필라멘트 또는 멤브레인)도 없는 원통형 기하형상으로 구성되었다. 각 전극의 대향면 면적은 30 cm2으로 설정되었고, 전기 전압은 2.5 V로 설정되었으며, 전극간 간극은 5×10-3 m (5 밀리미터)로 설정되었고, 전해조는 탈이온수에서 20% 중량의 나트륨 규산염 및 20% 중량의 나트륨 수산화물로 구성되었으며, 이 전해조는 스틸의 경우에도 전극들의 안정성을 보장하면서 높은 전도성을 획득하는 데 도움을 준다.
이러한 파라미터들(특히, 5 밀리미터의 최대 전극간 간극)은, 한편으로는 실험들의 재현가능성을 보장하고 다른 한편으로는 수소 생성 효율성들에서의 넓은 측정 차이들을 허용하도록 의도적으로 선택되었다. 사실상, 전극간 간극의 감소는 모든 전극 구조들에 대해 더 높은 효율성들을 가져올 것이지만, 이러한 효율성들간의 차이들은 더 낮았을 것이고, 그에 따라 측정하고 해석하기가 더 어려웠을 것이다. 이러한 파라미터들 모두가 일정하였으므로, 변동은 전극의 구조, 및 특히 필라멘트의 곡률 반경 및 총 길이와 관련되었다. 수소 생성 효율성 측정치들에서의 에러 마진들은 3%였다. 실험들은 수백 시간 동안 이행되었다.
전체적인 결과들은 아래의 표에 주어진다:
애노드 캐소드 전극간 간극 대향면 면적 전해질 전압 필라멘트 직경 길이/반경 비 효율성
스틸 스틸 5×10-3 m 30 ㎝3 물에서 20% 나트륨 규산염 및 물에서 20% 나트륨 수산화물 2.5 V 플레이트 1 34%
스틸 스틸 5×10-3 m 30 ㎝3 물에서 20% 나트륨 규산염 및 물에서 20% 나트륨 수산화물 2.5 V 1×10-3 m 2000 34%
니켈 니켈 5×10-3 m 30 ㎝3 물에서 20% 나트륨 규산염 및 물에서 20% 나트륨 수산화물 2.5 V 55×10-6 m 2 000 000 47%
스틸 스틸 5×10-3 m 30 ㎝3 물에서 20% 나트륨 규산염 및 물에서 20% 나트륨 수산화물 2.5 V 18×10-6 m 200 000 000 51%
측정된 효율성은 전기 전력 서플라이에 의해 입력되는 에너지에 대한 생성된 수소에 포함된 에너지의 비율이다.
이렇게 하여, 스틸 플레이트들로 구성된 전극들(곡률 반경 없음, 1의 L/R 비)로 34%의 효율성이 획득되었다.
또한, 1 mm (약 2000의 L/R 비)의 직경을 갖는 스틸 필라멘트를 이용하여 (에러 마진 내에서) 34%의 동일한 효율성이 측정되었다.
55×10-6 m (55 마이크론)의 직경을 갖는 필라멘트들을 갖는 니켈 패브릭을 이용하면, 측정된 효율성은 47%였다(약 2 000 000의 L/R 비).
직경이 18×10-6 m (18 마이크론)으로 측정된 스틸 울을 이용하면, 효율성은 51%인 것으로 증명되었다(약 200 000 000의 L/R 비).
도 1a의 그래프는, 필라멘트의 반경에 대한 길이의 비의 함수로서(x-축), 수행된 모든 실험들에 대해 퍼센트 단위의 효율성 변화(y-축)를 도시한다.
마지막 실험은, 니켈 패브릭으로부터 마련된 캐소드, 및 스테인리스 스틸 패브릭 애노드를 포함하되, 양쪽 전극들이 1 dm2 (1 제곱 데시미터)의 대향면 면적을 갖고 이들 사이에 5 mm (5 밀리미터)의 간극을 갖는, 수소를 생성하도록 의도된 전기 분해 전지로 수행되었다. 전해질은 탈이온수에서 30% 나트륨 수산화물 및 20% 칼륨 규산염으로 구성되었다. 이러한 비최적 조건들 하에서 1.9 V의 전압으로 대기 온도 및 압력에서 측정된 효율성은 88%인 것으로 증명되었다. 매우 낮은 생산 및 동작 비용들을 초래하는 그러한 타입의 장치는 상업적 이용을 위해 실현 가능한 것으로 보인다.
전기 분해 장치 대신, 여전히 대칭형 또는 의사-대칭형 구조를 갖는 제 1 전극 및 제 2 전극을 구비하는 에너지 변환 시스템은, 전기 발생기를 마련하는 데 적합한 것일 수도 있다. 장치는 전기 분해 장치와 구조적으로 동일하거나 유사하다. 이 경우, 수소는 장치의 저부를 통해 애노드 구획 내에 주입되고, 공기는 저부를 통해 미세기포들의 형태로 캐소드 구획 내에 주입된다. 역 전기 분해 반응은 전기 전류를 발생시키는 데 도움을 준다. 이러한 장치는 역반응, 즉 전기 분해 또는 전기 전류 생성을 허용한다.
광분해 장치, 전기합성 장치, 연료 전지, 전기 배터리, 오존 발생기, 전기 투석기(electrodialyzer)와 같이, 대칭형 또는 의사-대칭형 구조의 전극들을 갖는 다른 장치들이 실현 가능하다.
이제, 도 2의 실시예가 상세히 설명된다.
또한, 전술한 실시예들에서와 같은 대칭형 또는 의사-대칭형 구조를 갖는 대신, 전극은, 도 2에서의 실시예에 대응하는 커패시터(301)의 경우에서와 같이, 비대칭형 구조를 가질 수도 있다.
이전과 같이, 커패시터(301)는 여기에서 원통형 형상이며 축(302)을 갖는 중공 외부 챔버(303)를 포함한다.
중공 외부 챔버(303)는 제 1 전극(306) 및 제 2 전극(307)을 포함한다.
제 1 전극(306)은 1×103 m (1 킬로미터)의 길이 및 50×10-6 m (50 마이크론)의 직경(2×R)을 갖는 구리 와이어로부터 제조되고, 그 자체가 루프를 형성하며, 중공 외부 챔버(303)에 배치된 원통형 지지부의 외면에 자체가 배치된다.
제 2 전극(307)은 제 1 전극(306)의 전도성 와이어를 외부에서 덮는 층의 형태인 유전체(311)와 중공 외부 챔버(303) 사이의 공간에 배치되는 전해질이다.
그렇게 함으로써, 유전체(311)는 전극들(306, 307) 사이의 공간을 채운다.
여기에서의 유전체(311)는 폴리우레탄이다.
전기 커넥터들(316, 317)은 한편으로 제 1 전극(306)의 전기 전도성 와이어 및 제 2 전극(307)을 형성하는 전해질에 접속된다.
유전 상수가 약 2인 폴리우레탄을 이용하면, 커패시터(301)의 계산된 이론적 커패시턴스는 3 ㎌ (3 마이크로패러드)이다. 포화된 NaCl 수용액을 선택하면, 커패시턴스는 처음에는 25 ㎌ (25 마이크로패러드)이고, 그 후에 120 F (120 마이크로패러드)에 도달하도록 증가하고 나서 안정화된다.
명백히 말해서, 이러한 커패시턴스 값들은 순전히 예시적이다.
제 1 전극(306)은 전술한 애노드들(106, 206)과 유사한 타입의 것인 반면, 여기에서 전해질인 제 2 전극(307)은 제 1 전극(306) 및 전술한 캐소드(107) 양쪽 모두와는 상이한 구조를 갖고 있어서, 커패시터(301)의 전극들의 구조는 정당히 비대칭형으로 취득될 수 있다.
대안에 따르면, 제 1 전극(306)은 에나멜을 입힌 구리 와이어가 아니라 40×10-6 m (40 마이크론)의 직경(2×R) 및 약 600 m (600 미터)의 길이를 갖는 알루미늄 와이어로 마련된다.
산화 층은 최대 희망 서비스 전압에 의존하는 알루미늄 와이어, 예컨대 100 V(100 볼트)의 전압에 대해 150×10-9 m (150 나노미터)의 알루미늄 와이어 상에서 생성된다.
이렇게 하여 마련된 전극의 표면 면적은 약 145×10-4 m2 (145 제곱 센티미터)이다. 이러한 커패시터의 이론적인 커패시턴스는 9 ㎌(9 마이크로패러드)이지만, "코로나" 강화 효과를 고려한 그의 실제 커패시턴스는 더 높다.
방전 램프, 광전압 발생기, 광활성화 컨덕터를 구비한 태양 전지와 같이 전극들의 비대칭형 구조를 이용하는 다른 장치들이 고려될 수 있다.
모든 경우들에 있어서, 이러한 장치들은, 제 1 전극(106, 306), 제 2 전극(107, 307), 및 이들 사이에 있으며 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111, 311)을 포함하는 에너지 변환 시스템들에 기초한다.
비대칭형 구조의 경우에 있어서는 전극들 중 하나의 전극 - 이 경우에는 제 1 전극 또는 애노드 혹은 대칭형 또는 의사-대칭형 구조의 경우에 있어 양쪽 전극들 모두는 적어도 하나의 전기 전도성 수단을 이용하여 마련되는데, 이 전기 전도성 수단은, 장형되고, 총 길이 L, 곡선형 단면 및 곡률 반경 R 을 가지며, 견고한 어셈블리 구조에 배열되고, 다소의 개방형 패턴을 가지며, 어떤 위치에서든 동일한 전기 전위를 가질 수 있고, 그에 따라 상기 제 1 전극 또는 상기 1 전극 및 제 2 전극을 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 곡률 반경 R은 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작고, 길이 L은 L/R 비가 106 (일백만)보다 크도록, 바람직하게는 2.5×107 (25 백만)보다 크도록 하는 것이다.
조합하여, 전극간 간극(111, 311)은 1×10-9 m와 5×10-3 m(1 나노미터와 5 밀리미터) 사이의 두께(2개의 전극들 사이의 거리)를 갖는다.
이렇게 하여 대향 전극에 의해 인지될 수 있는 전기장의 현저한 증가가 생성된다.
고려되는 전극 또는 전극들의 전기 전도성 수단은 다양한 대안적 실시예들의 주제일 수도 있다.
제 1 실시예에서, 전기 전도성 수단은 전기 컨덕터로 구성된다.
제 2 실시예에서, 전기 전도성 수단은 외부 전기 전도성 구조로 덮이는 내부 전기 절연성 구조를 포함한다. 이러한 외부 구조는 일반적으로 층의 형태이다.
그것이 상기 설명으로부터 기인하므로, 전기 전도성 수단은 고려되는 응용(전기 분해, 광분해, 분말 생성)을 위해 기능 매체에 적응되도록 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함한다. 예를 들어, 물질은 탄소, 그래파이트, 니켈 또는 니켈 함유 합금, 스테인리스 스틸 또는 감광 물질일 수도 있으며, 이러한 리스트는 제한적인 것이 아니다. 일반적으로, 전도성 수단은, 그 자체로, 요구되는 전체적인 기계적 내구성을 가질 수는 없다. 따라서, 일 실시예에서는, 전기 전도성 수단이 기계적 보강부 및 전기 전도성 부분을 포함하도록 제공된다. 다른 실시예에서, 전기 전도성 수단은 플레이트, 스트립, 코일 등과 같은 별도의 기계적 보강 수단(400)에 의해 지지된다.
전술한 실시예들에서, 전기 전도성 수단은, 도 3 및 도 4에도 도시한 바와 같이, 필라멘트 또는 섬유(401)의 형태이다. 이 실시예는 다른 것들, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같은 포인트 형상(402)을 배제하지 않는다. 이러한 포인트들(402)은 플레이트와 같은 기계적 보강 수단(400)으로부터 투영될 수도 있다.
이제, 전기 전도성 수단의 어셈블리 구조를 도시한 도 3 내지 도 5를 보다 구체적으로 참조한다.
도 3에 도시한 실시예에서, 전기 전도성 수단의 어셈블리 구조를 대체로 조직화되지 않은 벌크 상태이다.
도 4 및 도 5에 도시한 실시예들에서, 전기 전도성 수단의 어셈블리 구조는 조직화된다. 그것은 일종의 패브릭(도 4) 혹은 플랫 코일 또는 심지어 포인트들의 네트워크(도 5)이다.
요구되는 바에 따라, 전기 전도성 수단은 그 자체가 닫힌 회로로 루프를 형성하며, 이 경우에 개방 회로에서는 루핑되지 않는다. 모든 경우들에 있어서, 컨덕터는 모든 위치들에서 동일한 전기 전위를 갖는다.
상기 설명으로부터 기인하는 바와 같이, 본 발명은, 또한, 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 전기장의 현저한 증가를 구하는, 에너지 변환 시스템의 적어도 하나 및 가능하게는 2개의 전극들(106, 107, 306)의 구성에 대해 전술한 전도성 수단의 응용으로 보일 수도 있다.
1×10-9 m와 5×10-3 m (1 나노미터와 5 밀리미터) 사이의 두께를 갖는 전극간 간극(111, 311)과 결합되는 그러한 특징은, 현저한 전기장 증가의 효과가 대향 전극에 의해 인지될 수 있도록 하는 것이다.
이렇게 하여, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 전해질이나 유전체와 같은 기능 매질을 포함하여, 합당한 산업 스케일 생산 비용 및 합당한 동작 비용으로 높은 효율성을 구하여 상업적 사용을 허용하도록 최적화된 에너지 변환 시스템이 획득될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예(도시하지 않음)가 비제한적인 실례로서 하기에 설명된다.
이 실시예에 따르면, 에너지 변환 시스템은, 총 길이 L을 가지며 곡선형 단면을 갖고 45×10-6 m (45 마이크론)의 곡률 반경을 갖는 장형 전도성 스틸 와이어로부터 제조되는 제 1 전극을 포함한다.
에너지 변환 시스템은 제 2 전극 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 있고 탈이온수에서 20% 중량의 나트륨 규산염 및 10% 중량의 나트륨 수산화물로 구성된 기능 매질을 포함하는 1.5 센티미터의 전극간 간극을 더 포함한다.
또한, 이 실시예에 따르면, L/R 비는, 제 2 전극에 의해 인지되는 전기장의 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로의 현저한 증가를 획득하는 데 도움을 줄 수 있는 5×106 (5백만)이다.

Claims (17)

  1. 제 1 전극(106, 306), 제 2 전극(107, 307), 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 있고 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111, 311)을 포함하되, 상기 제 1 전극(106, 306)은 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단으로 구성되고, 상기 장형 전기 전도성 수단은 총 길이 L, 곡선형 단면, 및 곡률반경 R을 가지며, 다소의 개방형 패턴을 갖는 견고한 어셈블리 내에 배열되고, 어느 위치에서도 동일한 전기 전위를 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 전극(106, 306)을 구성할 수 있는 에너지 변환 시스템에 있어서,
    R은 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작고,
    상기 전극간 간극은 1×10-9 m 내지 5×10-3 m (1 나노미터 내지 5 밀리미터)의 두께를 가지며,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단의 상기 총 길이 L은 1×103 m (1 킬로미터)보다 크고,
    L/R 비는, 상기 제 1 전극(106, 306)이 상기 제 2 전극(107, 307)에 의해 인지되는 전기장을 나노미터 레벨에서 밀리미터 레벨로 현저하게 증가시키도록, 106 (일백만)보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은, 도전체로 구성되거나 또는 전기 전도성 외부 구조물로 덮이는 전기 절연성 내부 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외부 구조물은 층의 형태인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은, 탄소, 그래파이트, 니켈이나 니켈 함유 합금, 스틸, 및 철 함유 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질로 제조되거나 그러한 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은 자립적(self-supporting) 또는 비자립적이며,
    상기 제 1 전극은 기계적 보강부를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은 필라멘트, 섬유 또는 포인트의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단의 어셈블리 구조는 비조직화된 벌크 구조 또는 조직화된 구조, 특히 시트, 플레이트, 스트립 또는 코일의 형태인 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은 그 자체가 닫힌 회로로 루프를 형성하는 에너지 변환 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 전극(106, 306)의 상기 장형 전기 전도성 수단은 그 자체가 루프를 형성하지 않고 개방 회로를 형성하는 에너지 변환 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 전극(106) 및 제 2 전극(107)은 대칭 구조 또는 의사-대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 전극(306) 및 제 2 전극(307)은 비대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
  12. 제 10 항에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 에너지 변환 장치에 있어서,
    상기 에너지 변환 장치는:
    전기분해(electrolysis), 광분해(photolysis) 또는 전기합성(electrosynthesis)을 위한 장치;
    역 전기 분해(reverse electrolysis)에 의해 전기를 생성하는 장치;
    연료 전지, 전기 배터리 또는 오존 발생기를 위한 장치; 또는
    전기투석(electrodialysis)용 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  13. 제 11 항에 따른 에너지 변환 시스템을 포함하는 에너지 변환 장치에 있어서,
    상기 에너지 변환 장치는 커패시터, 방전 램프, 광전압 발생기, 광활성화 컨덕터를 구비한 태양 전지와 같은 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 변환 장치.
  14. 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111, 311) 및 제 2 전극(107, 307)을 더 포함하는 에너지 변환 시스템의 제 1 전극(106, 306)을 구성하기 위해, L/R 비가 106 (일백만)보다 크도록 하는 1×103 m (1 킬로미터)보다 큰 길이 L 및 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형 전기 전도성 수단의 응용에 있어서,
    상기 제 1 전극은 전기장을 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 현저하게 증가시키는 응용.
  15. 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111, 311) 및 제 2 전극(107, 307)을 더 포함하는 에너지 변환 시스템의 제 1 전극(106, 306)을 구성하기 위해, L/R 비가 106 (일백만)보다 크도록 하는 1×103 m (1 킬로미터)보다 큰 길이 L 및 40×10-6 m (40 마이크론)보다 작은 곡률 반경 R을 갖는 장형 전기 전도성 수단의 응용에 있어서,
    상기 제 1 전극은 제 2 전극에 의해 인지되는 전기장을 나노미터 스케일에서 밀리미터 스케일로 현저하게 증가시키고,
    상기 전극간 간극은 1×10-9 m 내지 5×10-3 m (1 나노미터 내지 5 밀리미터)의 두께를 갖는 응용.
  16. 나노미터 내지 마이크로미터의 분말들을 생성하기 위한, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 변환 시스템의 응용.
  17. 제 1 전극(106, 306), 제 2 전극(107, 307), 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 있고 기능 매질을 포함하는 전극간 간극(111, 311)을 포함하되, 상기 제 1 전극(106, 306)은 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단으로 구성되고, 상기 적어도 하나의 장형 전기 전도성 수단은 총 길이 L, 곡선형 단면, 및 곡률 반경 R을 가지며, 다소의 개방형 패턴을 갖는 견고한 어셈블리 내에 배열되고, 어느 위치에서도 동일한 전기 전위를 가질 수 있으며, 그에 따라 상기 제 1 전극(106, 306)을 구성할 수 있는 에너지 변환 시스템에 있어서,
    R은 50×10-6 m (50 마이크론)보다 작고,
    상기 전극간 간극은 1×10-9 m 내지 2×10-2 m (1 나노미터 내지 2 센티미터)의 두께를 가지며,
    L/R 비는, 상기 제 1 전극(106, 306)이 상기 제 2 전극(107, 307)에 의해 인지되는 전기장을 나노미터 레벨에서 밀리미터 레벨로 현저하게 증가시키도록, 3×106 (삼백만)보다 높은 것을 특징으로 하는 에너지 변환 시스템.
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